1、电子信息工程专业基础课程设计研究报告AD 转换器设计学生姓名：王 欢学生学号：20094075XXX 指导教师：赵肖宇 所在学院：信息技术学院 专业班级：电子信息工程 1班 中 国 大 庆2012 年 12 月目录1 设计任务要求 12 方案设计与比较 12.1 总体设计框图 .12.2 各框图的功能和可选电路及特点 .13 单元电路设计 23.1 模拟电压产生电路 .23.2 输出电路 .23.3 555 信号发生器 .33.4 555 信号清零 .43.5 74LS00 .43.6 计数器电路 .53.7 DA 转换器 DAC083253.8 LM324 比较器 .74 元件选择 75 整
2、体电路 86 电路工作原理 97 困难问题及解决措施 98 总结与体会 99 致谢 1010 参考文献 1101 设计任务要求 电源 5V； 输出数字量 8位； 误差 1LSB； 带转换开始控制； 输入直流电压 0-2.5V； 主要单元电路和元器件参数选择； 用绘图软件画出总体电路图； 应用仿真软件仿真；2 方案设计与比较2.1 总体设计框图 上图为 8位为计数式 8位 A/D转换器的总体设计框图。该八位 AD转换器由以下几部分组成：1）模拟电压产生电路 2）电压比较电路 3） DA 转换电路 4）脉冲产生电路 5）控制电路 6）计数电路 7）输出电路2.2 各框图的功能和可选电路及特点1）模
3、拟电压产生电路：在电位器上产生 02.5V 的待转换电压。2）电压比较电路：比较两个电压值进行判断并输出高电平或低电平，待转换电压 Vx进入比较器正端，而经 DA转换器转换出的模拟电压量 Vy则进入比较器负端与 Vx比较。若Vx Vy，则比较器输出为高电平，反之为低电平。13）DA 转换电路：将数字量转化为模拟量，可以选用 DAC0832，输出为电流量，需转化成模拟电压量才可以与待转换电压 Vx比较。4）脉冲产生电路：产生一个频率较高的方波信号 CP，可选用 555构成的多谐振荡器。5）控制电路：可选电路为 74LS00，控制计数电路的计数功能，由比较器的输出结果和脉冲信号 CP共同决定, 5
4、55 构成的多谐振荡器输出上升沿时,加计数器开始计数。6）计数电路：进行加记数，输出的数字量进入 DA转换电路变为模拟电流量,为了完成八位计数,可使用两个 74LS161。7）输出电路：输出八位分别为 Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0,可以用发光二极管显示。3 单元电路设计3.1 模拟电压产生电路将 1K电阻与 1K电位器相连，电阻一段接+5V 电压，电位器一端接地，电位器中间接输出，则可以得到输出电压在 02.5V。3.2 输出电路 将 Q7Q0 分别接 330 的电阻和发光二极管，构成 D7D0 的输出电路。23.3 555 信号发生器555定时器它是一种时基电路，它是一种应
5、用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。由于 555内部的比较器灵敏度较高,而且采用差分电路方式,他的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。 由 555定时器和外接元件 RA，RB，C 构成多谐振荡器，脚 2与脚 6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路也不需要外加触发信号，利用电源通过 R1，R2 向电容 C充电，充电到两端电压为 2/3的 Vcc时，触发器复位，Vo 为低电平，电容 C473通过 RB向放电端 7端放电，当两端电压下降到 1/3的 Vcc时，触发器又被复位
6、，Vo 翻转为高电平。电容 C在（1/3）Vcc 和（2/3）Vcc 之间充电和放电，从而使信号发生器产生方波信号。3充电时间为 0.7（R1+R2）C=0.7（1010 3+10103）4700010 -12=6.5810-4s，放电时间为 0.7R2C=0.7101034700010-12=3.2910-4s，周期 T=6.5810-4+3.2910-4s=9.8710-4s3.4 555 信号清零数据显示时间为 0.7（R1+R2）C=0.7（3310 3+330）4710 -6=1.097s，放电时间为 0.7R2C=0.73304710-6=10.86ms，周期 T=1.1s。3.5
7、 74LS00输入方波信号，10 端接 LM324的输出端产生的方波，9 端接比较器输出的电压，8 端为输出的信号接入计数器电路。与逻辑真值表A B L=A&B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 43.6 计数器电路控制电路是由两个 74LS161计数器构成的,74LS161 正常工作时由 0000开始计数，现在外接了与非门，同步预置数计数过程从 0001开始。74LS161由四个 JK 触发器和一些控制门组成，其中 CP 是计数输入脉冲，上升沿有效；Q0Q3 是计数输出端，AD 是输入端。最高位是 Q3；CO 是进位信号输出端；D0D3 为预置数并行输入端；CTT 和 CTP是
8、工作状态控制端。74LS161 具有计数、预置、保持、清零等功能。3.7 DA 转换器 DAC0832D/A转换器的结构有很多种，分为电压定标、电荷定标、电流定标等。不同结构的 D/A转换器在性能上是有差异的。单纯采用一种定标方式，需要有很高的匹配精度，否则很难实现高精度转换。我们采用集成块 DAC0832。5DAC0832是一个 8位 D/A转换器。单电源供电，从+5V+15V 均可正常工作，基准电压范围为 10V，电流建立时间为 1s，CMOS 工艺，低功耗 20mW。DAC0832转换器芯片为 20引脚，双列直插式封装，能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。在 DAC0832中有两
9、级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为 ILE，第二级锁存器称为 DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号（XFER），当 ILE为高电平，片选信号（CS）和写信号（WR1）为低电平时，输入寄存器控制信号为 1时，输入寄存器的输出随输入而变化。此后，当（WR1）由低电平变高时，控制信号成为低电平，数据被锁存到输入寄存器中，此时输入寄存器的输出端不再随外部数据的变化而变化。使用时，数据输入可以采用两级锁存(双锁存)形式，或单级锁存(一级锁存，一级直通)形式，或直接输入(两级直通)形式。3 个门电路组成寄存器输出控制逻辑电路，该逻辑电路的功能是进行数据锁存控制。DAC0832
10、的引脚功能说明如下：ILE：输入寄存器允许，高电平有效。D0D7：数字信号输入端。CS：片选信号，低电平有效。WR1：写信号 1，低电平有效。XFER：传送控制信号，低电平有效。WR2：写信号 2，低电平有效。Iout1,Iout2：DAC 电流输出端。6Rfb:反馈电阻，是集成在片内的外接运放的反馈电阻。Vref:基准电压（-10+10）V。Vcc:电源电压(+5+15)V。AGND:模拟地。NGND:数字地。 3.8 LM324 比较器LM324是四运放集成电路，它采用 14脚双列直插塑料封装，外形如下图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组
11、运算放大器可用图(a)所示的符号来表示，它有 5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo的信号与该输入端的相位相同。当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时,即开环状态,理论上运放的开环放大倍数为无穷大，此时运放形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。4 元件选择元件名称 元件数量 10K电阻 2 1K电阻 1
12、 1K电位器 1 33K电阻 9 发光二极管 8 7C473电容 1 47u电容 1 集成块 LM324 1 集成块 555 2 集成块 74LS161 2 集成块 74LS00 1 8位 D/A转换器 DAC0832 1 20针插座 1 16针插座 2 14针插座 2 8针插座 2 通用板 1 5 整体电路计数式八位 AD 转换器设计原理图86 电路工作原理计数式 8位 A/D转换器设计的思路是：先由 555定时器构成的多谐振荡器产生方波信号，输入由控制芯片 74LS00构成的与非门，再把 74LS00的输出信号输入到由两片 74161构成的计数器,74161 的输出信号经 DAC0832数
13、模转换器后,输出的信号经 LM324构成的比较器与待转换电压进行比较,最后结果由 Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0 输出。7 困难问题及解决措施在此次设计中我们遇到了不少的问题，但是经过我们的不懈努力，查找资料，最终都找到了解决的办法。1.如何选择高速模数转换之前的信号调理器件；如何解决多路模数转换的同步题目？ ADC之前的信号调理，最根本的原则就是信号调理引起的噪声和误差要在 ADC的 1个LSB之内。根据这个目的，可以需要选择指标合适的运放。至于多路 ADC同步的题目，一般在高速 ADC的数据手册中都会有一章来先容多片同步题目，你可以看一下里面的先容。 2.在挑选 ADC时如
14、何确定内部噪声这个参数? 一般 ADC都有信噪比 SNR或者信纳比 SINAD这个参数，SINAD=6.02*有效位数+1.76,您可以根据专业这个公式来确定您选择的 ADC能否符合您的要求. 3.如何对流水线结构 ADC进行校准？需要校准哪些参数？ 一般来讲，ADC 的 offset和 gain error会比较轻易校准。只要外接 0V和 full scale进行采样，然后得到校准系数。另外，假如需要作温度补偿的话，一般需要加一个温度传感器，然后利用查表的方式来补偿。 4.对 ADC和 DAC四周的布线有哪些建议？ ADC和 DAC属于模拟数字混合型器件，在布局布线时最重要的是要留意地分割，
15、即模拟地和数字地的处理题目。对于高采样率的器件，建议使用一块地。而低采样率的器件，建议模拟数字地分开，最后在芯片下方连接在一起。8 总结与体会此次课程设计虽然只有短短三周，但是，在这三周我学到的东西比一年的收获还要大。通过此次 AD转化器的设计，我们掌握了计数式8位 A/D转换器的设计原理，了解了555定时9器、74LS00、74161、DAC0832及 LM324等元器件的使用。使我更加扎实的掌握了有关数字电子技术、单片机方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。通过这次课程设计，加强
16、了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和 pcb连接图，和芯片上的选择。我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。在制作 pcb时，发现细心耐心，恒心一定要有才能做好事情，首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话。在画好原理图后的做 pcb版时，由于项目组成员对单面板的不熟悉，导致布线后元件出现在另一边，
17、增加了布线难度，也产生很多不曾注意的问题，今后要牢记这个教训，使以后布线更加顺利。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个课程设计对我们的作用是非常大的。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题
18、，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆!9 致谢这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了各种各样的困难，在老师的辛勤指导10下，在同学们的帮助下，终于得以解决。没有他们的
19、帮助，我是难以完成这次设计。因此，在这里，我要首先感谢信息院电子系给了我这次独立动手的机会，使我不断的完善自己；再次，我要感谢我的指导老师，是她在百忙之中抽出时间指导我完成这次设计；最后，我要感谢在这三周中给过我帮助的所有同学，是他们的鼓励和支持才使我坚持了下来，取得了最后的胜利。10 参考文献1 李朝青.单片机原理及接口技术（修订版）.北京：北京航空航天大学出版社，19982 李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，19923 何立民.单片机应用技术大全.北京：北京航空航天大学出版社， 19944 张毅刚. 单片机原理及接口技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，19905 谭浩强.单片机课程设计. 北京：清华大学出版社，1989
