基于Protuse仿真的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計

1、長 沙 學(xué) 院電子技術(shù)課程設(shè)計說明書題目 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 系(部) 電子信息與電氣工程系 專業(yè)(班級) 光電信息科學(xué)與工程 姓名 熊健東 學(xué)號 2013041232 指導(dǎo)教師 張海濤 起止日期 15年6月1日15年6月5日 電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書(30)系（部）：電子信息與電氣工程系 專業(yè)：光電信息工程 指導(dǎo)教師：張海濤課題名稱模 擬 數(shù) 字 轉(zhuǎn) 換 器設(shè)計內(nèi)容及要求1 說明模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的基本概念和原理；2 給出A1集成電路的主要技術(shù)參數(shù)，熟悉IC芯片（ADC）各引腳的功能，逐個說明；3 通過實際測試，給出A/D轉(zhuǎn)換的對應(yīng)關(guān)系表，并分析計算其轉(zhuǎn)換精度；4寫出設(shè)計心得。 設(shè)計工作量1、系統(tǒng)整體設(shè)計；

2、2、系統(tǒng)設(shè)計及仿真；3、在Multisim或同類型電路設(shè)計軟件中進行仿真并進行演示；4、提交一份完整的課程設(shè)計說明書，包括設(shè)計原理、仿真分析、調(diào)試過程，參考文獻、設(shè)計總結(jié)等。進度安排起止日期（或時間量）設(shè)計內(nèi)容（或預(yù)期目標(biāo)）備注第一天課題介紹，答疑，收集材料第二天設(shè)計方案論證第三天進行具體設(shè)計第四天進行具體設(shè)計第五天編寫設(shè)計說明書指導(dǎo)老師意見年 月 日教研室意見年 月 日長沙學(xué)院課程設(shè)計鑒定表姓名熊健東學(xué)號2013041232專業(yè)光電信息科學(xué)工程班級光電2班設(shè)計題目模 擬 數(shù) 字 轉(zhuǎn) 換 器指導(dǎo)教師張海濤指導(dǎo)教師意見：評定成績： 教師簽名： 日期： 答辯小組意見：評定成績：答辯小組長簽名：日期

3、：教研室意見：最終評定等級：教研室主任簽名：日期：說明課程設(shè)計成績分“優(yōu)秀”、“良好”、“中等”、“及格”、“不及格”五等。摘要：ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。目前僅在單片機初學(xué)應(yīng)用設(shè)計中較為常見。首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變

4、為高電平，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認(rèn)完成后，才能進行傳送。為此可采用下述三種方式。（1）定時傳送方式對于一種A/D轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時間為128s，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機共64個機器周期?？蓳?jù)此設(shè)計一個延時子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進行數(shù)

5、據(jù)傳送。（2）查詢方式A/D轉(zhuǎn)換芯片有表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進行數(shù)據(jù)傳送。（3）中斷方式把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號有效時，OE信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機接受。常見用途ADC0809與MCS-51單片機的連接主要涉及兩個問題。一是8路模擬信號通道的選擇，二是A/D轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送有定時傳送方式、查詢方式、中斷方式這三種

6、方式。A、B、C的值與被選擇的通道之間的關(guān)系關(guān)鍵詞：AD轉(zhuǎn)換與DA轉(zhuǎn)換 目錄1 緒論（或前言）62 實習(xí)的主要內(nèi)容63 設(shè)計作品名稱（或課題）：63.1電路原理圖及工作原理7DAC0832芯片 簡介7ADC0808/ADC0809芯片84用Protuse7.8軟件完成SCH原理圖的繪制及原理圖功能分析；94.1 *.Sch原理圖94.2*原理圖功能分析105 心得體會116 存在的不足及建議了11參考文獻121 緒論（或前言）隨著數(shù)字技術(shù)，特別是計算機技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測領(lǐng)域中，信號的處理無處不在。自然界中的物理量，例如壓力、溫度、位移、等都是模擬量。要對這些物理量進行

7、控制和檢測，往往需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起轉(zhuǎn)換作用的電路-模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。A/D D/A轉(zhuǎn)換器在電子線路中的應(yīng)用十分廣泛，它溝通了整個電子領(lǐng)域中的模擬域和數(shù)字域。但在A/DD/A轉(zhuǎn)換器的實驗教學(xué)過程中，由于受傳統(tǒng)實驗設(shè)備的限制，很難對其實際工作過程進行有效的分析與驗證。Protuse仿真軟件提供了一個虛擬實驗平臺，它克服了傳統(tǒng)電子元器件、儀器設(shè)備的限制，包含非常豐富的電子元器件庫，并且提供功能強大的多種仿真分析功能，本文利用其仿真功能，在A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路的仿真與分析中，很好地捕捉和展現(xiàn)出各種時域暫態(tài)的數(shù)字信號和相應(yīng)模擬電壓，能幫助學(xué)生熟悉和快速掌握先進的電路實驗方法和技

8、能。AD轉(zhuǎn)換器分為積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、-調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 1）分辨率(Resolution) 指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辨率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。 2）轉(zhuǎn)換速率(Conversion Rate)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可達到納秒級。采樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率(Sample Rate)必須小于

9、或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表示每秒采樣千/百萬次（kilo / Million Samples per Second）。 3）量化誤差(Quantizing Error) 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。 4）偏移誤差(Offset Error) 輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。 5）滿刻度誤差(Full Scale

10、 Error) 滿度輸出時對應(yīng)的輸入信號與理想輸入信號值之差。 6）線性度(Linearity) 實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移2 實習(xí)的主要內(nèi)容（1）說明模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的基本概念和原理；（2）給出A1集成電路的主要技術(shù)參數(shù)，熟悉IC芯片（ADC）各引腳的功能，逐個說明；（3）通過實際測試，給出A/D轉(zhuǎn)換的對應(yīng)關(guān)系表，并分析計算其轉(zhuǎn)換精度；（4）寫出設(shè)計心得。 3 設(shè)計作品名稱（或課題）：模 擬 數(shù) 字 轉(zhuǎn) 換 器3.1電路原理圖及工作原理 DAC0832芯片 簡介* D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯),ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸

11、入線，高電平有效；CS：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負(fù)跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存；XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效；WR2：DAC寄存器選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由WR2、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當(dāng)LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負(fù)跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換。IOUT1：電流

12、輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化；IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)；Rfb：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度；Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V+15V；VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線，VREF的范圍為-10V+10V；AGND：模擬信號地 ；DGND：數(shù)字信號地。DACO832輸出為電流，要轉(zhuǎn)換成電壓，必須經(jīng)過一個外接的算放大器，原理圖為輸出端V0接直流數(shù)字電壓表，在輸入數(shù)字量之前要進行調(diào)零。令D0-D7全置零，調(diào)節(jié)運放的電位器uA741輸出為0。ADC0808/ADC0809芯片IN0IN7：8路模擬量輸入端。2-12-8：8位數(shù)

13、字量輸端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存允許信號，輸入端，產(chǎn)生一個正脈沖以鎖存地址。START： A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出端，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入端，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHz。REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。Vcc：

14、電源，單一+5V。GND：地。由電阻網(wǎng)絡(luò)組成恒壓降輸入模擬電壓量，在通過不同的地址選取，輸出8位相應(yīng)數(shù)字量，原理圖如8路輸入模擬信號1-1.5V，由+5V電源經(jīng)電阻R分壓組成；變換結(jié)果D0-D7接邏輯電平顯示；CP時鐘脈沖由計數(shù)脈沖源提供，取f=100KHz；A0-A2接邏輯電頻輸入。4用Protuse7.8軟件完成SCH原理圖的繪制仿真及原理圖功能分析；4.1 *.Sch原理圖 4.2*原理圖功能分析 如原理圖所示，左邊的模塊是AD模數(shù)轉(zhuǎn)換，右邊是DA數(shù)模轉(zhuǎn)換。 從左邊的AD轉(zhuǎn)換來說，由電阻網(wǎng)絡(luò)組成的8輸入恒壓降模擬電壓，從IN0輸入的4.5V電壓到IN7輸入的1.0V電壓，每個相鄰的輸入端

15、輸入的電壓相差0.5V，ADD A-ADD C是三個地址輸入端，地址譯碼選取的不同相應(yīng)的模擬輸入的通道也會不同。地址譯碼與模擬輸入的通道的選通關(guān)系如下：被模擬通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7地址A200001111A100110011A001010101VREF(+)、VREF(-)為基準(zhǔn)電壓的輸入端輸入5V，OE端為數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入端，高電平有效。8路輸入模擬信號1-1.5V，由+5V電源經(jīng)電阻R分壓組成；變換結(jié)果D0-D7接邏輯電平顯示；CP時鐘脈沖由計數(shù)脈沖源提供，取f=100KHz；A0-A2接邏輯電頻輸入。接通電源后，在啟動端（START）加一個正單脈沖，下

16、降沿一到，即開始A/D轉(zhuǎn)換。仿真結(jié)果與計算結(jié)果如下：被選模擬通道輸入模擬量地址AD轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字量十進制（二進制化為十進制）模擬量計算值Us=VREF*(R/256)單位：VDA仿真值Uo單位：VINUi/VA2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0RUsdUsUodUoIN04.5000111001012294.47260.0274-4.460.04IN14.0001110011002043.98430.0157-3.970.03IN23.5010101100101783.47660.0234-3.470.03IN33.0011100110011532.98830.0117-2,980.02

17、IN42.5100100000001282.50000.0000-2.490.01IN52.0101011001101021.99230.0077-1.990.01IN61.511001001101771.50390.0039-1.500.00IN71.011100110011510.99610.0039-0.990.01深入的分析其產(chǎn)生差異的原因是有轉(zhuǎn)換精度的影響。AD分辨率是只與位數(shù)有關(guān)系的，分辨率是可以計算的，U/2位數(shù) 我的電路就是 5V/28=19.53mV。精度絕對值肯定是大于分辨率的精度，是需要測量出來的，當(dāng)然也能估算出一個大致的值，計算出的誤差值如上表。原理圖右邊是DAC轉(zhuǎn)換器

18、，將前一級的ADC轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量對應(yīng)輸入到DAC0832芯片的8個輸入端，使其轉(zhuǎn)換回模擬量進行檢驗AD的轉(zhuǎn)換功能，并在之后可以進一步分析DA轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度。因為DA0832轉(zhuǎn)換成的量為電流，要把它化為電壓，就設(shè)計了一個反向運算放大器，Rfb端為反饋端，變阻器的作用是調(diào)零運算放大器，反向運算發(fā)大器將轉(zhuǎn)換出的電流值反向放大并轉(zhuǎn)換成電壓值，所以輸出在Vo顯示的為負(fù)值，但數(shù)值在誤差允許范圍內(nèi)是與輸入的值相同。從上表看出來由DA模塊輸出的電壓顯示看，誤差有點大，但是這輸出的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤差包含了兩級轉(zhuǎn)換的誤差，DA轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生比例系數(shù)誤差：實際轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率與理想特性曲線斜率的偏差。也會產(chǎn)生失調(diào)誤差

19、：該誤差為模擬量的實際起始數(shù)值與理想起始數(shù)值之差，有運算放大器的零點漂移所引起，它使輸出電壓的轉(zhuǎn)移特性曲線發(fā)生平移。還會產(chǎn)生非線性誤差：這是一種沒有一定變化規(guī)律的誤差，一般用在滿刻度范圍內(nèi)，偏離理想的轉(zhuǎn)移特性的最大值來表示。引起非線性誤差的原因較多，例如電路中的各模擬開關(guān)存在不同的導(dǎo)通電壓和導(dǎo)通電阻，電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻的誤差等都會導(dǎo)致誤差。因此要獲得高精度的DA轉(zhuǎn)換器，不僅應(yīng)該選擇位數(shù)較多的高分辨率的DA轉(zhuǎn)換器，而且電路中還需要高穩(wěn)定度的Vref基準(zhǔn)電壓和低零漂的運算放大器件與之配合才能達到要求。5 心得體會通過這次課程設(shè)計，我基本掌握了Multisum和Protuse兩個仿真軟件的使用方法，并在任務(wù)的要求下設(shè)計了一個AD與DA相互轉(zhuǎn)換的簡單電路，并深入的了解了芯片DAC08