計數式8位AD轉換器的設計與制作(Proteus仿真+設計文檔)

ID:464190 · 發表于 2019-1-13 11:49

課題：計數式8位AD轉換器的Proteus仿真設計與制作

1、設計目的

培養理論聯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。
學習較復雜的電子系統設計的一般方法，了解和掌握模擬、數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、標準和規范以及使用仿真軟件、實驗設備進行調試和數據處理等。
培養學生的創新能力。

2、設計指標及要求

電源±5V；
輸出數字量8位；
誤差1LSB；
定時開始轉換或手動控制開始；
有轉換結束標志；
輸入電壓直流電壓0~2.5V；
主要單元電路和元器件參數計算、選擇；
畫出總體電路圖；
安裝自己設計的電路，按照自己設計的電路，在仿真軟件上進行仿真搭建。搭建完畢后，應對照電路圖仔細檢查，看是否有錯接、漏接的現象；
調試電路；
電路性能指標測試；
提交格式上符合要求，內容完整的設計報告；

3、總體設計

圖 3-1
3.1總體組成及框圖圖3-1為計數式8位AD轉換器的總體框架圖，分別由輸入直流電壓電路、比較器電路、D/A轉換電路、計數脈沖產生電路、控制電路、二進制計數器電路、十進制計數器電路、譯碼顯示是電路八個部分組成。
3.2實現電路的組成圖及原理

圖3-2 總體原理圖
工作原理：計數式8位A/D轉換器先由555定時器構成的多諧振蕩器產生方波信號，產生的方波信號通過控制芯片74LS20構成的四輸入與非門，再把74LS20的輸出信號輸入到由兩片74161構成的計數器,由控制電路將信號發送方波出現一次上升沿,計數器由零開始向上計數74161的輸出信號經DAC0832數模轉換器后,數摸轉換器連續的將計數值轉換為電壓信號，輸出的信號經LM324構成的比較器與待轉換電壓進行比較,當輸入電壓大于數模輸出電壓時，計數器繼續計數，直到兩者相等的瞬間才停止計數，保存在計數器內的數即代表輸入電壓值。最后結果由Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0輸出。
3.3實現電路的功能及特點

輸入直流電壓：產生0到2.5伏的轉換電壓。

比較器電路：將輸出電壓同比較電壓進行比較以此判斷輸出的是高電平還是低電平。即轉換電壓Vx進入比較器的正端，DA轉換器轉換的模擬電壓量Vy則進入比較器的負端與Vx進行比較。若Vx比Vy高，則輸出高電平，反之輸出為低電平。

D/A轉換電路：將數字量轉化為模擬量，實驗中選用DAC0832，輸出為電流量，還需要轉換成模擬電壓量與轉換電壓Vx比較。

脈沖產生電路：使用555多諧振蕩器產生脈沖信號。

控制電路：電路選用74LS00，計數功能由比較器和脈沖共同決定，555多諧振蕩器輸出為上升沿時，實現加記數的功能。

計數電路：進行加記數，輸出的數字量進入DA轉換電路變為模擬電流量，可使用兩個74161完成八位計數。

輸出顯示電路：使用數碼管顯示。

3.3主要器件通用運放LM324、DA轉換器DAC0832、與非門74LS00

元件名稱	元件數量
10K電阻	6
1K電阻	2
10K電位器	2
33K電阻	9
發光二極管	8
C473電容	1
47u電容	1
集成塊LM324	1
集成塊555	2
集成塊74161	2
集成塊74LS00	1
8位D/A轉換器DAC0832	1
導線	若干

4、單元電路設計
4.1 模擬電壓產生電路

圖4-1
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0～2.5V。
4.2 電壓比較電路
比較兩個電壓值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。
LM324比較器：

圖4-2 電壓比較電路
LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如下圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖(a)所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。當去掉運放的反饋電阻時,或者說反饋電阻趨于無窮大時,即開環狀態,理論上運放的開環放大倍數為無窮大，此時運放形成一個電壓比較器，其輸出如不是高電平（V+），就是低電平（V-或接地）。當正輸入端電壓高于負輸入端電壓時，運放輸出低電平。
4.3 DA轉換電路
將數字量轉化為模擬量，可以選用DAC0832，輸出為電流量，需轉化成模擬電壓量才可以與待轉換電壓Vx比較。
D／A轉換器DAC0832

圖4-3 DA轉換電路
D/A轉換器的結構有很多種，分為電壓定標、電荷定標、電流定標等。不同結構的D/A轉換器在性能上是有差異的。單純采用一種定標方式，需要有很高的匹配精度，否則很難實現高精度轉換。我們采用集成塊DAC0832。DAC0832是一個8位D/A轉換器。單電源供電，從+5V～+15V均可正常工作，基準電壓范圍為10V，電流建立時間為1μs，CMOS工藝，低功耗20mW。DAC0832轉換器芯片為20引腳，雙列直插式封裝，能完成數字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉換。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1時，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當（WR1）由低電平變高時，控制信號成為低電平，數據被鎖存到輸入寄存器中，此時輸入寄存器的輸出端不再隨外部數據的變化而變化。使用時，數據輸入可以采用兩級鎖存(雙鎖存)形式，或單級鎖存(一級鎖存，一級直通)形式，或直接輸入(兩級直通)形式。3個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行數據鎖存控制。
DAC0832的引腳功能說明如下：
ILE：輸入寄存器允許，高電平有效。
D0～D7：數字信號輸入端。
CS：片選信號，低電平有效。
WR1：寫信號1，低電平有效。
XFER：傳送控制信號，低電平有效。
WR2：寫信號2，低電平有效。
Iout1,Iout2：DAC電流輸出端。
Rfb:反饋電阻，是集成在片內的外接運放的反饋電阻。
Vref:基準電壓（-10～+10）V。
Vcc:電源電壓(+5～+15)V。
AGND:模擬地。
NGND:數字地。
4.4 脈沖產生電路
產生一個頻率較高的方波信號CP，可選用555構成的多諧振蕩器。
555信號發生器:

圖4-4-1 信號發生器原理圖

圖4-4-2 脈沖產生電路
555定時器它是一種時基電路，它是一種應用極為廣泛的中規模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構成單穩、多諧和施密特觸發器。因而廣泛用于信號的產生、變換、控制與檢測。由于555內部的比較器靈敏度較高,而且采用差分電路方式,它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。信號發生器如圖所示，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。電路沒有穩態，僅存在兩個暫穩態，電路也不需要外加觸發信號，利用電源通過R1，R2向C充電，以及通過R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=0.1s
4.5 控制電路
可選電路為74LS20，控制計數電路的計數功能，由比較器的輸出結果和脈沖信號CP共同決定, 555構成的多諧振蕩器輸出上升沿時,加計數器開始計數.
圖3-13 74LS20真值表

A	B	C	Z
0	0	0	0
0	0	1	0
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	0
1	0	1	0
1	1	0	0
1	1	1	1

圖4-5 控制電路
2端接555的輸出端產生的方波，1端接與LM324比較器輸出的電壓，13端接復位開關，三個信號經74LS20構成的與門再輸出，輸出的信號再輸入控制電路。
4.6 計數電路
進行加記數，輸出的數字量進入DA轉換電路變為模擬電流量,為了完成八位計數,可使用兩個74161。

圖4-6 計數電路
74161由四個 JK 觸發器和一些控制門組成，其中 CP 是計數輸入脈沖，上升沿有效；Q0～Q3 是計數輸出端，A～D是輸入端。最高位是Q3；CO是進位信號輸出端；D0～D3 為預置數并行輸入端；CTT和CTP是工作狀態控制端。74161具有計數、預置、保持、清零等功能。
4.7 輸出電路
輸出八位分別為Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0,可以用數碼管顯示。

圖4-7 輸出電路
將Q7～Q0接兩個數碼顯示管，構成D7～D0的輸出電路。
5、調試將所有設備全部接入電路，接通電源，調動10k電位器的阻值以改變10K電位器輸出的電壓，八位輸出端口接電平顯示，看電平顯示是否隨其緩慢改變。按原理圖，接上所有元器件，接通電源。勻速調節電位器，從而改變輸出電壓。觀察共陰數碼管是否正常顯示，觀察是否計數。
5.1 原理設計圖

圖5-1 設計原理圖
5.2 結果分析表5-2 數據記錄

輸入電壓/V	輸出電壓（二進制）	輸出電壓（十進制）/V	誤差計算
0	00000000	0	0
1.72	11010100	1.67	2.9%
2.17	01011100	2.26	4.14%
2.66	01100010	2.73	2.6%
2.62	11100010	2.77	5.7%
3.55	11101010	3.40	4.2%
3.82	01100110	3.9	2.0%
4.5	00011110	4.68	4.0%
4.78	10111110	4.88	2.0%
5	11111111	5.01	0.2%

計算公式：
U=10÷2^8*D7+10÷2^7*D6+10÷2^6*D5+10÷2^5*D4+10÷2^4*D3+10÷2^3*D2+10÷2^2*D1+10÷2^1*D0
誤差計算：相對誤差 = | 測量值 - 真實值 |/真實值*100%
輸出電壓的值隨輸入電壓值的增大而增大，輸入電壓的值與輸出電壓的值幾乎相等，誤差小于1LSB。
六. 設計總結
通過此次課設掌握了多種芯片的工作原理，如DAC0832、LM324、555、74161、74LS20、NOT等。
電路設計仿真。電路仿真應考慮各個部分的功能，盡可能使電路簡單，方便連接。畫原理圖時，應標明各元器件的引腳及其他接口，方便連線。先前設計仿真圖時，通過設計框圖和網上資料查詢，仿真的不正確，一直仿真錯誤，最后經過多方改正設計成功。
要特別注意各個+5v、+10v和-10v接口，接地端口都確保都連接好。
本次課程設計，培養了我們綜合運用理論知識解決實際問題的能力，讓我們懂得了理論聯系實際的重要，為以后的學習和工作起到了促進作用。也鍛煉了我們的實踐動手能力，提高了自己學習的積極性。

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