课程设计AD转换器设计.docx
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课程设计AD转换器设计
电子信息工程《专业基础课程设计》研究报告
AD转换器设计
学生姓名:
王欢
学生学号:
XXX
指导教师:
赵肖宇
所在学院:
信息技术学院
专业班级:
电子信息工程1班
中国·大庆
2012年12月
1设计任务要求1
2方案设计与比较1
总体设计框图1
各框图的功能和可选电路及特点1
3单元电路设计2
模拟电压产生电路2
输出电路2
555信号发生器3
555信号清零4
74LS004
计数器电路5
D/A转换器DAC08325
LM324比较器7
4元件选择7
5整体电路8
6电路工作原理9
7困难问题及解决措施9
8总结与体会9
9致谢10
10参考文献11
1设计任务要求
电源
5V;
输出数字量8位;
误差1LSB;
带转换开始控制;
输入直流电压;
主要单元电路和元器件参数选择;
用绘图软件画出总体电路图;
应用仿真软件仿真;
2方案设计与比较
总体设计框图
上图为8位为计数式8位A/D转换器的总体设计框图。
该八位AD转换器由以下几部分组成:
1)模拟电压产生电路 2)电压比较电路3)DA转换电路4)脉冲产生电路5)控制电路6)计数电路7)输出电路
各框图的功能和可选电路及特点
1)模拟电压产生电路:
在电位器上产生0~的待转换电压。
2)电压比较电路:
比较两个电压值进行判断并输出高电平或低电平,待转换电压Vx进入比较器正端,而经DA转换器转换出的模拟电压量Vy则进入比较器负端与Vx比较。
若Vx>Vy,则比较器输出为高电平,反之为低电平。
3)DA转换电路:
将数字量转化为模拟量,可以选用DAC0832,输出为电流量,需转化成模拟电压量才可以与待转换电压Vx比较。
4)脉冲产生电路:
产生一个频率较高的方波信号CP,可选用555构成的多谐振荡器。
5)控制电路:
可选电路为74LS00,控制计数电路的计数功能,由比较器的输出结果和脉冲信号CP共同决定,555构成的多谐振荡器输出上升沿时,加计数器开始计数。
6)计数电路:
进行加记数,输出的数字量进入DA转换电路变为模拟电流量,为了完成八位计数,可使用两个74LS161。
7)输出电路:
输出八位分别为Q7,Q6,Q5,Q4,Q3,Q2,Q1,Q0,可以用发光二极管显示。
3单元电路设计
模拟电压产生电路
将1K电阻与1K电位器相连,电阻一段接+5V电压,电位器一端接地,电位器中间接输出,则可以得到输出电压在0~。
输出电路
将Q7~Q0分别接330Ω的电阻和发光二极管,构成D7~D0的输出电路。
555信号发生器
555定时器它是一种时基电路,它是一种应用极为广泛的中规模集成电路。
该电路使用灵活、方便,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。
因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
由于555内部的比较器灵敏度较高,而且采用差分电路方式,他的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。
由555定时器和外接元件RA,RB,C构成多谐振荡器,脚2与脚6直接相连。
电路没有稳态,仅存在两个暂稳态,电路也不需要外加触发信号,利用电源通过R1,R2向电容C充电,充电到两端电压为2/3的Vcc时,触发器复位,Vo为低电平,电容C473通过RB向放电端7端放电,当两端电压下降到1/3的Vcc时,触发器又被复位,Vo翻转为高电平。
电容C在(1/3)Vcc和(2/3)Vcc之间充电和放电,从而使信号发生器产生方波信号。
充电时间为×(R1+R2)C=×(10×103+10×103)×47000×10-12=×10-4s,放电时间为×R2×C=×10×103×47000×10-12=×10-4s,周期T=×10-4+×10-4s=×10-4s
555信号清零
数据显示时间为×(R1+R2)C=×(33×103+330)×47×10-6=,放电时间为×R2×C=×330×47×10-6=,周期T=。
74LS00
输入方波信号,10端接LM324的输出端产生的方波,9端接比较器输出的电压,8端为输出的信号接入计数器电路。
与逻辑真值表
A
B
L=A&B
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
计数器电路
控制电路是由两个74LS161计数器构成的,74LS161正常工作时由0000开始计数,现在外接了与非门,同步预置数计数过程从0001开始。
74LS161由四个JK触发器和一些控制门组成,其中CP是计数输入脉冲,上升沿有效;Q0~Q3是计数输出端,A~D是输入端。
最高位是Q3;CO是进位信号输出端;D0~D3为预置数并行输入端;CTT和CTP是工作状态控制端。
74LS161具有计数、预置、保持、清零等功能。
D/A转换器DAC0832
D/A转换器的结构有很多种,分为电压定标、电荷定标、电流定标等。
不同结构的D/A转换器在性能上是有差异的。
单纯采用一种定标方式,需要有很高的匹配精度,否则很难实现高精度转换。
我们采用集成块DAC0832。
DAC0832是一个8位D/A转换器。
单电源供电,从+5V~+15V均可正常工作,基准电压范围为10V,电流建立时间为1μs,CMOS工艺,低功耗20mW。
DAC0832转换器芯片为20引脚,双列直插式封装,能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。
在DAC0832中有两级锁存器,第一级锁存器称为输入寄存器,它的允许锁存信号为ILE,第二级锁存器称为DAC寄存器,它的锁存信号也称为通道控制信号(XFER),当ILE为高电平,片选信号(CS)和写信号(WR1)为低电平时,输入寄存器控制信号为1时,输入寄存器的输出随输入而变化。
此后,当(WR1)由低电平变高时,控制信号成为低电平,数据被锁存到输入寄存器中,此时输入寄存器的输出端不再随外部数据的变化而变化。
使用时,数据输入可以采用两级锁存(双锁存)形式,或单级锁存(一级锁存,一级直通)形式,或直接输入(两级直通)形式。
3个门电路组成寄存器输出控制逻辑电路,该逻辑电路的功能是进行数据锁存控制。
DAC0832的引脚功能说明如下:
ILE:
输入寄存器允许,高电平有效。
D0~D7:
数字信号输入端。
CS:
片选信号,低电平有效。
WR1:
写信号1,低电平有效。
XFER:
传送控制信号,低电平有效。
WR2:
写信号2,低电平有效。
Iout1,Iout2:
DAC电流输出端。
Rfb:
反馈电阻,是集成在片内的外接运放的反馈电阻。
Vref:
基准电压(-10~+10)V。
Vcc:
电源电压(+5~+15)V。
AGND:
模拟地。
NGND:
数字地。
LM324比较器
LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如下图所示。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。
每一组运算放大器可用图(a)所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时,即开环状态,理论上运放的开环放大倍数为无穷大,此时运放形成一个电压比较器,其输出如不是高电平(V+),就是低电平(V-或接地)。
当正输入端电压高于负输入端电压时,运放输出低电平。
4元件选择
元件名称
元件数量
10K电阻
2
1K电阻
1
1K电位器
1
33K电阻
9
发光二极管
8
C473电容
1
47u电容
1
集成块LM324
1
集成块555
2
集成块74LS161
2
集成块74LS00
1
8位D/A转换器DAC0832
1
20针插座
1
16针插座
2
14针插座
2
8针插座
2
通用板
1
5整体电路
计数式八位AD转换器设计原理图
6电路工作原理
计数式8位A/D转换器设计的思路是:
先由555定时器构成的多谐振荡器产生方波信号,输入由控制芯片74LS00构成的与非门,再把74LS00的输出信号输入到由两片74161构成的计数器,74161的输出信号经DAC0832数模转换器后,输出的信号经LM324构成的比较器与待转换电压进行比较,最后结果由Q7,Q6,Q5,Q4,Q3,Q2,Q1,Q0输出。
7困难问题及解决措施
在此次设计中我们遇到了不少的问题,但是经过我们的不懈努力,查找资料,最终都找到了解决的办法。
1.如何选择高速模数转换之前的信号调理器件;如何解决多路模数转换的同步题目
ADC之前的信号调理,最根本的原则就是信号调理引起的噪声和误差要在ADC的1个LSB之内。
根据这个目的,可以需要选择指标合适的运放。
至于多路ADC同步的题目,一般在高速ADC的数据手册中都会有一章来先容多片同步题目,你可以看一下里面的先容。
2.在挑选ADC时如何确定内部噪声这个参数
一般ADC都有信噪比SNR或者信纳比SINAD这个参数,SINAD=*有效位数+,您可以根据专业这个公式来确定您选择的ADC能否符合您的要求.
3.如何对流水线结构ADC进行校准需要校准哪些参数
一般来讲,ADC的offset和gainerror会比较轻易校准。
只要外接0V和fullscale进行采样,然后得到校准系数。
另外,假如需要作温度补偿的话,一般需要加一个温度传感器,然后利用查表的方式来补偿。
4.对ADC和DAC四周的布线有哪些建议
ADC和DAC属于模拟数字混合型器件,在布局布线时最重要的是要留意地分割,即模拟地和数字地的处理题目。
对于高采样率的器件,建议使用一块地。
而低采样率的器件,建议模拟数字地分开,最后在芯片下方连接在一起。
8总结与体会
此次课程设计虽然只有短短三周,但是,在这三周我学到的东西比一年的收获还要大。
通过此次AD转化器的设计,我们掌握了计数式8位A/D转换器的设计原理,了解了555定时器、74LS00、74161、DAC0832及LM324等元器件的使用。
使我更加扎实的掌握了有关数字电子技术、单片机方面的知识,在设计过程中虽然遇到了一些问题,但经过一次又一次的思考,一遍又一遍的检查终于找出了原因所在,也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
通过这次课程设计,加强了我们动手、思考和解决问题的能力。
在整个设计过程中,我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和pcb连接图,和芯片上的选择。
我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强,由于课本上的知识太多,平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能,而且考试内容有限,所以在这次课程设计过程中,我们了解了很多元件的功能,并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
在制作pcb时,发现细心耐心,恒心一定要有才能做好事情,首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单,兼顾到方方面面去考虑是很需要的,否则只是一纸空话。
在画好原理图后的做pcb版时,由于项目组成员对单面板的不熟悉,导致布线后元件出现在另一边,增加了布线难度,也产生很多不曾注意的问题,今后要牢记这个教训,使以后布线更加顺利。
平时看课本时,有时问题老是弄不懂,做完课程设计,那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西。
比如一些芯片的功能,平时看课本,这次看了,下次就忘了,通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。
认识来源于实践,实践是认识的动力和最终目的,实践是检验真理的唯一标准。
所以这个课程设计对我们的作用是非常大的。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,这毕竟第一次做的,难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。
此次课程设计,学到了很多课内学不到的东西,比如独立思考解决问题,出现差错的随机应变,和与人合作共同提高,都受益非浅,今后的制作应该更轻松,自己也都能扛的起并高质量的完成项目。
对我们而言,知识上的收获重要,精神上的丰收更加可喜。
挫折是一份财富,经历是一份拥有。
这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆!
9致谢
这次课程设计终于顺利完成了,在设计中遇到了各种各样的困难,在老师的辛勤指导下,在同学们的帮助下,终于得以解决。
没有他们的帮助,我是难以完成这次设计。
因此,在这里,我要首先感谢信息院电子系给了我这次独立动手的机会,使我不断的完善自己;再次,我要感谢我的指导老师,是她在百忙之中抽出时间指导我完成这次设计;最后,我要感谢在这三周中给过我帮助的所有同学,是他们的鼓励和支持才使我坚持了下来,取得了最后的胜利。
10参考文献
[1]李朝青.单片机原理及接口技术(修订版).北京:
北京航空航天大学出版社,1998
[2]李广弟.单片机基础.北京:
北京航空航天大学出版社,1992
[3]何立民.单片机应用技术大全.北京:
北京航空航天大学出版社,1994
[4]张毅刚.单片机原理及接口技术.哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,1990
[5]谭浩强.单片机课程设计.北京:
清华大学出版社,1989
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