計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)電課程設計說明書與proteus仿真原理圖

課程設計說明書

目錄

和《電路分析》后，進行一次實際動手設計訓練。培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的正確設計思想，訓練綜合運用已經(jīng)學過的理論和生產(chǎn)實際知識去分析和解決工程實際問題的能力。

2)熟悉幾種常用集成數(shù)字芯片，并掌握其工作原理，進一步學會使用其進行電路設計。學習較復雜的電子系統(tǒng)設計的一般方法，提高基于模擬、數(shù)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(diào)試。

3)進行基本技能訓練，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；初步掌握數(shù)字電子線路安裝、布線、焊接、調(diào)試等基本技能；掌握組裝、調(diào)試方法；掌握設計資料、手冊、標準和規(guī)范以及使用仿真軟件、實驗設備進行調(diào)試和數(shù)據(jù)處理等， 并按要求編寫相關(guān)的設計說明書、技術(shù)文檔和總結(jié)報告等。

4)培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，鍛煉主動思考的思維方式。

5)培養(yǎng)認真嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L和實事求是的工作態(tài)度。

3) 帶轉(zhuǎn)換開始控制；

4) 輸入電壓直流電壓0～5V；

5) 主要單元電路和元器件參數(shù)計算、選擇；

6) 畫出總體電路圖；

7) 安裝自己設計的電路，按照自己設計的電路，在通用板上焊接；

8) 焊接完畢后,應對照電路圖仔細檢查，看是否有錯接、漏接、虛焊的現(xiàn)象；

9) 調(diào)試電路；

10) 電路性能指標測試；

11）提交格式上符合要求，內(nèi)容完整的設計報告。

將數(shù)字信號通過DAC0832轉(zhuǎn)換成模擬信號，與所給出的電平進行比較，并將比較的結(jié)果通過二極管間接表示出來。

    設計原理：先由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波信號，輸入由控制芯片74HC11構(gòu)成的三輸入與門，再把74HC11的輸出信號輸入到由兩片74HC161構(gòu)成的計數(shù)器,74HC161的輸出信號經(jīng)DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器后,輸出的信號經(jīng)LM324構(gòu)成的比較器與待轉(zhuǎn)換電壓進行比較,最后結(jié)果由Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0輸出。

    設計電路特點：轉(zhuǎn)換速度快、電路設計與連接簡單、價格便宜。

   將數(shù)字信號通過DAC0832轉(zhuǎn)換成模擬信號，與所給出的電平進行比較，并將比較的結(jié)果通過二極管間接表示出來。

圖3-1 計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器框圖

圖3-2 總體設計框圖

上圖為計數(shù)式8位A/D轉(zhuǎn)換器的總體設計框圖。該八位AD轉(zhuǎn)換器由以下幾部分組成：1）模擬電壓產(chǎn)生電路  2）電壓比較電路 3） DA轉(zhuǎn)換電路 4）脈沖產(chǎn)生電路 5）控制電路 6）計數(shù)電路 7）輸出電路。

    工作原理：計數(shù)式8位A/D轉(zhuǎn)換器先由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波信號，產(chǎn)生的方波信號通過控制芯片74HC11構(gòu)成的三輸入與門，再把74HC11的輸出信號輸入到由兩片74HC161構(gòu)成的計數(shù)器,由控制電路將信號發(fā)送方波出現(xiàn)一次上升沿,計數(shù)器由零開始向上計數(shù)74HC161的輸出信號經(jīng)DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器后,數(shù)摸轉(zhuǎn)換器連續(xù)的將計數(shù)值轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出的信號經(jīng)LM324構(gòu)成的比較器與待轉(zhuǎn)換電壓進行比較,當輸入電壓大于數(shù)模輸出電壓時，計數(shù)器繼續(xù)計數(shù)，直到兩者相等的瞬間才停止計數(shù)，保存在計數(shù)器內(nèi)的數(shù)即代表輸入電壓值。最后結(jié)果由Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0輸出。

3.3.1 模擬電壓產(chǎn)生電路：在電位器上產(chǎn)生0～5V的待轉(zhuǎn)換電壓。

   將10K電阻與10K電位器相連，電阻一段接+10V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0～5V。

3.3.2 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(zhuǎn)換電壓VX進入比較器正端，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：

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(nèi)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(huán)狀態(tài),理論上運放的開環(huán)放大倍數(shù)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。

3.3.3  DA轉(zhuǎn)換電路：將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，可以選用DAC0832，輸出為電流量，需轉(zhuǎn)化成模擬電壓量才可以與待轉(zhuǎn)換電壓Vx比較。

D／A轉(zhuǎn)換器DAC0832

圖3-6 DACO832實物圖

圖3-7 DA轉(zhuǎn)換電路

    D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)有很多種，分為電壓定標、電荷定標、電流定標等。不同結(jié)構(gòu)的D/A轉(zhuǎn)換器在性能上是有差異的。單純采用一種定標方式，需要有很高的匹配精度，否則很難實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換。我們采用集成塊DAC0832。DAC0832是一個8位D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的變化而變化。使用時，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)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(nèi)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(shù)字地。

3.3.4 脈沖產(chǎn)生電路： 產(chǎn)生一個頻率較高的方波信號CP，可選用555構(gòu)成的多諧振蕩器。

555信號發(fā)生器

   圖3-8 555實物圖

         圖3-9 555波形圖

圖3-10 信號發(fā)生器原理圖

    圖3-11 脈沖產(chǎn)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(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。因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。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,它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。信號發(fā)生器如圖所示，它是555定時器構(gòu)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(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路也不需要外加觸發(fā)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(chǎn)生振蕩。廣泛用于信號的產(chǎn)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

3.3.5 控制電路：可選電路為74LHC11，控制計數(shù)電路的計數(shù)功能，由比較器的輸出結(jié)果和脈沖信號CP共同決定, 555構(gòu)成的多諧振蕩器輸出上升沿時,加計數(shù)器開始計數(shù)。

  圖3-12 74HC11引腳圖

圖3-13 74HC11真值表

   圖3-14 控制電路圖3-15 74HC11實物圖

    2端接555的輸出端產(chǎn)生的方波，1端接與LM324比較器輸出的電壓，13端接復位開關(guān)，三個信號經(jīng)74HC11構(gòu)成的與門再輸出，輸出的信號再輸入控制電路。

3.3.6 計數(shù)電路：進行加記數(shù)，輸出的數(shù)字量進入DA轉(zhuǎn)換電路變?yōu)槟�擬電流量,為了完成八位計數(shù),可使用兩個74LS161。

圖3-16 計數(shù)電路

圖3-17 74HC161引腳圖

74LS161由四個 JK 觸發(fā)器和一些控制門組成，其中 CP 是計數(shù)輸入脈沖，上升沿有效；Q0～Q3 是計數(shù)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(shù)并行輸入端；CTT和CTP是工作狀態(tài)控制端。74LS161具有計數(shù)、預置、保持、清零等功能。

3.3.7 輸出電路：輸出八位分別為Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0,可以用發(fā)光二極管顯示。

                 

圖3-18 輸出電路

將Q7～Q0分別接330Ω的電阻和發(fā)光二極管，構(gòu)成D7～D0的輸出電路。

74HC574寄存器

寄存器由74HC574構(gòu)成，其引腳圖如圖，它可以存放8位二進制代碼，其中一位二進制代碼是由一個D觸發(fā)器來存儲的。

     

  圖3-19 74HC574實物圖                          圖3-20 74HC574引腳圖

將所有設備全部接入電路，接通電源，調(diào)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。用萬用表檢查線路是否短路、斷路或者虛焊。按原理圖，接上所有元器件，接通電源。勻速調(diào)節(jié)電位器，從而改變輸出電壓。觀察三位共陰數(shù)碼管是否正常顯示，觀察是否計數(shù)。

圖3-21 設計原理圖

圖3-22 實物圖

表4-1 數(shù)據(jù)記錄

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。

表5-1 元器件清單

表5-2 元器件所需工具

1）通過此次課設掌握了多種芯片的工作原理，如ADC0832、74HCII、LM324、555、74HC161、74HC574等。

2）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，方便電路的焊接。畫原理圖時，應標明各元器件的引腳及其他接口，方便焊接。先前設計仿真圖時，通過設計框圖和網(wǎng)上資料查詢，仿真的不正確，一直仿真錯誤，最后經(jīng)過多方改正設計成功。

3）要特別注意各個+5v、+10v和-10v接口，接地端口都確保都連接好，用萬用表測量就可以。電路板的兩個外圈是聯(lián)通的可以分別做電源和接地端。

4）焊接。焊接時把各集成塊從插座上拔下，以免電烙鐵加熱時將集成塊燒壞，要保證各接口都接觸穩(wěn)定。應注意焊腳之間保持適當間距，避免短路，焊好接點后，要用萬用表歐姆檔測試端口之間是否虛焊，焊一條線需用萬用表檢查其是否斷路。在焊電容時，電烙鐵頭不宜電容針腳上加熱太長時間，這樣電容易損壞。焊接容易焊錯，第一個板子不小心把555的一個焊盤焊掉了，導致555一直沒有波形。第二個板子也是555的問題，焊錫弄得太多，弄到接地端上，導致短路，555也不出波形，經(jīng)過多次查看和同學的幫助下才找到錯誤。改正之后出方波。  

5）本次課程設計，培養(yǎng)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(lián)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。

這次課程設計是繼收音機制作之后關(guān)于專業(yè)的實物制作，考了多方面的知識，數(shù)電知識、電路知識、焊接知識。從開始的選題、查資料到之后的設計仿真，焊接。我覺得很遺憾的事情是我所焊的板子不夠美觀，開始二極管胡亂跳變，時好時壞，數(shù)據(jù)顯示不正確。最后親手做成功之后是一件非常有成就感的事情。