[課程設(shè)計(jì)]AD轉(zhuǎn)換硬件前端設(shè)計(jì)

1、目 錄1 概述11.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）概念11.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)的基本原理及特點(diǎn)11.3 adc性能參數(shù)22 總體方案設(shè)計(jì)32.1設(shè)計(jì)的目的與要求32.2 硬件描述語言（vhdl）32.2.1 vhdl簡介32.2.2 vhdl的設(shè)計(jì)流程32.3電路器件43 詳細(xì)設(shè)計(jì)63.1 主流程設(shè)計(jì)63.2程序流程圖63.3 功能邏輯框圖83.4 a/d轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)84 程序的調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果說明134.1 a/d的電路圖134.2仿真波形圖134.3 結(jié)果分析145 課程設(shè)計(jì)總結(jié)15參考文獻(xiàn)161 概述1.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）概念在工業(yè)檢測控制和生活中的許多物理量都是連續(xù)變化的模擬量,如溫度

2、、壓力、流量、速度等,這些模擬量可以通過傳感器或換能器變成與之對應(yīng)的電壓、電流或頻率等電模擬量。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)對這些電模擬量進(jìn)行檢測、運(yùn)算和控制,就需要一個模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換的過程。即常常需要將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,簡稱為a/d轉(zhuǎn)換,完成這種轉(zhuǎn)換的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter) ,簡稱adc。1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)的基本原理及特點(diǎn)模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,一般分為四個步驟進(jìn)行,即取樣、保持、量化和編碼。前兩個步驟在取樣-保持電路中完成,后兩步驟則在adc中完成。常用的adc有積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、 -調(diào)制型、電容陣

3、列逐次比較型及壓頻變換型。下面簡要介紹常用的幾種類型的基本原理及特點(diǎn):l 積分型(如tlc7135) 。積分型adc工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間或頻率,然后由定時器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是用簡單電路就能獲得高分辨率,但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間,因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片adc大多采用積分型,現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。雙積分是一種常用的ad轉(zhuǎn)換技術(shù),具有精度高,抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但高精度的雙積分ad芯片,價格較貴,增加了單片機(jī)系統(tǒng)的成本。 l 逐次逼近型(如tlc0831) 。逐次逼近型ad由一個比較器和da轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成,從msb開始,順序地對每一位將輸入電壓

4、與內(nèi)置da轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較,經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低,在低分辨率( 12位)時價格很高。 l 并行比較型/串并行比較型(如tlc5510) 。并行比較型ad采用多個比較器,僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換,又稱flash型。由于轉(zhuǎn)換速率極高, n位的轉(zhuǎn)換需要2n - 1個比較器,因此電路規(guī)模也極大,價格也高,只適用于視頻ad轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。串并行比較型ad結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間,最典型的是由2個n /2位的并行型ad轉(zhuǎn)換器配合da轉(zhuǎn)換器組成,用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換,所以稱為half flash型。 l -調(diào)制型(如ad7701) 。-型adc

5、以很低的采樣分辨率( 1位)和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化,通過使用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波等方法增加有效分辨率,然后對adc輸出進(jìn)行采樣抽取處理以降低有效采樣速率。-型adc的電路結(jié)構(gòu)是由非常簡單的模擬電路和十分復(fù)雜的數(shù)字信號處理電路構(gòu)成。 l 電容陣列逐次比較型。電容陣列逐次比較型ad在內(nèi)置da轉(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式,也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列da轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致,在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列,可以用低廉成本制成高精度單片ad轉(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型ad轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。 l 6壓頻變換型(如ad650) 。壓頻變換型是

6、通過間接轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率,然后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種ad的分辨率幾乎可以無限增加,只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。其優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、功耗低、價格低,但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成ad轉(zhuǎn)換。1.3 adc性能參數(shù)l adc分辨率：指輸出數(shù)字量變化一個最低有效位(lsb)所需的輸入模擬電壓的變化量。 l adc的精度：決定于量化誤差及系統(tǒng)內(nèi)其他誤差之總和。一般精度指標(biāo)為滿量程的0. 02% ,高精度指標(biāo)為滿量程的0. 001%。 l 轉(zhuǎn)換速率：是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的ad轉(zhuǎn)換所需的時間的倒數(shù)。積分型

7、ad的轉(zhuǎn)換時間是毫秒級屬低速ad,逐次比較型ad是微秒級屬中速ad,全并行/串并行型ad可達(dá)到納秒級。 l 量化誤差：由于ad的有限分辨率而引起的誤差,即有限分辨率ad的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辨率ad (理想ad)的轉(zhuǎn)移特性曲線(直線)之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量,表示為1lsb、1 /2lsb。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)的目的與要求作為一名大學(xué)生，我們要求用硬件描述語言相關(guān)軟件來模擬adc的實(shí)際生產(chǎn)過程。通過這個課程設(shè)計(jì)，可以學(xué)會硬件描述語言和電路設(shè)計(jì)的相關(guān)軟件，同時還要求掌握adc的原理和其電路原理圖。具體目的與要求如下：1理解和掌握該課程中的有關(guān)基本概念，程

8、序設(shè)計(jì)思想和方法。2培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識獨(dú)立完成課題的能力。3培養(yǎng)勇于探索、嚴(yán)謹(jǐn)推理、實(shí)事求是、有錯必改，用實(shí)踐來檢驗(yàn)理論，全方位考慮問題等科學(xué)技術(shù)人員應(yīng)具有的素質(zhì)。4掌握從資料文獻(xiàn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)中獲得知識的能力，提高學(xué)生從別人經(jīng)驗(yàn)中找到解決問題的新途徑的悟性，初步培養(yǎng)工程意識和創(chuàng)新能力。5掌握利用單片機(jī)接口技術(shù)解決問題的基本方法2.2 硬件描述語言（vhdl）2.2.1 vhdl簡介本次設(shè)計(jì)采用vhdl，英文全寫是：vhsic（very high speed integrated circuit）hardware description language。翻譯成中文就是超高速集成電路硬件描述語言

9、。vhdl主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外，vhdl的語言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的計(jì)算機(jī)高級語言。vhdl的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，或稱設(shè)計(jì)實(shí)體（可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統(tǒng)）分成外部（或稱可視部分及端口)和內(nèi)部（或稱不可視部分），既涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對一個設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個實(shí)體。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部分的概念是vhdl系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。2.2.2 vhdl的設(shè)計(jì)流程主要包括以下幾個步驟：l 文本編輯l 用任何文本編輯器都可以進(jìn)行，也可以用專

10、用的hdl編輯環(huán)境。通常vhdl文件保存為.vhd文件，verilog文件保存為.v文件。l 使用編譯工具編譯源文件。l 功能仿真l 將文件調(diào)入hdl仿真軟件進(jìn)行功能仿真，檢查邏輯功能是否正確（也叫前仿真，對簡單的設(shè)計(jì)可以跳過這一步，只在布線完成以后，進(jìn)行時序仿真）l 邏輯綜合l 將源文件調(diào)入邏輯綜合軟件進(jìn)行綜合，即把語言綜合成最簡的布爾表達(dá)式。邏輯綜合軟件會生成.edf或.edif 的eda工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件。l 布局布線l 將.edf文件調(diào)入pld廠家提供的軟件中進(jìn)行布線，即把設(shè)計(jì)好的邏輯安放pld/fpga內(nèi)。l 時序仿真l 需要利用在布局布線中獲得的精確參數(shù)，用仿真軟件驗(yàn)證電路的時序。（也叫

11、后仿真） 通常以上過程可以都在pld/fpga廠家提供的開發(fā)工具。l 編程下載l 確認(rèn)仿真無誤后，將文件下載到芯片中。2.3電路器件由于微機(jī)只能處理數(shù)字化的信息，而在實(shí)際應(yīng)用中被控對象常常是連續(xù)變換的物理量，因此，微機(jī)用于測控系統(tǒng)時需要有能吧模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的接口，以便于能對被控制對象進(jìn)行處理和控制。a/d轉(zhuǎn)換器就承擔(dān)這樣的任務(wù)，它適用于工業(yè)自動化控制，數(shù)據(jù)采集等許多領(lǐng)域。adc0809是一種cmos單片8位a/d轉(zhuǎn)換器，8路模擬量輸入以及地址鎖存與譯碼。設(shè)有與微機(jī)數(shù)據(jù)總線相連的ttl三態(tài)輸出鎖存器。adc0809可用單一的+5v電源工作，轉(zhuǎn)換時間約為100us。用單一+5v電源時，模擬

12、量輸入量程為05，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換值為00hhffh. adc0809的主要引腳信號說明如下： in0in7:8路模擬量輸入端。 add-a.add-b.add-c:三位地址線，通過地址譯碼選通8路模擬量輸入端中的一路。 clock：外部提供給adc0809工作的時鐘信號。 eoc:a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。 ale:通道地址鎖存允許信號。 enable:輸出允許信號，用來打開三態(tài)輸出的數(shù)據(jù)鎖存器。 start:a/d轉(zhuǎn)換啟動信號。 ref(+).ref(-)：正的和負(fù)的的參考電壓。8路模擬開關(guān)則可選通8路模擬輸入的任何一路單端模擬信號，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。8路模擬開關(guān)地址鎖存與譯碼控制與時序s

13、.a.r樹狀開關(guān)256r電阻階梯三 鎖態(tài) 存輸 緩出 沖器圖2-1 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)3 詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1 主流程設(shè)計(jì)主流程設(shè)計(jì)圖如圖3-1下：開始初始化模擬信號采樣a/d轉(zhuǎn)換輸出3-1 程序流程圖3.2程序流程圖程序流程圖如圖3-2所示:開始用35hdos功能調(diào)用取類型0ah的中斷矢量,并入棧保存用25h dos功能調(diào)用將a/d中斷服務(wù)程序入口地址寫入中斷矢量表中0ah類型中斷的位置a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果送內(nèi)存6000h段等待硬件中斷關(guān)中斷8253初始化:0通道,3方式,初始值為0010h開中斷300cx啟動0809執(zhí)行本次a/d轉(zhuǎn)換取中斷屏蔽寄存器的內(nèi)容存入bp中開放0ah號中斷顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果及兩個

14、空格cx-1=0？用25h dos功能調(diào)用恢復(fù)原中斷矢量恢復(fù)中斷屏蔽器寄存器內(nèi)容結(jié)束入口保存使用的寄存器的內(nèi)容從0809的端口讀取a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)發(fā)中斷結(jié)束命令中斷返回圖3-2流程圖3.3 功能邏輯框圖 由下圖3-2可知，此設(shè)計(jì)的adc是由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個a/d轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存a/d轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)oe端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。圖3-3功能邏輯框圖3.4 a/d轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)數(shù)字信號不僅在時間上的離散的，而且在數(shù)值上的變化也是不

15、連續(xù)的。這就是說，任何數(shù)字量的大小，都是以某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍來表示的。因此，在用數(shù)字量表示取樣電壓時，也必須把它化成這個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這個轉(zhuǎn)化過程就叫做量化。所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用表示。顯然，數(shù)字信號最低有效位中的1所表示的數(shù)量大小，就等于。把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示，稱編碼。這個二進(jìn)制代碼就是a/d轉(zhuǎn)化的出入信號。具體程序代碼如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity adc is port ( clk: in std_logic;-256h

16、z rd : out std_logic;wr:out std_logic;cs:out std_logic;ledcs :out std_logic;p13 :out std_logic; ramcs :out std_logic; nreset :in std_logic; dbus:inout std_logic_vector(7 downto 0);end;architecture adc of adc issignal ad_value :std_logic_vector(7 downto 0);signal status: integer range 0 to 32;signal

17、cs1:std_logic; signal rd1:std_logic; signal wr1:std_logic; beginramcs = 1;p13 =31) then status = 0;else status = status + 1;end if;end if; end process; process(status) beginif(nreset = 0) thendbus = zzzzzzzz;cs1 = 1;rd1 = 1;wr1 = 1;elsif(status = 0) thencs1 = 1;rd1 = 1;wr1 = 1;dbus = zzzzzzzz;elsif(

18、status = 1) thenrd1 = 1; cs1 = 0;wr1 = 1;dbus = zzzzzzzz; elsif(status = 2) thenrd1 = 1; cs1 = 0;wr1 = 0;dbus = zzzzzzzz;elsif(status = 3) thenrd1 = 1; cs1 = 0;wr1 = 1;dbus = zzzzzzzz;elsif(status = 4) then cs1 = 1;rd1 = 1;wr1 = 1;dbus = zzzzzzzz;elsif(status = 5) thencs1 = 0;rd1 = 1;wr1 = 1;dbus =

19、zzzzzzzz;elsif(status = 6) thencs1 = 0;rd1 = 0;wr1 = 1;dbus = zzzzzzzz;elsif(status = 7) thencs1 = 0;rd1 = 0;wr1 = 1;ad_value = dbus;dbus = zzzzzzzz;elsif(status = 8) thencs1 = 0;rd1 = 1;wr1 = 1;dbus = zzzzzzzz;elsif(status = 9) thencs1 = 1;rd1 = 1;wr1 = 1;elsif(status = 10) thencs1 = 1;rd1 = 1;wr1

20、= 1;if( (ad_value(7) = 0)and(ad_value(6) = 0)and(ad_value(5) = 0)and(ad_value(4) = 0) thendbus = 00000000;elsif( (ad_value(7) = 0)and(ad_value(6) = 0)and(ad_value(5) = 0)and(ad_value(4) = 1)thendbus = 00000001;elsif( (ad_value(7) = 0)and(ad_value(6) = 0)and(ad_value(5) = 1)thendbus = 00000011;elsif(

21、 (ad_value(7) = 0)and(ad_value(6) = 1)and(ad_value(5) = 0)thendbus = 00000111;elsif( (ad_value(7) = 0)and(ad_value(6) = 1)and(ad_value(5) = 1)thendbus = 00001111;elsif( (ad_value(7) = 1)and(ad_value(6) = 0)and(ad_value(5) = 0)thendbus = 00011111;elsif( (ad_value(7) = 1)and(ad_value(6) = 0)and(ad_val

22、ue(5) = 1)thendbus = 00111111;elsif( (ad_value(7) = 1)and(ad_value(6) = 1)and(ad_value(5) = 0)thendbus = 01111111;elsif( (ad_value(7) = 1)and(ad_value(6) = 1)and(ad_value(5) = 1)thendbus = 11111111;elsedbus = 00000000;end if;elsif(status = 11) thencs1 = 1;rd1 = 1;wr1 = 1;ledcs = 1;elsif(status = 12)

23、 thencs1 = 1;rd1 = 1;wr1 = 1;ledcs = 0;elsecs1 = 1;rd1 = 1;wr1 = 1;dbus = zzzzzzzz; end if;cs = cs1;rd = rd1;wr = wr1; end process;end;4 程序的調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果說明4.1 a/d的電路圖 在開發(fā)環(huán)境quartusii5.0中，對上面的a/d的程序代碼文件進(jìn)行編譯、執(zhí)行后點(diǎn)擊菜單tools下的rtl viewer可以看到圖4-1 adc的電路圖圖4-1 adc的電路圖4.2仿真波形圖圖4-2 adc的防真波形圖如下：圖4-2 adc的防真波形圖4.3 結(jié)果分析 根據(jù)上面的波形圖，在20ns、40ns、60ns時刻所對應(yīng)的輸入和輸出信號，和依程序中推斷的相一致，可判斷此波形圖是正確的。從而可證明adc的設(shè)計(jì)正確，此次課程設(shè)計(jì)基本上達(dá)到了預(yù)定的效果。5 課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過本次課