計(jì)數(shù)型AD轉(zhuǎn)換器

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書題目： 計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 蔣文鋒 學(xué) 號(hào)： 201206010216 院 （系）： 電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 侯 勇 嚴(yán) 2014 年 11 月 19日計(jì)數(shù)式AD轉(zhuǎn)換器21 選題背景21.1指導(dǎo)思想21.2 基本設(shè)計(jì)任務(wù)及要求213電路特點(diǎn)32 電路設(shè)計(jì)42.1 總體方框圖42.2 工作原理43 各主要電路及部件工作原理54 原理總圖115 元器件清單116 調(diào)試過(guò)程及測(cè)試數(shù)據(jù)（或者仿真結(jié)果）126電路測(cè)試及測(cè)試結(jié)果136.1數(shù)據(jù)記錄136.2 結(jié)果分析147 小結(jié)148 設(shè)計(jì)體會(huì)及今后的改進(jìn)意見(jiàn)148.1 體會(huì)158.

2、2 存在的問(wèn)題158.3 改進(jìn)意見(jiàn)15 計(jì)數(shù)式AD轉(zhuǎn)換器1 選題背景在數(shù)字電路與模擬電路學(xué)習(xí)完之后，為培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的正確設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過(guò)的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)去分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，讓我們學(xué)習(xí)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法，了解和掌握模擬、數(shù)字電路等知識(shí)解決電子信息方面常見(jiàn)實(shí)際問(wèn)題的能力，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)、自行制作和自行調(diào)試， 進(jìn)行基本技術(shù)技能訓(xùn)練，如基本儀器儀表的使用，常用元器件的識(shí)別、測(cè)量、熟練運(yùn)用的能力，掌握設(shè)計(jì)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以及使用仿真軟件、實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和數(shù)據(jù)處理等，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。1.1指導(dǎo)思想將數(shù)字信號(hào)通過(guò)DAC0832轉(zhuǎn)換成模擬

3、信號(hào)，與所給出的電平進(jìn)行比較，并將比較的結(jié)果通過(guò)二極管間接表示出1.2 基本設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 誤差1LSB； 帶轉(zhuǎn)換開(kāi)始控制； 輸入電壓直流電壓05V； 主要單元電路和元器件參數(shù)計(jì)算、選擇； 畫出總體電路圖； 安裝自己設(shè)計(jì)的電路，按照自己設(shè)計(jì)的電路，在通用板上焊接。焊接完畢后，應(yīng)對(duì)照電路圖仔細(xì)檢查，看是否有錯(cuò)接、漏接、虛焊的現(xiàn)象； 調(diào)試電路； 電路性能指標(biāo)測(cè)試； 提交格式上符合要求，內(nèi)容完整的設(shè)計(jì)報(bào)告13電路特點(diǎn)1）模擬電壓產(chǎn)生電路：在電位器上產(chǎn)生05V的待轉(zhuǎn)換電壓。2）電壓比較電路：比較兩個(gè)電壓值進(jìn)行判斷并輸出高電平或低電平，待轉(zhuǎn)換電壓Vx進(jìn)入比較器正端，而經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出的模擬電壓量Vy則

4、進(jìn)入比較器負(fù)端與Vx比較。若Vx Vy，則比較器輸出為高電平，反之為低電平。3）DA轉(zhuǎn)換電路：將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，可以選用DAC0832，輸出為電流量，需轉(zhuǎn)化成模擬電壓量才可以與待轉(zhuǎn)換電壓Vx比較。4）脈沖產(chǎn)生電路：產(chǎn)生一個(gè)頻率較高的方波信號(hào)CP，可選用555構(gòu)成的多諧振蕩器。5）控制電路：可選電路為74LS00，控制計(jì)數(shù)電路的計(jì)數(shù)功能，由比較器的輸出結(jié)果和脈沖信號(hào)CP共同決定, 555構(gòu)成的多諧振蕩器輸出上升沿時(shí),加計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。6）計(jì)數(shù)電路：進(jìn)行加記數(shù)，輸出的數(shù)字量進(jìn)入DA轉(zhuǎn)換電路變?yōu)槟M電流量,為了完成八位計(jì)數(shù),可使用兩個(gè)74LS161。7）輸出電路：輸出八位分別為Q7，Q6，Q5，

5、Q4，Q3，Q2，Q1，Q0,可以用發(fā)光二極管顯示。2 電路設(shè)計(jì)2.1 總體方框圖上圖為8位為計(jì)數(shù)式8位A/D轉(zhuǎn)換器的總體設(shè)計(jì)框圖。該八位AD轉(zhuǎn)換器由以下幾部分組成：1）模擬電壓產(chǎn)生電路2）電壓比較電路 3）DA轉(zhuǎn)換電路 4）脈沖產(chǎn)生電路 5）控制電路 6）計(jì)數(shù)電路7）輸出電路2.2 工作原理計(jì)數(shù)式8位A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的思路是：先由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波信號(hào)，輸入由控制芯片74LS00構(gòu)成的與非門，再把74LS00的輸出信號(hào)輸入到由兩片74161構(gòu)成的計(jì)數(shù)器,74161的輸出信號(hào)經(jīng)DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器后,輸出的信號(hào)經(jīng)LM324構(gòu)成的比較器與待轉(zhuǎn)換電壓進(jìn)行比較,最后結(jié)果由Q7，

6、Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0輸出。3 各主要電路及部件工作原理模擬電壓產(chǎn)生電路將1K電阻與1K電位器相連，電阻一段接+5V電壓，電位器一端接地，電位器中間接輸出，則可以得到輸出電壓在02.5V。 輸出電路將Q7Q0分別接330的電阻和發(fā)光二極管，構(gòu)成D7D0的輸出電路。555信號(hào)發(fā)生器555定時(shí)器它是一種時(shí)基電路，它是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測(cè)。由于555內(nèi)部的比較器靈敏度較高,而且采用差分電路方式,他的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。由555定時(shí)

7、器和外接元件RA，RB，C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電路也不需要外加觸發(fā)信號(hào)，利用電源通過(guò)R1，R2向電容C充電，充電到兩端電壓為2/3的Vcc時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，Vo為低電平，電容C473通過(guò)RB向放電端7端放電，當(dāng)兩端電壓下降到1/3的Vcc時(shí)，觸發(fā)器又被復(fù)位，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容C在（1/3）Vcc和（2/3）Vcc之間充電和放電，從而使信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(hào)。充電時(shí)間為0.7（R1+R2）C=0.7（10103+10103）4700010-12=6.5810-4s，放電時(shí)間為0.7R2C=0.7101034700010-12=3.2910-4s，

8、周期T=6.5810-4+3.2910-4s=9.8710-4s555信號(hào)清零數(shù)據(jù)顯示時(shí)間為0.7（R1+R2）C=0.7（33103+330）4710-6=1.097s，放電時(shí)間為0.7R2C=0.73304710-6=10.86ms，周期T=1.1s。74LS00輸入方波信號(hào)，10端接LM324的輸出端產(chǎn)生的方波，9端接比較器輸出的電壓，8端為輸出的信號(hào)接入計(jì)數(shù)器電路。 計(jì)數(shù)器電路控制電路是由兩個(gè)74LS161計(jì)數(shù)器構(gòu)成的,74LS161正常工作時(shí)由0000開(kāi)始計(jì)數(shù)，現(xiàn)在外接了與非門，同步預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)過(guò)程從0001開(kāi)始。74LS161由四個(gè) JK 觸發(fā)器和一些控制門組成，其中 CP 是計(jì)數(shù)輸

9、入脈沖，上升沿有效；Q0Q3 是計(jì)數(shù)輸出端，AD是輸入端。最高位是Q3；CO是進(jìn)位信號(hào)輸出端；D0D3 為預(yù)置數(shù)并行輸入端；CTT和CTP是工作狀態(tài)控制端。74LS161具有計(jì)數(shù)、預(yù)置、保持、清零等功能。DA轉(zhuǎn)換器DAC0832D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)有很多種，分為電壓定標(biāo)、電荷定標(biāo)、電流定標(biāo)等。不同結(jié)構(gòu)的D/A轉(zhuǎn)換器在性能上是有差異的。單純采用一種定標(biāo)方式，需要有很高的匹配精度，否則很難實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換。我們采用集成塊DAC0832。DAC0832是一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器。單電源供電，從+5V+15V均可正常工作，基準(zhǔn)電壓范圍為10V，電流建立時(shí)間為1s，CMOS工藝，低功耗20mW。DAC0832轉(zhuǎn)

10、換器芯片為20引腳，雙列直插式封裝，能完成數(shù)字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉(zhuǎn)換。在DAC0832中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存信號(hào)為ILE，第二級(jí)鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào)（XFER），當(dāng)ILE為高電平，片選信號(hào)（CS）和寫信號(hào)（WR1）為低電平時(shí)，輸入寄存器控制信號(hào)為1時(shí)，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當(dāng)（WR1）由低電平變高時(shí)，控制信號(hào)成為低電平，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中，此時(shí)輸入寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據(jù)的變化而變化。使用時(shí)，數(shù)據(jù)輸入可以采用兩級(jí)鎖存(雙鎖存)形式，或單級(jí)鎖存(一級(jí)鎖存，一級(jí)直通)形式，或直接輸入(兩級(jí)直通)形

11、式。3個(gè)門電路組成寄存器輸出控制邏輯電路，該邏輯電路的功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存控制。DAC0832的引腳功能說(shuō)明如下：ILE：輸入寄存器允許，高電平有效。D0D7：數(shù)字信號(hào)輸入端。CS：片選信號(hào)，低電平有效。WR1：寫信號(hào)1，低電平有效。XFER：傳送控制信號(hào)，低電平有效。WR2：寫信號(hào)2，低電平有效。Iout1,Iout2：DAC電流輸出端。Rfb:反饋電阻，是集成在片內(nèi)的外接運(yùn)放的反饋電阻。Vref:基準(zhǔn)電壓（-10+10）V。Vcc:電源電壓(+5+15)V。AGND:模擬地。NGND:數(shù)字地。 LM324比較器LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如下圖所示。它的內(nèi)部

12、包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖(a)所示的符號(hào)來(lái)表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。當(dāng)去掉運(yùn)放的反饋電阻時(shí),或者說(shuō)反饋電阻趨于無(wú)窮大時(shí),即開(kāi)環(huán)狀態(tài),理論上運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為無(wú)窮大，此時(shí)運(yùn)放形成一個(gè)電壓比較器，其輸出如不是高電平（V+），就是低電平（V-或接地）。當(dāng)正輸入端電壓高于負(fù)輸入端電壓時(shí)，運(yùn)放輸出低

13、電平4 原理總圖5 元器件清單元件名稱 元件數(shù)量 10K電阻 2 1K電阻 1 1K電位器 1 33K電阻 9 發(fā)光二極管 8 C473電容 1 47u電容 1 集成塊LM324 1 集成塊555 2 集成塊74LS161 2 集成塊74LS00 1 8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832 1 20針插座 1 16針插座 2 14針插座 2 8針插座 2 通用板 1 焊錫絲 若干 導(dǎo)線 若干 6 調(diào)試過(guò)程及測(cè)試數(shù)據(jù)（或者仿真結(jié)果）模擬電壓產(chǎn)生電路的調(diào)試連接好電路，用數(shù)字電壓表測(cè)量電位器中間輸出電壓是否在02.5V內(nèi)在02.5V內(nèi)，則模擬電壓產(chǎn)生電路正常。 輸出電路的調(diào)試將Q7Q0接邏輯電平輸入，當(dāng)邏輯

14、電平為1時(shí)，發(fā)光二極管亮，則輸出電路正常。 信號(hào)發(fā)生器的調(diào)試先卸下除555芯片的其他芯片,在8端口接+5V電壓,1端口接地,3端口接上示波器,調(diào)節(jié)示波器,觀察波形,是否為方波, 其頻率是f=1/(Tph+Tpl)。如果不是,檢查電阻,電容,線路,以及555元件。如果失真，檢查接觸是否良好,是否有虛焊等。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)輸出的波形不為方波，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有一根導(dǎo)線不導(dǎo)電，導(dǎo)線的內(nèi)部中間端了，更換導(dǎo)線后，測(cè)得輸出波形為方波，頻率f=1.471KHZ。 555信號(hào)清零的調(diào)試先卸下除555芯片的其他芯片,在8端口接+5V電壓,1端口接地,3端口接上示波器,調(diào)節(jié)示波器,觀察波形,是否為矩形波。 如果不是,檢查電

15、阻,電容,線路,以及555元件。如果失真，檢查接觸是否良好,是否有虛焊等。74LS00的調(diào)試 將9、10兩端分別接電平輸入，將8端接電平顯示。測(cè)試是否符合當(dāng)9端為低電平，10 端為低電平時(shí)，輸出為低電平；9端為低電平，10端為高電平時(shí)，輸出為低電平；9端為高電平，10端為低電平時(shí)，輸出為低電平；當(dāng)9、10兩端均為高電平時(shí)，輸出為高電平。 74LS161的調(diào)試先卸下除74LS161芯片的其他芯片, 芯片Vcc接+5V電壓，GND端接地，兩個(gè)計(jì)數(shù)器的ET,RD,LD,EP端接高電平, CP端接上單次脈沖,八個(gè)輸出端分別按順序接在八個(gè)電平顯示上,按單次脈沖按鈕,觀察8位電平顯示的輸出是否為逐個(gè)增大的

16、二進(jìn)制數(shù),達(dá)到同步加計(jì)數(shù)器的功能。 DAC0832的調(diào)試 先卸下除DAC0832芯片的其他芯片，芯片Vcc接+5V電壓，VREF接-5V電壓，WR1、WR2、XFER、CS、Iout2、AGND、GND端接地，八個(gè)輸入端接電平輸入，用萬(wàn)用表測(cè)量觀察輸出端的電壓變化情況，黑表筆接地，紅表筆接Rfb,依次打開(kāi)邏輯開(kāi)關(guān)，看萬(wàn)用表示數(shù)是不是逐漸增大，如電壓隨輸入電平二進(jìn)制數(shù)的增大而增大，則DAC0832芯片調(diào)試成功。 LM324的調(diào)試將LM324與已調(diào)好的DAC0832相連，DAC0832的Vcc接+5V電壓，VREF接-5V電壓，WR1、WR2、XFER、CS、Iout2、AGND、GND端接地，八

17、個(gè)輸入端接電平輸入，用萬(wàn)用表測(cè)LM324輸出端14端的電壓，如隨電平二進(jìn)制數(shù)增大而增大，則LM324調(diào)試成功。 6電路測(cè)試及測(cè)試結(jié)果先檢查線路是否短路，斷路，是否有虛焊。按原理圖，接上所有元器件，接通電源。勻速調(diào)節(jié)電位器，從而改變輸出電壓。觀察發(fā)光二極管是否隨其緩慢改變。記錄顯示數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。6.1數(shù)據(jù)記錄輸入電壓/V 輸出電壓（二進(jìn)制） 輸出電壓（十進(jìn)制）/V 誤差計(jì)算0.16 00000110 0.117 73.12%1.00 00110011 0.8945 89.0%1.03 00110101 0.9335 90.3%1.15 00111011 1.0505 91.3%1.38 010

18、00111 1.0845 78.3%1.66 01010101 1.1575 69.72%2.24 01110101 2.0815 82.9%2.46 01111101 2.2375 91.1% 表626.2 結(jié)果分析從表62可以看出我所測(cè)的結(jié)果與理論值相差還是挺大的，幾乎都超過(guò)了誤差范圍，有的甚至低到69.7%，由此可見(jiàn)，我的板子在焊接或元器件參數(shù)選擇上還并不十分合理，還有很多的地方需要改進(jìn)。7 小結(jié)單從結(jié)果上來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)的其實(shí)并不十分理想，在前期設(shè)計(jì)電路時(shí)，由于把電阻電容的參數(shù)選錯(cuò)，使得555芯片產(chǎn)生脈沖頻率太高，使得結(jié)果在模擬調(diào)試時(shí)很難看出結(jié)果，后來(lái)在老師指正情況下才得以更正，使得調(diào)試取得成功。調(diào)試完之后的焊接就顯得比較簡(jiǎn)單，由于當(dāng)時(shí)焊接技術(shù)的問(wèn)題，使得板子在后來(lái)焊接上就顯得不夠美觀，在調(diào)試與檢測(cè)時(shí)，麻煩也隨之而來(lái)，比如發(fā)光二極管亂跳，時(shí)好時(shí)滅，數(shù)據(jù)顯示不正確等問(wèn)題。后來(lái)用萬(wàn)用表，示波器等逐一排查才將錯(cuò)誤全部改正過(guò)來(lái)。8 設(shè)計(jì)體會(huì)及今后的改進(jìn)意見(jiàn)通過(guò)本次的課程設(shè)計(jì)，我更深層次的學(xué)習(xí)到了計(jì)數(shù)式8位A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和調(diào)試方法。本次課程設(shè)計(jì)，是我入大學(xué)以來(lái)做的第一件在專業(yè)方面的實(shí)物，由于之前對(duì)數(shù)電模塊的遺忘以及學(xué)的不夠牢靠，使得課設(shè)過(guò)程，從查資料到焊接以及調(diào)試，都