課程設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

1、電子信息工程專業(yè)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)研究報(bào)告 AD轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：王 歡學(xué)生學(xué)號(hào)：20094075XXX 指導(dǎo)教師：趙肖宇 所在學(xué)院：信息技術(shù)學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：電子信息工程1班 中國(guó)·大慶 2012 年 12 月 目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)要求12 方案設(shè)計(jì)與比較12.1 總體設(shè)計(jì)框圖12.2 各框圖的功能和可選電路及特點(diǎn)13 單元電路設(shè)計(jì)23.1 模擬電壓產(chǎn)生電路23.2 輸出電路23.3 555信號(hào)發(fā)生器33.4 555信號(hào)清零43.5 74LS0043.6 計(jì)數(shù)器電路53.7 DA轉(zhuǎn)換器DAC083253.8 LM324比較器74 元件選擇75 整體電路86 電路工作原理97 困難問(wèn)題及解決措

2、施98 總結(jié)與體會(huì)99 致謝1010 參考文獻(xiàn)111 設(shè)計(jì)任務(wù)要求² 電源5V；² 輸出數(shù)字量8位；² 誤差1LSB；² 帶轉(zhuǎn)換開始控制；² 輸入直流電壓0-2.5V；² 主要單元電路和元器件參數(shù)選擇；² 用繪圖軟件畫出總體電路圖；² 應(yīng)用仿真軟件仿真；2 方案設(shè)計(jì)與比較2.1 總體設(shè)計(jì)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 各框圖

3、的功能和可選電路及特點(diǎn)1）模擬電壓產(chǎn)生電路：在電位器上產(chǎn)生02.5V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

4、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，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0,可以用發(fā)光二極管顯示。3 單元電路設(shè)計(jì)3.1 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。3.2 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。3.3 555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

5、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)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

6、）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×（10×103+10×103）×47000×10-12=6.58×10-4s，放電時(shí)間為0.7×R2×C=0.7×10×103×47000×10-12=3.29×10-4s，周期T=6.58×10-4+3.29×10-4s=9.87×10-4s3.4 555信號(hào)清零數(shù)據(jù)顯示時(shí)間為0.7×（R

7、1+R2）C=0.7×（33×103+330）×47×10-6=1.097s，放電時(shí)間為0.7×R2×C=0.7×330×47×10-6=10.86ms，周期T=1.1s。3.5 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。與邏輯真值表A B L=A&B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 3.6 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開始計(jì)數(shù)，現(xiàn)在外接了與非門

8、，同步預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)過(guò)程從0001開始。 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。3.7 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

9、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)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

10、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

11、:模擬地。NGND:數(shù)字地。 3.8 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),即開環(huán)狀態(tài),理論上運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)

12、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)放輸出低電平。4 元件選擇元件名稱 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 5 整體電路計(jì)數(shù)式八位AD轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)原理圖6 電路工作原理計(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

13、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，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0輸出。7 困難問(wèn)題及解決措施在此次設(shè)計(jì)中我們遇到了不少的問(wèn)題，但是經(jīng)過(guò)我們的不懈努力，查找資料，最終都找到了解決的辦法。1.如何選擇高速模數(shù)轉(zhuǎn)換之前的信號(hào)調(diào)理器件；如何解決多路模數(shù)轉(zhuǎn)換的同步題目？ ADC之前的信號(hào)調(diào)理，最根本的原則就是信號(hào)調(diào)理引起的噪聲和誤差要在ADC的1個(gè)LSB之內(nèi)。根據(jù)這個(gè)目的，可以需要

14、選擇指標(biāo)合適的運(yùn)放。至于多路ADC同步的題目，一般在高速ADC的數(shù)據(jù)手冊(cè)中都會(huì)有一章來(lái)先容多片同步題目，你可以看一下里面的先容。 2. 在挑選ADC時(shí)如何確定內(nèi)部噪聲這個(gè)參數(shù)? 一般ADC都有信噪比SNR或者信納比SINAD這個(gè)參數(shù)，SINAD=6.02*有效位數(shù)+1.76,您可以根據(jù)專業(yè)這個(gè)公式來(lái)確定您選擇的ADC能否符合您的要求. 3. 如何對(duì)流水線結(jié)構(gòu)ADC進(jìn)行校準(zhǔn)？需要校準(zhǔn)哪些參數(shù)？ 一般來(lái)講，ADC的offset和gain error會(huì)比較輕易校準(zhǔn)。只要外接0V和full scale進(jìn)行采樣，然后得到校準(zhǔn)系數(shù)。另外，假如需要作溫度補(bǔ)償?shù)脑?，一般需要加一個(gè)溫度傳感器，然后利用查表的方式

15、來(lái)補(bǔ)償。 4. 對(duì)ADC和DAC四周的布線有哪些建議？ ADC和DAC屬于模擬數(shù)字混合型器件，在布局布線時(shí)最重要的是要留意地分割，即模擬地和數(shù)字地的處理題目。對(duì)于高采樣率的器件，建議使用一塊地。而低采樣率的器件，建議模擬數(shù)字地分開，最后在芯片下方連接在一起。8 總結(jié)與體會(huì)此次課程設(shè)計(jì)雖然只有短短三周，但是，在這三周我學(xué)到的東西比一年的收獲還要大。通過(guò)此次AD轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)，我們掌握了計(jì)數(shù)式8位A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)原理，了解了555定時(shí)器、74LS00、74161、DAC0832及LM324等元器件的使用。使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中雖然遇到了一些問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)

16、一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們通過(guò)這個(gè)方案包括設(shè)計(jì)了一套電路原理和pcb連接圖，和芯片上的選擇。我沉得做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們了解了很多元件的功能，并且對(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。在制作pcb時(shí)，發(fā)現(xiàn)細(xì)心耐心，恒心一定要有才能做好事情，首先是線的布局上既要美觀又要實(shí)用和走線簡(jiǎn)單，兼顧到方方面面去考慮是很

17、需要的，否則只是一紙空話。在畫好原理圖后的做pcb版時(shí)，由于項(xiàng)目組成員對(duì)單面板的不熟悉，導(dǎo)致布線后元件出現(xiàn)在另一邊，增加了布線難度，也產(chǎn)生很多不曾注意的問(wèn)題，今后要牢記這個(gè)教訓(xùn)，使以后布線更加順利。平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問(wèn)題老是弄不懂，做完課程設(shè)計(jì)，那些問(wèn)題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時(shí)看課本，這次看了，下次就忘了，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐讓我們對(duì)各個(gè)元件映象深刻。認(rèn)識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個(gè)課程設(shè)計(jì)對(duì)我們的作用是非常大的。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐

18、相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。此次課程設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多課內(nèi)學(xué)不到的東西，比如獨(dú)立思考解決問(wèn)題，出現(xiàn)差錯(cuò)的隨機(jī)應(yīng)變，和與人合作共同提高，都受益非淺，今后的制作應(yīng)該更輕松，自己也都能扛的起并高質(zhì)量的完成項(xiàng)目。對(duì)我們而言，知識(shí)上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財(cái)富，經(jīng)歷是一份擁有。這次課程設(shè)計(jì)必將成為我人生旅途上一個(gè)非常美好的回憶!9 致謝這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了各種各樣的困難，在老師的辛勤指導(dǎo)下，在同學(xué)們的幫助下，終于得以解決。沒(méi)有他們的幫助，我是難以完成這次設(shè)計(jì)。因此，在這里，我要首先感謝信息院電子系給了