核電子課程設(shè)計AD轉(zhuǎn)換電路

1、核電子學與核儀器課程設(shè)計 A/D轉(zhuǎn)換電路 8 bit/4 us高速A/D轉(zhuǎn)換電路一、 設(shè)計任務(wù)和要求（一）設(shè)計目的及任務(wù)通過Protel2004的電路設(shè)計，對核電子學與核儀器所學內(nèi)容有更進一步的理解，加深印象，使所學知識得以鞏固和提高，全面掌握核電子學各模塊電路的設(shè)計，實現(xiàn)電路設(shè)計與PCB設(shè)計的技術(shù)環(huán)節(jié)，提高分析問題解決問題的能力；培養(yǎng)學生的動手能力和遵守紀律的高尚情操還有對待工作嚴肅認真、一絲不茍、實事求是、不畏艱辛的優(yōu)良作風，為今后從事技術(shù)工作奠定堅實的基礎(chǔ)。（二）設(shè)計要求1、掌握Protel2004的使用方法；2、掌握所畫電路的工作原理；3、掌握Protel2004電原理路圖的設(shè)計；4、

2、基本掌握使用Protel2004進行PCB設(shè)計。二、 原理圖選擇、工作原理及分析（一）原理圖的選擇我們組選的題目是某種A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計，經(jīng)過查書籍和資料，通過閱讀東南大學報1992年9月第22卷增刊，我們最終選擇了8 bit/4 us高速A/D轉(zhuǎn)換電路。對于快速過程的微機實時控制系統(tǒng)，時間資源通常較為緊張.為了有充分的時間去完成數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)檢測及各種控制功能，一般都希望模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換能在數(shù)微秒內(nèi)完成。為此，筆者采用逐次近似寄存器(SAR)MC 14549 B,廉價的高速D/A變換器DAC0800及高速電平比較器LM319等器件，研制了4 us 8位高速A/D轉(zhuǎn)換電路。實際使用表明，當

3、輸入時鐘(CLK)頻率為2 MHz時，該A/D轉(zhuǎn)換電路能在4us內(nèi)完成8位逐次比較變換，且工作可靠穩(wěn)定，價格便宜，易于和各種微機接口。（二）8 bit/4 us高速A/D轉(zhuǎn)換電路圖的工作原理圖1為該高速A/D轉(zhuǎn)換電路的原理框圖。圖1 高速A/D轉(zhuǎn)換電路圖圖中SAR為逐次近似寄存器，CMP為高速電平比較器，DAC為數(shù)模變換器，為輸入模擬電壓。加人A/D啟動信號（）后，在第一個CLK脈沖上升沿SAR輸出數(shù)字量10000000 B (Q7= 1 )，該數(shù)字信號加到DAC的數(shù)據(jù)輸入端，DAC即輸出與之相應的模擬電壓。CMP(其門限電平：,則在每個CLK周期內(nèi)完成一位的比較。顯然，經(jīng)過8個CLK周期(當

4、CLK頻率為2 MHz時，t=4 us)后，從送出的8位并行數(shù)字量即為轉(zhuǎn)入模擬電壓的A/D變換結(jié)果。當?shù)?個CLK脈沖下跳沿到來時SAR的EOC輸出電壓上跳為高電平。此跳變沿可用于外部同步鎖存或請求微機中斷來讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。SAR的So端為該高速A/D轉(zhuǎn)換電路的串行輸出端，可在CLK下跳脈沖下跳沿(第一個無效)同步之下輸出（MC14549B）的波形時序如圖2所示。圖2 SCR(MC14549B)波形時序（三）8 bit/4 us高速A/D轉(zhuǎn)換電路圖分析 圖3為該高速A/D轉(zhuǎn)換電路的原理圖。圖3 高速A/D轉(zhuǎn)換電路圖圖中，運放A1(LM 358)為模擬輸入信號前置放大級，接成同相放大器形式，以

5、提高A/D臉轉(zhuǎn)換電路的輸入阻抗，調(diào)節(jié)其增益可改變A/D轉(zhuǎn)換的量程。運放A2與晶體管T1，組深度負反饋的低輸出阻抗電壓跟隨器，以減小信號源內(nèi)阻對A/D轉(zhuǎn)換線性度的影響。運放A3(LM 319)為高速電平比較器，其建立時間僅為60 ns。MC 1403為基準電壓源(v=2. 5 v)，提供DAC 0800所需的基準電流:由于DAC0800為電流輸出型器件，且恒有:式中，及分別為其同向端輸出電流及反向端輸出電流。因此其輸出電流滿度值為:當DAC的負載電阻時，其輸出電壓的滿度值（也即A/D電路輸入電壓的滿度值）應為最低位（LSB）對應的輸出電壓則為:圖4為該高速A/D轉(zhuǎn)換電路中DAC0800、LM31

6、9及其輸入電路的簡化等效電路。圖4 高速A/D轉(zhuǎn)換簡化等效電路圖圖中,K為運放的電壓放大倍數(shù)（本文中K=2）。為晶體管的輸入阻抗。由此可求得LM319同相電壓：上式右邊第二項為逐次比較過程中DAC的輸出電壓。為了保證該A/D電路具有LSB的分辨率，必須適當調(diào)節(jié)電位器,使得LM319反相電壓在圖3的電路中,(74LS06)為“OC”輸出高壓反相緩沖器，起電平轉(zhuǎn)換作用。比較器LM 319亦為“OC”輸出，為其上拉電阻，采用士12V電源時，其輸出電壓為012V,故可直接與SAR的輸入端D相聯(lián)。用于該A/D電路的零點調(diào)整，提供DAC輸出零電平時所需的微小吸收電流。七五期間，筆者曾一批制作了5塊高速A/

7、D電路板，每塊板上設(shè)有獨立的2路高速A/D電路，成功地解決了在1 ms內(nèi)進行10次A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、主從微機串行通訊和狀態(tài)檢測控制等時間資源緊張的間題。實際試驗結(jié)果表明，電平比較器LM 319門限電平的調(diào)整及電路板布線的合理與否，對A/D轉(zhuǎn)換精度有舉足輕重的影響。三、Protel2004的介紹（一）Protel2004的認識隨著科學技術(shù)的發(fā)展、電子產(chǎn)品集成化和復雜化的不斷提高，電子線路的設(shè)計愈加復雜。為了使產(chǎn)品設(shè)計人員能高效率地進行產(chǎn)品設(shè)計，在計算機技術(shù)飛速發(fā)展的強勁推動下，電子設(shè)計自動化（EDA）技術(shù)脫穎而出。與此同時，許多用于電子產(chǎn)品輔助設(shè)計的計算機應用軟件也應運而生。這些軟件的出現(xiàn)和

8、廣泛應用，極大地提高了電子線路的設(shè)計質(zhì)量和效率。在當今流行的各種電子線路計算機輔助設(shè)計軟件中，Altium公司的產(chǎn)品不論在功能上還是在使用的簡捷性、方便性等方面都堪稱為佼佼者。在早期版本的基礎(chǔ)上，Protel2004在軟件的許多方面作出了較大的改進，成為了一套完整的板卡級設(shè)計系統(tǒng)，真正實現(xiàn)在單個應用程序中的集成。用戶可以選擇最適當?shù)脑O(shè)計途徑，并按指定的方式進行電路的設(shè)計工作。通過改進和提高，Protel2004內(nèi)嵌的電路原理圖和PCB編輯器的功能更加強大，設(shè)計檢測工具更加完善和有效，內(nèi)部集成的元件庫和其編輯功能給設(shè)計工作提供了更有力的支持，新的文件管理模式使設(shè)計工作的管理更加簡單和方便?？傊?，

9、在從電路設(shè)計到電路仿真的每一個應用細節(jié)上都體現(xiàn)了它的獨特之處。Protel2004以其高度的集成性和良好的擴展屬性已經(jīng)成為當今Windows環(huán)境下有影響力的EDA開發(fā)工具之一，逐步成為廣大電路設(shè)計工作者首選的計算機輔助電子線路設(shè)計軟件。（二）Protel2004的應用舉例Protel2004作為一套電路輔助設(shè)計軟件，包含了眾多的應用程序。從功能上來細分基本上可以劃分為五大部分，它們分別是：電路原理圖繪制部分、PCB圖設(shè)計部分、電路自動布線部分、可編程邏輯設(shè)計部分和電路仿真部分。使用Protel2004提供的上述功能，電路設(shè)計者可以從電路的原理圖開始設(shè)計，最終得到所需要的PCB圖，同時可以對得到

10、的PCB圖進行三維效果圖顯現(xiàn)。三、 設(shè)計步驟以及設(shè)計成果1、課程設(shè)計簡單流程圖2、電原理圖設(shè)計電路原理圖的設(shè)計是整個電路設(shè)計的基礎(chǔ)，因此電路原理圖要設(shè)計好，以免影響后面的設(shè)計工作。電路原理圖的設(shè)計一般包括如下步驟：（1）設(shè)置原理圖設(shè)計環(huán)境；（2）放置元件；（3）原理圖布線；（4）編輯和調(diào)整；（5）檢查原理圖；（6）生成網(wǎng)絡(luò)表。通過以上步驟，得到的8 bit/4 us高速A/D轉(zhuǎn)換電路電路圖如圖1。圖6 8 bit/4 us高速A/D轉(zhuǎn)換電路按照電路原理圖設(shè)計步驟，如果將最終生成的網(wǎng)絡(luò)表導入到PCB板，將有利于PCB的設(shè)計，則生成網(wǎng)絡(luò)表如圖2。圖7 元器件網(wǎng)絡(luò)表3、PCB設(shè)計PCB板設(shè)計是從電路

11、原理圖變成一個具體產(chǎn)品的必經(jīng)之路。因此，PCB板的設(shè)計是電路設(shè)計中關(guān)鍵的一部分。通常，PCB板設(shè)計的步驟如下：（1）規(guī)劃電路板；（2）設(shè)置參數(shù)；（3）裝入網(wǎng)絡(luò)表；（4）元器件的布局；（5）自動布線；（6）手動布線。但在實際操作過程中裝入元器件封裝和網(wǎng)絡(luò)表對PCB設(shè)計的是十分必要的。PCB設(shè)計的第一步是要從電流靈敏前置放大器電路原理圖文件中導入設(shè)計數(shù)據(jù)，即將原理圖文件中的有關(guān)信息引入到PCB文件中，以便指導系統(tǒng)進行PCB板的設(shè)計。數(shù)據(jù)的具體步驟如下：（1）在原理圖編輯器中，選擇菜單命令【Design】/【Update PCB 電流靈敏前置放大器.PcbDoc】，系統(tǒng)將自動彈出如圖3所示的元器件狀

12、態(tài)對話框。圖8 狀態(tài)對話框（2）在對話框中單擊【使變化生效】按鈕，觀察狀態(tài)欄中【檢查】符號的變化，如果所有的操作都有效，【檢查】狀態(tài)欄顯示，說明網(wǎng)絡(luò)表中沒有錯誤。對于出錯的操作，【檢查】狀態(tài)欄顯示，說明對應的操作出現(xiàn)問題，如圖4所示。圖9 檢查狀態(tài)欄（3）檢查沒有錯誤后，并確保已經(jīng)調(diào)入了所有需要用到的封裝庫，單擊【執(zhí)行變化】，執(zhí)行導入操作。對于成功的操作，會在狀態(tài)欄【完成】下顯示，如圖5。圖10 檢查結(jié)果（4）最后單擊【關(guān)閉】按鈕，關(guān)閉對話框，所有的元器件將出現(xiàn)在PCB文件中，方便封裝元器件的調(diào)用，如圖6所示。圖11 8 bit/4 us高速A/D轉(zhuǎn)換電路自動生成的封裝元件然后放置元器件，布線，再進行調(diào)整和檢查后進行布線，最終得到如圖7所示的PCB板。圖12 8 bit/4 us高速A/D轉(zhuǎn)換電路的PCB板單擊【查看】中的【顯示三維PCB板】即可看到如下圖8、9和10所示的3D圖形。圖13 8 bit/4 us高速A/D轉(zhuǎn)換電路的PCB板3D正面圖圖14 8 bit/4 us高速A/D轉(zhuǎn)換電路的PCB板3D背面圖圖15 8 bit/4 us高速A/D轉(zhuǎn)換電路的PCB板3D側(cè)面圖五、設(shè)計的心得體會通過此次設(shè)計性實驗，我學到了很多東西。首先，我對