1、1Multisim2001 电子电路设计ADC在当今电子设计领域，EDA 设计和仿真是一个十分重要的设计环节。在众多的 EDA 设计和仿真软件中，Multisim2001 以其强大的仿真设计应用功能，在各高校电信类专业电子电路的仿真和设计中得到了较广泛的应用。Multisim2001 及其相关库包的应用对提高学生的仿真设计能力，更新设计理念有较大的好处。Multisim2001 的前身 EWB（电子实验平台）软件，最突出的特点是用户界面友好，各类器件和集成芯片丰富，尤其是其直观的虚拟仪表是 Multisim2001 的一大特色。Multisim 所包含的虚拟仪表有：示波器，万用表，函数发生器，
2、波特图图示仪，失真度分析仪，频谱分析仪，逻辑分析仪，网络分析仪等。而通常一个普通实验室是无法完全提供这些设备的。这些仪器的使用使仿真分析的操作更符合平时实验的习惯。本次毕业设计主要是应用软件 Multisim2001 来举例，验证 ADC电路。1 ADC电路简介2因为模拟信号在时间上是连续的,所以,在将模拟信号转换成数字信号时，必须在选定的一系列时间点上对输入的模拟信号进行采样，然后将这些采样值转换成数字量输出。通常 A/D 转换的过程包括采样、保持和量化、编码两大步骤。 采样：是指周期地获取模拟信号的瞬时值，从而得到一系列时间上离散的脉冲采样值。保持：是指在两次采样之间将前一次采样值保存下来
3、，使其在量化编码期间不发生变化。采样保持电路一般由采样模拟开关、保持电容和运算放大器等几个部分组成。 经采样保持得到的信号值依然是模拟量，而不是数字量。任何一个数字量的大小，都是以某个最小数字量单位的整数倍来表示的。量化：将采样保持电路输出的模拟电压转化为最小数字量单位整数倍的转化过程称为量化。所取的最小数量单位叫做量化单位，其大小等于数字量的最低有效位所代表的模拟电压大小，记作ULSB。编码：把量化的结果用代码(如二进制数码、BCD 码等)表示出来，称为编码。A/D 转换过程中的量化和编码是由 A/D 转换器实现的1.1 A/D转换器的类型 3A/D 转换器的类型很多，根据转换方法的不同，最
4、常用的 A/D转换器有如下几种类型。（1）并行比较型 A/D 转换器 并行比较型 A/D 转换器由电阻分压器、电压比较器、数码寄存器及编码器 4 个部分组成。这种 A/D 转换器最大的优点是转换速度快，其转换时间只受电路传输延迟时间的限制，最快能达到低于20ns。缺点是随着输出二进制位数的增加，器件数目按几何级数增加。一个 n 位的转换器，需要 2n-1 个比较器。例如，n=8 时，需要28-1=255 个比较器。因此，制造高分辨率的集成并行 A/D 转换器受到一定限制。显然，这种类型的 A/D 转换器适用于要求转换速度高、但分辨率较低的场合。（2）逐次比较型 A/D 转换器 逐次比较型 A/
5、D 转换器是集成 ADC 芯片中使用最广泛的一种类型。它由电压比较器、逻辑控制器、D/A 转换器及数码寄存器组成。逐次比较型 A/D 转换器的特点是转换速度较快，且输出代 码的位数多，精度高。（3）双积分型 A/D 转换器 双积分型 A/D 转换器是一种间接 A/D 转换器。其工作原理是把输入的模拟电压转换成一个与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲进行计数，其结果就 是正比于输入模拟信号的数字量输出。它由积分器、检零比较器、时钟控制门4和计数器等几部分组成。双积分型 A/D 转换器的优点是精度高、抗干扰能力强，缺点是速度较慢。在对速度要求不高的数字化仪表中得到广泛
6、使用。 1.2 A/D转换器的主要技术参数 （1）分辨率： 分辨率是指输出数字量变化一个最小单位(最低位的变化)，对应输入模拟量需要变化的量。 输出位数越多，分辨率越高。通常以输出二进制码的位数表示分辨率。（2）相对精度： 相对精度是指实际转换值偏离理想特性的误差。通常以数字量最低位所代表模拟输入值来衡量，如相对精度不超过1/2LSB 。（3）转换时间 ： 转换时间是指 A/D 转换器从接到转换命令起到输出稳定的数字量为止所需要的时间。它反映 A/D 转换器的转换速度。此外，还有输入电压范围、功率损耗等。1.3 集成 A/D转换器典型芯片-ADC0809 常用的集成 A/D 转换器有 8 位、
7、10 位、12 位、16 位等，每种又可分为不同的型号。下面以 ADC0809 为例介绍集成 A/D 转换器的内部结构与外部特性。（1）主要性能 5分辨率：8 位； 转换时间：100s； 相对精度：1LSB； 采用单电源供电、电源电压为+5V、功耗为 15mW。（2）ADC0809 的内部结构和引脚功能 ADC0809 是较流行的中速廉价型单通道八位全 MOS A/D 转换器，它内部含时钟电路，只要外接一个电阻和一个电容就可由自身提供时钟信号，允许模拟输入信号是差动的或不共地的电压信号。ADC0809 的工作过程如下：先送出控制信号使 CS、WR 为低电平，从而启动 A/D 转换器；当 A/D
8、 转换器转换结束时有一低电平信号从A/D 转换器的 INTR 端口输出；与之相连的系统得到这一信号后便可送出控制信号（读信号）使 CS、RD 为低电平，这时，转换后的数据便出现在 DB7DB 0端口上供系统读取。ADC0809 是用 CMOS 工艺制成的逐次比较型 A/D 转换器，采用 28引脚双列直插式封装。(A)内部结构图和管脚排列图该芯片的内部机构图和管脚排列图分别如图(a)和(b)所示。(B)主要组成及功能该芯片 内部由 8 位 模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、电阻网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器、控制与时序电路、三态输出锁存器等组成。虚线框中为芯片核心部分。各部分功能大致如下。
9、6地址锁存与译码器控制 8 位模拟开关，实现对 8 路模拟信号的选择。8 个模拟输入端能接收 8 路模拟信号，但相对某一时刻只能选择其中的一路进行转换。树状开关与 256R 电阻网络一起构成 D/A转换电路，产生与逐次逼近寄存器中二进制数字量对应的反馈模拟电压，送至比较器，与输入模拟电压进行比较。比较器的输出结果和控制与时序电路的输出一起控制逐次逼近寄存器中的数据从高位至低位变化，依次确定各位的值，直至最低位被确定为止。在转换完成后，转换结果送到三态输出缓冲器。当输出允许信号 OE 有效时，选通输出缓冲器，输出转换结果。(C)引脚功能 ADC0809 共有 28 个引脚，各引脚功能如下：IN0
10、IN7：8 路模拟电压输入端。A，B，C：模拟输入通道的地址选择线。当 CBA=000 时，选中7IN0；CBA=001 时，选中 IN1依此类推，当 CBA=111 时，选中IN7。ALE：地址锁存允许信号输入端。该端接高电平时有效，仅当该信号有效时，才能将地址信号锁存，经译码后选中一个通道。START：启动转换脉冲输入端。该端所加信号的上升沿将所有内部寄存器清 0，下降沿开始进行模数转换。CLK：时钟脉冲输入端。D7D 0：数据输出端，D 7为高位。OE：输出允许端，高电平有效。该端为高电平时，打开三态输出缓冲器，输出转换结果。UREF(+)和 UREF(-)：参考电压正端和负端。应用说明
11、： ADC0809 可直接与微机系统相连接。图 C如图 C 所示的 ADC0809 的应用电路，它主要用于外部模拟电压的采集。ADC0809 为八位 8 路 A/D 转换芯片。由 W78E51 的P2.0、P2.1 控制 ADC0809 的选通。模拟量的输入电压标称值为805V，而通信电源一般采用交流 220V 或直流24V 和48V。交流 220V 可通过整流、稳压后得到标准的 5V 电压；直流24V、48V 电压的采样可通过极性转换，将负电压转换为正电压后再分压得到；单片机的空余 I/O 口作为设备告警信号输入端，在程序中可灵活设置报警阈值。一旦电源电压过低或过高，W78E51便将 ADC
12、0809 采样的电压值通过拨号器发送到值班人员的 BP 机，从而达到无人值守的目的。具体程序略。ADC0809 的工作过程如下：先送出控制信号使 CS、WR 为低电平，从而启动 A/D 转换器；当 A/D 转换器转换结束时有一低电平信号从A/D 转换器的 INTR 端口输出；与之相连的系统得到这一信号后便可送出控制信号（读信号）使 CS、RD 为低电平，这时，转换后的数据便出现在 DB7DB 0端口上供系统读取。2 Multisim2001的应用简介Multisim2001 作为大学课程中常见的电子设计应用软件，是每个电子类的学生必然接触到的。Multisim2001（前身 EWB）最突出的特
13、点是用户界面友好，尤其是其直观的虚拟仪表是 Multisim2001 的一大特色。Multisim 所包含的虚拟仪表有：示波器，万用表，函数发生器，波特图图示仪，失真度分析仪，频谱分析仪，逻辑分析仪，网络分析仪等。而通常一个普通实验室是无法完全提供这些设备的。这些仪器的使用使仿真分析的操作更符合平时实验的习惯。92.1 Multisim2001软件的介绍Multisim2001 是 IIT 公司于 2001 年推出的最新版 EDA 软件，该软件以前的版本就是著名的 EWB 软件。Multisim2001 分为多个版本，有 Student（学生版） 、Personal （个人版） 、Educat
14、ion（教育版） 、Professional（专业版）和 Power Professional（增强专业版） ，本书介绍的 Multisim2001 是其功能最强大的增强专业版。Multisim2001 是一个功能强大的 EDA 系统，提供了一个非常大的元件数据库，并且可以在线更新，同时拥有 VHDL 和 Verilog 设计接口与仿真功能、FPGA 和 CPLD 综合、 RF 设计能力和后处理功能，还可以导出制作 PCB 版的设计数据，实现与 PCB 制作软件的无缝数据传输。2.2 Multisim2001软件的功能特点（1） 集成环境，简洁易用在 Multisim2001 中，只有一个程序
15、界面，但在该界面中，集成了从电路创建、修改到仿真及数据后处理的 EDA 设计的主要流程，不仅有利于对该软件的学习，也大大方便了设计人员的操作，极大地提高了工作效率。（2） 虚拟实验仪器丰富作为一个功能强大、仪器齐全的虚拟电子实验平台，Multisim2001 为设计人员不仅提供了常用的仪器，如万用表、示波器等，还提供了许多单位无条件具备的网络分析仪、频谱分析仪等10仪器。这些虚拟仪器，功能与现实仪器相同，而且其操作面板也与现实仪器神似，这些虚拟仪器的使用，方便了设计人员的设计工作，也大大提升了该软件的功能。（3） 分析功能多样Multisim2001 为设计人员提供了多种仿真分析方法，有直流工
16、作点分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声和失真分析等 19 种之多。这些分析功能基本满足了电子电路的分析设计要求，尤其是其极具特色的 RF 电路分析功能，是一般 EDA 软件所不具备的。（4）输入输出接口具有广泛的兼容性Multisim2001 可以打开具有 Spice 内核的其他 EDA 软件生成的网表文件，可以打开 EWB4.0、EWB5.0 环境下生成的电路文件，也可以把 Multisim2001 环境下创建的电路原理图文件导出为.NET 或.PLC 文件，供 Protel 、Ultiboard 等 PCB 软件进行印刷电路板设计，或者将当前电路文件导出为网表文件，供其他 EDA 软件共享设
17、计成果。更具特色的是 Multisim2001 可以将仿真分析结果导出为 Excel文件（如结果波形各点的坐标数据） ，方便了设计人员对结果数据的分析。（5） 可自定义设计环境Multisim2001 提供了极具人性化的设计工具，允许设计人员自定义设计环境，利用 Options|Preferences菜单项，可以根据设计需要，灵活设定元器件采用的符号标准、电路图的显示属性、工作区的显示属性及其大小、说明文字的格式、导线线型等设计要素。11除了上述的特点外，Multisim2001 还支持 VHDL 和 Verilog 语言的电路仿真与设计。Multisim2001 主窗口3 基于 Multis
18、im2001的 ADC电路的设计仿真3.1 设计仿真的基本原理ADC（又称 A/D）是将模拟信号转换成数字信号的电路。描述它的主要技术指标有：分辨率与量化误差、转换速度、温度系数、电源抑制。集成的 A/D 转换电路很多，其中 ADC0809 是一种常用逐次逼近型的 A/D 集成电路。实现信号的模数转换需经过采样、保持、量化、编码四个过程，采样就是将时间上连续变化的模拟信号定时加以检测，取出某一时刻的值，得到时间上断续的信号。为了得到一个稳定的值，要求将12采样后所得到的模拟信号保持一段时间，直到下一个脉冲信号的到来，经保持后获得的不再是一串脉冲，而是一个阶梯脉冲信号。量化就是将采样保持后获得时
19、间上的饿离散、幅度上连续变化的模拟信号取整变为离散量的过程。量化后的信号数值用二进制代码表示，即为编码。3.2 仿真设计电路（1）该电路采用总线方式进行连接。（2）V2 为 ADC 电路的时钟信号，控制转换速度。V1 为 ADC 电路参考电压，其值应该与输入模拟信号的振幅大约相等。利用函数信号发生器产生各种类型的输入模拟信号。U1 和 U2 属于本身带译码的数码显示器。（3）该电路最好示意性地放置 VDD和数字地。（4）具体其他涉及到软件布线的过程描述（略） 13图 23.3 设计仿真步骤（1）连接电路。 （如图 2）（2）函数信号发生器进行调试。（3）观察数码管显示输出与利用示波器看到的输入
20、模拟信号之间的关系，发现数码管显示输出与输入模拟信号的大小成正比。（4）调整函数信号发生器的输出信号类型（正玄信号、三角信号、方波信号） ，观察数码管显示输出的速度。（5）调整 V2 信号的频率，观察数码管显示输出的速度。（6）调整函数信号发生器输入信号的频率、幅度、偏移量、占空比等，观察数码管显示输出与利用示波器看到的输入模拟信号之间的关系。仿真结果如图 3、图 4、图 5、图 6。14图 3图 415图 5图 63.4 仿真设计结果分析16通过分析具体验证了 ADC 芯片的过做过程，具体各项参数也达到了电路应用设计的预期要求。4 ADC0809硬件应用实验调试通过分析具体验证了 ADC 芯
21、片的过做过程，具体各项参数也达到了电路应用设计的预期要求。主要是利用实验板上的 ADC0809 做A/D 转换器，利用实验板上的电位器 W1 提供模拟量输入。编制程序，将模拟量转换成二进制数字量，用发光二极管显示。ADC0809 是八位逐次逼近法 A/D 转换器，每采集一次一般需 100us。中断方式下，A/D 转换结束后会自动产生 EOC 信号，经一级 74LS14 反向后与 8031的 INT0 相接。CS0809 接 8000H。 模块电位器 V-OUT 点(即中心抽头) 接至ADC0809 的 IN0（通道 0） 。EOC 连 P3.2（INT0） 。将单片机的P1.0P1.7 接至八
22、位发光二极管 L1 - L8。 （见上图）17本示例程序采取了中断处理来正确读取 A/D 转换的结果。用户也可以用延时来保证 A/D 转换完成。读取结果由 P1 口送至八位发光二极管显示。实验程序框图 实验调试程序 A_DPORT EQU 8000H ;0809 通道 0 地址ORG 0000HLJMP STARTORG 0003HLJMP INT_0ORG 0040HSTART:MOV SP,#60HMOV R7,#0FFH ;初始化SETB IT018SETB EASETB EX0 ;INT0 允许A_D: MOV DPTR,#A_DPORTMOVX DPTR,A ;启动 A_DCJNE
23、R7,#00H,$ ;等待 A_D 转换结束CPL AMOV P1,A ;数据输出MOV R7,#0FFH ;清读数标志SJMP A_DINT_0:MOVX A,DPTR ;读 A_D 数据MOV R7,#00H ;置读数标志RETIEND实验程序与硬件电路连接调试的结果符合实验和理论的要求。195 感谢感谢浙江万里学院电子信息学院为我提供了这次实践机会；感谢钱裕禄老师为我提供仿真实验条件和指导；同时感谢钱裕禄老师的意见和指导；再次感谢钱裕禄老师对仿真项目和论文的意见；感谢所有实验室老师给予的帮助，是你们使我成长，从幼稚到逐渐成熟。感谢寝室同学提供 ADC 相关的资料，虽然论文没有使用，但我也
24、学了不少；感谢电信系老师的帮助和关心。6 后记（1）由于毕业设计时间仓促以及个方面条件的限制，具体硬件电路的实现和调试没有能够正常的进行，觉得十分可惜。希望再有机会能过完成调试。20（2）通过这次实践，我接触到了许多软件，包括Protel99SE/DXP，Multisim2001，EWB5.0，Matlab6.5 等，学会了一些软件的使用和设计。在学习和实践的过程中我也结识了不少朋友, 有老师也有和我一样的学生，还有一些电子工程师。这对于我以后的工作和学习是很有帮助的，也为以后的工作积累了经验。6 参考文献电子技术仿真实验教程.朱力恒 .主编人民邮电出版社.1987电脑辅助电路设计multisim2001.韦思健 .中国铁道出版社.1995 EDA的具体实用讲解与例题.化工出版社.房建华.1993数字逻辑设计基础.罗朝阳.人民邮电出版社.1982Multisim2001电路设计及仿真.电子工业出版社.朱单.2002Multisim2001软件在现代生活中的具体应用.铁路文学出版社.康文翔.2002
