計數(shù)型AD轉換器的設計

1、課程設計說明書題目： 計數(shù)型AD轉換器的設計 學生姓名： 張 朵 朵 學 號： 201306010209 院 （系）： 電氣與信息工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導教師： 侯 勇 嚴 2015 年 12 月 31 日目錄1 設計背景11.1指導思想11.2 設計目的12 電路設計22.1總框架圖22.2 各框圖的功能和可選電路及特點22.2.1 模擬電壓產生電路22.2.2 電壓比較電路22.2.3 D/A轉換電路22.2.4 脈沖產生電路22.2.6 計數(shù)電路32.2.7 輸出電路33 各單元電路工作原理33.1模擬電壓產生電路33.2輸出電路33.3 555信號發(fā)生器43.3.1

2、 555定時器的調試43.4 74HC11三入與門53.4.1 74HC11的調試53.5 計數(shù)器電路53.5.1 74HC161計數(shù)器的調試63.6 D/A轉換器DAC083263.6.1 DAC0832的調試83.7 M324比較器83.7.1 LM324轉換器的調試93.8 4HC574寄存器93.8.1 HC574的調試103.9整體調試103.10 電路測試及測試結果104 結構分析114.1電路組成及工作原理:114.2總體原理設計圖和實物圖115 小結：146 設計體會及今后的改進意見：156.1設計體會156.2 存在的問題156.3改進意見16參 考 文 獻171

3、設計背景在數(shù)字電路與模擬電路學習完之后，為培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的正確設計思想，訓練綜合運用已經學過的理論和生產實際知識去分析和解決工程實際問題的能力，讓我們學習較復雜的電子系統(tǒng)設計的一般方法，了解和掌握模擬、數(shù)字電路等知識解決電子信息方面常見實際問題的能力，由學生自行設計、自行制作和自行調試， 進行基本技術技能訓練，如基本儀器儀表的使用，常用元器件的識別、測量、熟練運用的能力，掌握設計資料、手冊、標準和規(guī)范以及使用仿真軟件、實驗設備進行調試和數(shù)據處理等，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和動手能力。1.1指導思想 將數(shù)字信號通過DAC0832轉換成模擬信號，與所給出的電平進行比較，并將比較的結果通過二極管間接

4、表示出。1.2 設計目的1）培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的正確設計思想，訓練綜合運用已經學過的理論和生產實際知識去分析和解決工程實際問題的能力。2）學習較復雜的電子系統(tǒng)設計的一般方法，提高基于模擬、數(shù)字電路等知識解決電子信息方面常見實際問題的能力，由學生自行設計、自行制作和自行調試。 3）進行基本技能訓練，如基本儀器儀表的使用，常用元器件的識別、測量、熟練運用的能力，掌握設計資料、手冊、標準和規(guī)范以及使用仿真軟件、實驗設備進行調試和數(shù)據處理等。4）培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。1) 輸出數(shù)字量8位；2) 誤差1LSB；3) 帶轉換開始控制；4) 輸入電壓直流電壓05V；5) 主要單元電路和元器件參數(shù)計

5、算、選擇；6) 畫出總體電路圖；7) 安裝自己設計的電路，按照自己設計的電路，在通用板上焊接；8) 焊接完畢后,應對照電路圖仔細檢查，看是否有錯接、漏接、虛焊的現(xiàn)象；9) 調試電路；10) 電路性能指標測試；11) 提交格式上符合要求，內容完整的設計報告。2 電路設計2.1總框架圖圖3.1.1 計數(shù)式8位A/D轉換器的總體設計框圖 該八位A/D轉換器由以下幾部分組成：模擬電壓產生電路 電壓比較電路 D/A轉換電路 脈沖產生電路 控制電路 計數(shù)電路 輸出電路2.2 各框圖的功能和可選電路及特點2.2.1 模擬電壓產生電路：在電位器上產生05V的待轉換電壓。2.2.2 電壓比較電路：比較兩個電壓值

6、進行判斷并輸出高電平或低電平，待轉換電壓VX進入比較器正端，而經DA轉換器轉換出的模擬電壓量VY則進入比較器負端與VX比較。若VX>VY，則比較器輸出為高電平，反之為低電平。2.2.3 D/A轉換電路：將數(shù)字量轉化為模擬量，可以選用DAC0832，不過輸出為電流量，需轉化成模擬電壓量方能與待轉換電壓VY比較。2.2.4 脈沖產生電路：產生一個頻率較高的方波信號CP，可選用555振蕩器。 2.2.5 控制電路：可選電路為74HC11，控制計數(shù)電路的計數(shù)功能，由比較器的輸出結果和脈沖信號CP共同決定,2.2.6 計數(shù)電路：進行加計數(shù)，輸出的數(shù)字量進入DA轉換電路變?yōu)槟M電流量,為了完成八位計

7、數(shù),可使用兩個74LS161。2.2.7 輸出電路：輸出八位分別為Q7、Q6、Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0,可以用發(fā)光二極管顯示。3 各單元電路工作原理3.1模擬電壓產生電路圖3-1 模擬電壓產生電路將10K電阻與10K電位器相連，電阻一段接+10V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05V。3.2輸出電路圖3-2 輸出電路將Q7Q0分別接330的電阻和發(fā)光二極管，構成D7D0的輸出電路。 3.3 555信號發(fā)生器信號發(fā)生器原理圖如下圖a所示，它是555定時器構成的多諧振蕩器，VCC通過電阻R1、R2向電容C充電，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)

8、，電路也不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R1，R2向C充電，以及通過RB向放電端7端放電，使電路產生振蕩。廣泛用于信號的產生、變換、控制與檢測。電容C充電和放電，其波形如下圖。圖3-3 信號發(fā)生器原理圖3.3.1(a) 555信號發(fā)生器圖 3.3.1(b) 充電和放電波形圖 多諧振蕩器的振蕩頻率為：f=1÷（R1+2R2）×21÷（4.7+2×4.7）×2=10Hz多諧振蕩器的振蕩周期：T=1÷f=1÷10=0.1s3.3.1 555定時器的調試先卸下除555芯片的其他芯片,8端口接+

9、5V電壓,1端口接地,打開示波器,3端口接上示波器,按下示波器上的自動鍵,觀察波形是否為方波,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。其調試波形如下：3-4 555產生波形圖 3.4 74HC11三入與門2端接555的輸出端產生的方波,1端接與LM393比較器輸出的電壓，13端接復位開關，三個信號經74HC構成的與門再輸出，輸出的信號再輸入控制電路。圖3-5 74HC11引腳圖3.4.1 74HC11的調試將1、2、13分別接電平輸入，將12端接電平顯示。測試是否符合當1、2、13為高電平，輸出為高電平。3.5 計數(shù)器電路由兩個

10、74HC161計數(shù)器并聯(lián)構成的,74HC161正常工作時由0000開始計數(shù)。控制電路的原理圖如圖所示：圖3-6 原理圖圖3-7 74LS161引腳圖74HC161是四位二進制加法計數(shù)器，具有計數(shù)、保持、預置、清零功能。它由四個JK觸發(fā)器和一些控制門組成，其中CP是計數(shù)輸入脈沖，上升沿有效；Q0Q3是計數(shù)輸出端，Q3為最高位；CO是進位信號輸出端；D0D3為預置數(shù)并行輸入端；CTT和CTP是工作狀態(tài)控制端。3.5.1 74HC161計數(shù)器的調試先卸下除74HC161芯片的其他芯片,芯片接上電源GND端接地，接74HC11輸出端的每個端接高電平,Q0Q7依次接在實驗箱邏輯電平上,按下實驗箱信號發(fā)生

11、器上的按鈕,觀察邏輯電平顯示結果是否是逐個增大，如果不是則檢查線路.3.6 D/A轉換器DAC0832 DAC0832是采用CMOS工藝制成的單片電流輸出型8位數(shù)/模轉換器。它將輸入的八位電平信號轉換為電壓信號輸出，下圖是DAC0832的邏輯框圖圖3-8 DAC0832的邏輯框圖及引腳排列 DAC0832能完成數(shù)字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉換。其主要參數(shù)如下：分辨率為8位，轉換時間為1s，滿量程誤差為±1LSB，參考電壓為(+10-10)V，供電電源為(+5+15)V。 特點：從第二個圖中可見，在DAC0832中有兩級鎖存器，第一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存信號

12、為ILE，第二級鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號也稱為通道控制信號/XFER。 當ILE為高電平，片選信號/CS 和寫信號/WR1為低電平時，輸入寄存器控制信號為高電平，這種情況下，輸入寄存器的輸出隨輸入變化。此后，當 /WR1由低電平變高時，控制信號成為低電平，此時，數(shù)據被鎖存到輸入寄存器中，這樣輸入寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據DB的變化而變化。 對第二級鎖存來說，傳送控制信號/XFER和寫信號/WR2同時為低電平時，二級鎖存控制信號為高電平，8位的DAC寄存器的輸出隨輸入變化，當/WR2由低電平變高時，控制信號變?yōu)榈碗娖?，將輸入寄存器的信息鎖存到DAC寄存器中。圖中

13、其余各引腳的功能說明如下： CS：片選信號，低電平有效。 ILE：輸入寄存器有效，高電平有效。 WR1：寫信號1，低電平有效；WR2：寫信號2，低電平有效。 XFER：傳送控制信號，低電平有效，用來控制WR2。 D0D7：8位的數(shù)據輸入端，D7為最高位。 IOUT1：DAC電流輸出端1；IOUT2：DAC電流輸出端2。 RFB：反饋電阻引出端，DAC0832內部已經有反饋電阻，所以 RFB端可以直接接到外部運算放大器的輸出端，這樣相當于將一個反饋電阻接在運算放大器的輸出端和輸入端之間。 VREF：基準電壓

14、，VREF范圍為（-10+10）V。 VCC：電源電壓，范圍為(+515)V。 AGND：模擬量地，即模擬電路接地端；DGND：數(shù)字量地。3.6.1 DAC0832的調試先卸下除DAC0832芯片的其他芯片。按照實驗圖接上電源、高電平等。把QOQ7接在邏輯開關上，把萬用表打到電壓檔，使萬用表黑表筆接地，紅表筆接Rfb，依次打開邏輯開關，看萬用表的示數(shù)是不是逐漸增大。3.7 M324比較器LM324是四運放集成電路。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，如圖3-9，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用左圖所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”

15、為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“V0”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端， Vi+（+）為同相輸入端。LM324的引腳排列見右下圖。圖3-9 基本原理圖 圖3-10 LM324結構圖  圖3-11 LM324引腳圖 由于LM324運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中。此時運放便形成一個電壓轉換器，把電流信號轉換為電壓信號。3.7.1 LM324轉換器的調試 將LM324轉換器與已經調試好的DAC0832相連，在DAC0832的VCC接+5V電壓，VREF接-5V電壓，WR1、

16、WR2、XFER、CS、Iout2、AGND、GND端接地，八個電平輸入，用萬用表測LM324輸入出端的電壓，如果隨二進制數(shù)的增大而增大，則LM324調試成功。 3.8 4HC574寄存器寄存器由74HC574構成，其引腳圖如圖3-18它可以存放8位二進制代碼，其中一位二進制代碼是由一個D觸發(fā)器來存儲的。圖3-12 74HC574內部原理圖圖3-13 74HC574引腳圖3.8.1 HC574的調試先卸下除74HC574芯片和74HC04芯片的其他芯片，芯片接上電源GND端接地，74HC04反相器輸入端接高電平，輸出端與74HC574的1端口相連，D0D7端分別接在實驗箱邏輯電平上，按下試驗箱

17、信號發(fā)生器上的按鈕，用萬用表測Q0Q7端口邏輯電平顯示結果，若輸出的高低電平與輸入的高低電平一致，則調試成功。3.9整體調試 按原理圖接上各元器件，先檢查線路是否短路、斷路，接通電源，勻速調節(jié)電位器，從而改變輸出電壓，八位輸出端口接電平顯示，看電平顯示是否隨其緩慢改變。記錄顯示數(shù)據并統(tǒng)計。經計算，輸出電壓的值隨輸出電平的增大而增大，增大斜率幾乎一致，圖線近似為一條直線。3.10 電路測試及測試結果 先檢查電路是否有斷路、短路，是否有虛焊。按原理圖，接上所有元器件，接通電源，勻速調節(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而改變。記錄顯示數(shù)據，統(tǒng)計數(shù)據。表3-1 數(shù)據記錄輸入電壓/V

18、輸出電壓（二進制）輸出電壓（十進制）/V0.83001010110.8401.75001111101.7302.50100000012.5202.85100100102.7813.77101100003.8134.37110001004.359計算公式：輸出電壓U=10/28*(27*D7+26*D6+25*D5+24*D4+23*D3+22*D2+21*D1+20*D0)誤差1=0.8400.83÷0.83×100=1.2誤差2=1.7301.75÷1.75×100=1.14誤差3=2.5202.50÷2.50×100=0.8誤差4

19、=2.7812.85÷2.85×100=2.42誤差5=3.8133.77÷3.77×100=1.14誤差6=4.3594.37÷4.37×100=0.25平均誤差=（誤差1+誤差2+誤差6）÷6=1.164 結構分析4.1電路組成及工作原理:計數(shù)式8位A/D轉換器設計的總體思想是:由555定時器構成的多諧振蕩器，產生的方波信號通過74HC11構成的與門電路將信號與比較器中輸出信號處理后送往由兩個74HC161構成的計數(shù)器, 74HC161的輸出信號經DAC0832數(shù)模轉換器后, 將計數(shù)值轉換為電流信號，輸出的電流信號經LM

20、324轉換成電壓信號，輸出的電壓信號經LM393構成的比較器與100K的電位器產生的輸入電壓進行比較,當輸入電壓大于數(shù)模輸出電壓時，計數(shù)器繼續(xù)計數(shù)，直到兩者相等的瞬間才停止計數(shù)，最后由Q0，Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，Q7輸出。4.2總體原理設計圖和實物圖圖3-14總體原理設計圖 圖3-15 實物電路板4.3電路制作所需工具表格4-3 工具清單工具名稱工具數(shù)量（個）電烙鐵1萬用表1剪刀1鑷子1鉗子14.4元器件清單表4-4 元器件列表元件名稱元件名稱元件數(shù)量10K電位器110K電阻14.7K電阻2330電阻8100電阻1紅色發(fā)光二極管90.01uf電容11uf電容1LM32418位D/

21、A轉換器DAC0832174HC574174HC161274HC1115551單刀雙擲開關28針插座114針插座216針插座220針插座2通用板1焊錫絲若干導線若干排針若干5 小結：單從結果上來說，設計的其實并不十分理想，在前期設計電路時，由于把電阻電容的參數(shù)選錯，使得555芯片產生脈沖頻率太高，使得結果在模擬調試時很難看出結果，后來在老師指正情況下才得以更正，使得調試取得成功。調試完之后的焊接就顯得比較簡單，由于第一次焊接，導線焊接不整齊，調試時找不到錯誤，致使我重新焊接了一次，這次焊接過程告訴我做事一定要按計劃慢慢來，不可心急。第二次焊完之后結果沒有立刻出來，上電測555的波形，發(fā)現(xiàn)不對，

22、最后用萬用表來測，發(fā)現(xiàn)我把55短路了，再上電，發(fā)現(xiàn)的燈沒有停下來，然后我仔細想了想，燈不停說明是比較器那里有問題，然后，我測了比較器的兩路輸入，發(fā)現(xiàn)其中一路有問題，我就接著再測，結果發(fā)現(xiàn)電位器的阻值是無窮大，我就知道是這里出現(xiàn)了問題，然后我重新焊了一個電位器，再上電測，發(fā)現(xiàn)出結果了，對于我這次的課設，我比較幸運，雖然我焊了兩個板子，但我花費的時間比其他人少一點，總體來說，我還是比較喜歡這樣的任務，它可以提高我們的動手能力。6 設計體會及今后的改進意見：6.1設計體會這次對計數(shù)式8位A/D轉換器的設計與制作，使我對電路設計的方法、原理與制作與設計理念有了一定的掌握，更深層次的了解了555定時器、

23、74HC11、74HC161、DAC0832以及LM324等元器件的使用，對電路的總體設計及各單元的設計等有了進一步的理解和掌握。為了使設計更加合理，必須充分做好設計前的準備工作，原理圖時要仔細標明元器件的引腳及其他接口，方便焊接。在焊接時，要分單元焊接，要注意各引腳的作用，不能焊錯。焊接時，先焊接插座，焊接時不插芯片，以免電烙鐵加熱時將元器件燒壞，同時要保證各接口都接觸穩(wěn)定。再者，焊接盡量整齊。調試時，要注意分單元調試，以免整體調試燒壞元器件。要特別注意各個+5v接口，接地端口都確保都連接好，可以用萬用表測量，確保每個部分工作正常。最后再整體進行調試。在整個設計過程中碰到不少的錯誤，從中吸取