計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)電課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書與proteus仿真原理圖

課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書

目錄

和《電路分析》后，進(jìn)行一次實(shí)際動(dòng)手設(shè)計(jì)訓(xùn)練。培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的正確設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過(guò)的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)去分析和解決工程實(shí)際問(wèn)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(jìn)一步學(xué)會(huì)使用其進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法，提高基于模擬、數(shù)字電路等知識(shí)解決電子信息方面常見實(shí)際問(wèn)題的能力，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)、自行制作和自行調(diào)試。

3)進(jìn)行基本技能訓(xùn)練，如基本儀器儀表的使用，常用元器件的識(shí)別、測(cè)量、熟練運(yùn)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(shè)計(jì)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以及使用仿真軟件、實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和數(shù)據(jù)處理等， 并按要求編寫相關(guān)的設(shè)計(jì)說(shuō)明書、技術(shù)文檔和總結(jié)報(bào)告等。

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

5)培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和實(shí)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(jì)算、選擇；

6) 畫出總體電路圖；

7) 安裝自己設(shè)計(jì)的電路，按照自己設(shè)計(jì)的電路，在通用板上焊接；

8) 焊接完畢后,應(yīng)對(duì)照電路圖仔細(xì)檢查，看是否有錯(cuò)接、漏接、虛焊的現(xiàn)象；

9) 調(diào)試電路；

10) 電路性能指標(biāo)測(cè)試；

11）提交格式上符合要求，內(nèi)容完整的設(shè)計(jì)報(bào)告。

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

    設(shè)計(jì)原理：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74HC11構(gòu)成的三輸入與門，再把74HC11的輸出信號(hào)輸入到由兩片74HC161構(gòu)成的計(jì)數(shù)器,74HC161的輸出信號(hào)經(jīng)DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器后,輸出的信號(hào)經(jīng)LM324構(gòu)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，Q3，Q2，Q1，Q0輸出。

    設(shè)計(jì)電路特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快、電路設(shè)計(jì)與連接簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜。

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

圖3-1 計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器框圖

圖3-2 總體設(shè)計(jì)框圖

上圖為計(jì)數(shù)式8位A/D轉(zhuǎn)換器的總體設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)電路 7）輸出電路。

    工作原理：計(jì)數(shù)式8位A/D轉(zhuǎn)換器先由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波信號(hào)，產(chǎn)生的方波信號(hào)通過(guò)控制芯片74HC11構(gòu)成的三輸入與門，再把74HC11的輸出信號(hào)輸入到由兩片74HC161構(gòu)成的計(jì)數(shù)器,由控制電路將信號(hào)發(fā)送方波出現(xiàn)一次上升沿,計(jì)數(shù)器由零開始向上計(jì)數(shù)74HC161的輸出信號(hào)經(jīng)DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器后,數(shù)摸轉(zhuǎn)換器連續(xù)的將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出的信號(hào)經(jīng)LM324構(gòu)成的比較器與待轉(zhuǎn)換電壓進(jìn)行比較,當(dāng)輸入電壓大于數(shù)模輸出電壓時(shí)，計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)，直到兩者相等的瞬間才停止計(jì)數(shù)，保存在計(jì)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(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。

LM324比較器：

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(lái)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(shuō)反饋電阻趨于無(wú)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(wú)窮大，此時(shí)運(yùn)放形成一個(gè)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(dāng)正輸入端電壓高于負(fù)輸入端電壓時(shí)，運(yùn)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(shí)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(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DAC0832。DAC0832是一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器。單電源供電，從+5V～+15V均可正常工作，基準(zhǔn)電壓范圍為10V，電流建立時(shí)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(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)ILE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)，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。

DAC0832的引腳功能說(shuō)明如下：

ILE：輸入寄存器允許，高電平有效。

D0～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,Iout2：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。

3.3.4 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。

555信號(hào)發(fā)生器

   圖3-8 555實(shí)物圖

         圖3-9 555波形圖

圖3-10 信號(hào)發(fā)生器原理圖

    圖3-11 脈沖產(chǎn)生電路

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,它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。信號(hào)發(fā)生器如圖所示，它是555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，VCC通過(guò)電阻R1、R2向電容C充電，腳2與腳6直接相連。電路沒(méi)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(guò)R1，R2向C充電，以及通過(guò)R向放電端7端放電，使電路產(chǎn)生振蕩。廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測(cè)。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(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)。

  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(shí)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(fù)位開關(guān)，三個(gè)信號(hào)經(jīng)74HC11構(gòu)成的與門再輸出，輸出的信號(hào)再輸入控制電路。

3.3.6 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�擬電流量,為了完成八位計(jì)數(shù),可使用兩個(gè)74LS161。

圖3-16 計(jì)數(shù)電路

圖3-17 74HC161引腳圖

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，A～D是輸入端。最高位是Q3；CO是進(jìn)位信號(hào)輸出端；D0～D3 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(jìn)制代碼，其中一位二進(jìn)制代碼是由一個(gè)D觸發(fā)器來(lái)存儲(chǔ)的。

     

  圖3-19 74HC574實(shí)物圖                          圖3-20 74HC574引腳圖

將所有設(shè)備全部接入電路，接通電源，調(diào)動(dòng)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(wàn)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(jì)數(shù)。

圖3-21 設(shè)計(jì)原理圖

圖3-22 實(shí)物圖

表4-1 數(shù)據(jù)記錄

計(jì)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(jì)算：相對(duì)誤差 = | 測(cè)量值 - 真實(shí)值 |/真實(shí)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(guò)此次課設(shè)掌握了多種芯片的工作原理，如ADC0832、74HCII、LM324、555、74HC161、74HC574等。

2）電路設(shè)計(jì)仿真。電路仿真應(yīng)考慮各個(gè)部分的功能，盡可能使電路簡(jiǎn)單，方便電路的焊接。畫原理圖時(shí)，應(yīng)標(biāo)明各元器件的引腳及其他接口，方便焊接。先前設(shè)計(jì)仿真圖時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)框圖和網(wǎng)上資料查詢，仿真的不正確，一直仿真錯(cuò)誤，最后經(jīng)過(guò)多方改正設(shè)計(jì)成功。

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

4）焊接。焊接時(shí)把各集成塊從插座上拔下，以免電烙鐵加熱時(shí)將集成塊燒壞，要保證各接口都接觸穩(wěn)定。應(yīng)注意焊腳之間保持適當(dāng)間距，避免短路，焊好接點(diǎn)后，要用萬(wàn)用表歐姆檔測(cè)試端口之間是否虛焊，焊一條線需用萬(wàn)用表檢查其是否斷路。在焊電容時(shí)，電烙鐵頭不宜電容針腳上加熱太長(zhǎng)時(shí)間，這樣電容易損壞。焊接容易焊錯(cuò)，第一個(gè)板子不小心把555的一個(gè)焊盤焊掉了，導(dǎo)致555一直沒(méi)有波形。第二個(gè)板子也是555的問(wèn)題，焊錫弄得太多，弄到接地端上，導(dǎo)致短路，555也不出波形，經(jīng)過(guò)多次查看和同學(xué)的幫助下才找到錯(cuò)誤。改正之后出方波。  

5）本次課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了我們綜合運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，讓我們懂得了理論聯(lián)系實(shí)際的重要，為以后的學(xué)習(xí)和工作起到了促進(jìn)作用。也鍛煉了我們的實(shí)踐動(dòng)手能力，提高了自己學(xué)習(xí)的積極性。

這次課程設(shè)計(jì)是繼收音機(jī)制作之后關(guān)于專業(yè)的實(shí)物制作，考了多方面的知識(shí)，數(shù)電知識(shí)、電路知識(shí)、焊接知識(shí)。從開始的選題、查資料到之后的設(shè)計(jì)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(shí)好時(shí)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。