AD計(jì)數(shù)式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)課案

1、LAEAST CHINA INSTITUTE OF TECHNOLOGY測(cè)控電路 課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：AD轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)院 系：核工程與地球物理學(xué)院專 業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí)：學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：AD轉(zhuǎn)換器是一種能把輸入模擬電電壓或電電流變成與它成正 比的數(shù)數(shù)字量，即能把被控對(duì)對(duì)象的各種模擬信息變成計(jì)計(jì)算機(jī) 可以識(shí)別的數(shù)字信息。本電路由AD轉(zhuǎn)換器器，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器組成，其中 AD轉(zhuǎn)換器器由ADC0809集成芯片組成，定時(shí)器 器由NE555D定時(shí)器組成，計(jì)數(shù)器由 74LS161組成。本設(shè)計(jì)有以 下電路組成：（1）電壓比較電路（2）NE555D定時(shí)器時(shí)鐘取樣電 路

2、（3）ADC集成芯片轉(zhuǎn)換電路（4）LS161芯片計(jì)數(shù)器通道電路。AD轉(zhuǎn)換器要將時(shí)間和幅值都連續(xù)的模擬量，轉(zhuǎn)換為時(shí)間、幅 值都離散的數(shù)字量，一般要經(jīng)過取樣、保持和量化、編碼幾個(gè)過 程。本設(shè)計(jì)與市場(chǎng)同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)相比，具有電路簡單、結(jié)構(gòu)合理、制作方便、工作可靠、功能齊全等優(yōu)勢(shì)。在要求轉(zhuǎn)換速度比較高 的場(chǎng)合可選用并行 AD轉(zhuǎn)換器。關(guān)鍵詞：AD轉(zhuǎn)換器定時(shí)器時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)器單次脈沖目錄1引言 41.1 A/D轉(zhuǎn)化器的基本原理與種類 41.2 取樣定理42、方案對(duì)比 42.1 設(shè)計(jì)方案 42.1.1 方案一 42.1.2 方案二 42.1.3方案三 42.2方案優(yōu)選 53、原理分析 53.1整體思路 53.2

3、 電路組成及工作原理63.3各框圖的功能和可選電路及特點(diǎn)63.4 電路制作所需的工具73.5 兀器件列表,74單元電路設(shè) 84.1 模擬電壓產(chǎn)生電路84.2 輸出電路84.3 555 信號(hào)發(fā)生器，,，,，,，,，84.4 555 信號(hào)清零，,104.5 74LS00 ,.104.6 計(jì)數(shù)器電路，,104.7 D /A轉(zhuǎn)換器 DAC0832,114.8 LM324 比較器,131引言AD轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)生和用途在計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)中，經(jīng)常要處理一些在在時(shí)間上數(shù)值連續(xù)變化的物理量。這種 物理量稱為模擬量，如溫度，壓力，流量，速度等，經(jīng)過傳感器后與得到與此相對(duì)應(yīng) 的電信號(hào)稱為模擬電信號(hào)。由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理

4、的都是數(shù)字信號(hào)，所以模擬信號(hào)需要 換成數(shù)字信號(hào)，才能被計(jì)算機(jī)所加工處理。另外推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作需要的是電壓或流 等模擬信號(hào)，所以計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)還要換成模擬信號(hào)。所以要實(shí)行模擬信號(hào)轉(zhuǎn) 化成數(shù)字信號(hào)需要使用A/D轉(zhuǎn)換器。本次課程設(shè)計(jì)編寫的程序用 DAC0832專換器將A/D轉(zhuǎn)化結(jié)果用Proteus軟件表示 出來。1.1 A/D轉(zhuǎn)化器的基本原理與種類A/D轉(zhuǎn)化器是一種把輸入模擬電壓或電流信號(hào)變成與其成正比的數(shù)字信號(hào)，就是能 把被控制對(duì)象的各種模擬信息變成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信息。在A/D轉(zhuǎn)化器中，因?yàn)檩斎氲哪M信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的，而輸出的數(shù)字信號(hào)在時(shí)間上是離散的，所以轉(zhuǎn)化 只能在選定的瞬間對(duì)輸入

5、的模擬信號(hào)進(jìn)行取樣，然后把這些取值的模擬量變成數(shù)字量。因此，A/D轉(zhuǎn)化的過程首先是對(duì)輸入的模擬信號(hào)取樣，取樣結(jié)束后進(jìn)行時(shí)間保持， 在這段時(shí)間內(nèi)將取樣模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，并按一定的編碼順序給出轉(zhuǎn)化結(jié)果，然 后開始下一次取樣。1.2取樣定理為了準(zhǔn)確無誤的用取樣信號(hào)的輸入取樣信號(hào) VS表示模擬信號(hào)VI，取樣信號(hào)必須有 足夠高的頻率?？梢宰C明，為了保證能從取樣信號(hào)到原來被取樣信號(hào)的恢復(fù)，必須滿 足FS>=FI(MAX)式中FS為取樣頻率，F(xiàn)I(MAX)為輸入模擬信號(hào)VI的最高頻率分量的頻率的上式。 這就是取樣定理。因此A/D轉(zhuǎn)化器工作時(shí)的取樣頻率必須高于上式規(guī)定的頻率，取樣頻率提高以后留 給每

6、次進(jìn)行轉(zhuǎn)化的時(shí)間也就相應(yīng)縮短了，這就要求轉(zhuǎn)化電路必須有更快的工作速度。 所以不能無限制的提高取樣頻率，通常取樣FS=(35)*FI(MAX)就滿足要求。2、方案對(duì)比2.1設(shè)計(jì)方案AD轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)有多種設(shè)計(jì)方案，各有各的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以下我們來介紹分析2.1.1方案一：計(jì)數(shù)式計(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)成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波信 號(hào)，輸入由控制芯片74LSO0勾成的與非門，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)DAC083數(shù)模轉(zhuǎn)換器后,輸出的信號(hào)經(jīng)LM324勾成的 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

7、, Q3, Q2 Q1, Q0俞出2.1.2方案二：雙積分式以二進(jìn)制或BCD?的形式輸出，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜，但轉(zhuǎn)換速度較 低，但電路設(shè)計(jì)與連接比較復(fù)雜，且速度太慢。2.1.3 方案三：VFC式利用積分原理，將輸入電壓（或電流）轉(zhuǎn)換成頻率輸出，脈沖頻率與輸入電壓（或電 流）成比例，其精度高、線性度好、轉(zhuǎn)換速度居中、轉(zhuǎn)換位數(shù)與速度可調(diào)、與CPU勺連線最少，且增加轉(zhuǎn)換位數(shù)時(shí)不會(huì)增 加與CPU的連線，這不太適合本實(shí)驗(yàn)。2.2方案優(yōu)選綜上所述，我們選擇第一種方案3、原理分析3.1整體思路總體設(shè)計(jì)框圖。該八位AD轉(zhuǎn)換器由以下幾部分）DA轉(zhuǎn)換電路4 ）脈沖產(chǎn)生電路+5VVqc Ct TH Vc

8、GND TL OUT RDg8+5V141312 11 10r±h1 23 4574LS001& J7+-5V? 33K 330Vcc Ct TH Vc555GND TL OUT RD47uZ IL區(qū) WR2 XFERD4 D5 DE E7 I out 2 loutlDAC0832OS WRL AGND D3 D2 DI DO VREF Rfb DCND-5V+5V卜VccRCOQO Q1Q2Q3 ET 遠(yuǎn)74LS161RD CP A B C D EPGND7 6 5 4 3 2 10 Q Q Q Q Q Q Q Q 11 1111ll'lT TVccRCOQO Q1

9、Q2Q3 ET LDRD CP A E C D EPGND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 組成：1）模擬電壓產(chǎn)生電路2 ）電壓比較電路35）控制電路6 ）計(jì)數(shù)電路7 ）輸出電路3.2電路組成及工作原理計(jì)數(shù)式8為A/D轉(zhuǎn)化器的役計(jì)僚理圖3.3各框圖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。DAC0832輸出為電流量，需

10、轉(zhuǎn)化3）DA轉(zhuǎn)換電路：將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，可以選用 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 示。3.4電路制作所需的工具工具名稱工具數(shù)量電

11、烙鐵11萬用表1剪刀1鑷子13.5元器件列表元件名稱元件數(shù)量10K電阻21K電阻11K電位器133K電阻9|發(fā)光二極管8C473電容147u電容1集成塊LM3241集成塊5552集成塊74LS1612集成塊74LS0018位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832120針插座116針插座214針插座28針插座2通用板1焊錫絲若干導(dǎo)線若干4單元電路設(shè)計(jì)4.1模擬電壓產(chǎn)生電路+5V険劃亡"二二忘將ik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 4.2輸出電路330鄉(xiāng)1Q7涉lqt多1盟號(hào)I1Q3HlQl輸出電路330330-4 h330

12、330330 ZZZF330330將Q7Q0分別接330Q的電阻和發(fā)光二極管，構(gòu)成D7D0的輸出電路。4.3 555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。RDVcoIII CTH)U2 (TL)CtVccVCC Ct TH Vc555GND TL OUT RD+5V555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)掏圖555信號(hào)發(fā)生器由555定時(shí)器和外接元件RA

13、 RB C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(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）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)。2/3Vccl/3Vcc和5定時(shí)器充電和放電波形圖555信號(hào)發(fā)生器+5¥Rl-R2=10K 1 MVccCt TH Vc555GNDTL OUT RD33124充電時(shí)間為 0.7 X( R

14、1+R2 C=0.7X( 10X 10+10X 10 )X 47000 X 10- =6.58 X 10- s， 放電時(shí)間為 0.7 X R2X C=0.7X 10X 103X 47000X 10-12=3.29 X 10-4s，周期 T=6.58 X 10-4 +3.29 X 10-4s=9.87 X 10-4s4.4 555信號(hào)清零Vcc Ct555GND TL OUT RD數(shù)據(jù)顯示時(shí)間為 0.7 X( R1+R2 C=0.7X( 33X 103+330)X 47X 10-6=1.097s，放電時(shí) 間為 0.7 X R2X C=0.7X 330X 47 X 10-6=10.86ms,周期

15、T=1.1s。4.5 74LS00+5V8ft1H.1 23 4:5674LS0074LS00引腳圏衛(wèi)r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ABL=A&B0000101001114.6計(jì)數(shù)器電路計(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，同步預(yù)置 數(shù)計(jì)數(shù)過程從0001開始。Cl CP A B C D P GND74LS161管腳圖4卜1卜p 2a 2b 2c Qd 2d T_ 74LS161.C： A B C D CF睞隔隔昭A

16、實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路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；Q0- Q3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4.7 D /A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 DAC0832DAC0832是一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器。單電源供電，從+5V+15V均可正常

17、工作，基準(zhǔn)電壓 范圍為10V,電流建立時(shí)間為1卩s, CMO工藝，低功耗20mWDAC0832專換器芯片為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DAC083沖有兩級(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)I LE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數(shù)據(jù)的 變化而變化。使用時(shí)，

18、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。 124»5© |Do弄LELEAGNBBAC083J7 loUTl9 f RfB 7 13*14>cs i°4-<Tj wriwr.1_XTER 】7十°1_丁ILL再 Vref11 I Inun數(shù)據(jù)*/:器UP Vcc MVlDGNDCSWR：AGNDD,iDlDoVrefRewDGNDVer：1LEWRj天卜訃J S- 6 D D DD.-lounlol

19、''： J20正15XL16】5111211DAC0832DAC0832片D忍轉(zhuǎn)換器邏輯框圖和引腳排列的引腳功能說明如下：ILE:輸入寄存器允許，高電平有效。D曠D7: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,lout2 : 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模擬地NGND數(shù)字地。4.8 LM324比較器（反相輸入端）如（a）（b）Ll«324結(jié)構(gòu)圏及

20、管腳圖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)，或者說反饋電阻趨于無窮大 時(shí)，即開環(huán)狀態(tài)，理論上運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)為無窮大， 此時(shí)運(yùn)放

21、形成一個(gè)電壓比較器， 其輸出如不是咼電平（V+），就是低電平（V-或接地）。當(dāng)正輸入端電壓咼于負(fù)輸入 端電壓時(shí)，運(yùn)放輸出低電平。5 調(diào)試5.1模擬電壓產(chǎn)生電路的調(diào)試連接好電路，用數(shù)字電壓表測(cè)量電位器中間輸出電壓是否在02.5V內(nèi)在02.5V 內(nèi),則模擬電壓產(chǎn)生電路正常。5.2輸出電路的調(diào)試將Q7-Q0接邏輯電平輸入，當(dāng)邏輯電平為1時(shí)，發(fā)光二極管亮，則輸出電路正常。5.3信號(hào)發(fā)生器的調(diào)試先卸下除555芯片的其他芯片,在8端口接+5V電壓,1端口接地,3端口接上示波器,調(diào) 節(jié)示波器,觀察波形,是否為方波,其頻率是f=1/（Tph+Tpl）。如果不是,檢查電阻,電容, 線路,以及555元件。如果失真

22、，檢查接觸是否良好，是否有虛焊等。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)輸出的波形不為方波，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有一根導(dǎo)線不導(dǎo)電，導(dǎo)線的內(nèi)部中間 端了，更換導(dǎo)線后，測(cè)得輸出波形為方波，頻率f=1.471KHZ。5.4 555信號(hào)清零的調(diào)試 先卸下除555芯片的其他芯片,在8端口接+5V電壓,1端口接地,3端口接上示波器,調(diào) 節(jié)示波器,觀察波形,是否為矩形波。 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。5.5 74LS00的調(diào)試將9、10兩端分別接電平輸入，將8端接電平顯示。測(cè)試是否符合當(dāng)9端為低電平，1 0端為低電平時(shí)，輸出為低電平；9端為低電平，10端為高電平時(shí)，輸出為低電平；9 端為高電平，10端為低電平時(shí)，輸出為低電平；當(dāng) 9、10兩端均為高電平時(shí)，輸出為 咼電平。5.6 74161的調(diào)試先卸下除74LS161芯片的其他芯片,芯片Vcc接+5V電壓，GND端接地，兩個(gè)計(jì)數(shù)器的 ET,RD,LD,EP端接高電平，CP端接上單次脈沖，八個(gè)輸出端分別按順序接在八個(gè)電平顯 示上,按單次脈沖按鈕，觀察8位電平顯示的輸出是否為逐個(gè)增大的二進(jìn)制數(shù) ，達(dá)到同步 加計(jì)數(shù)器的功能。5.7 DAC0832 的調(diào)試先卸下除DAC0832芯片的其他芯片，芯片Vcc接+5V電壓，VREF接-5V電壓， WR、WR