計(jì)數(shù)式8位AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與制作(Proteus仿真+設(shè)計(jì)文檔)

ID:464190 · 發(fā)表于 2019-1-13 11:49

課題：計(jì)數(shù)式8位AD轉(zhuǎn)換器的Proteus仿真設(shè)計(jì)與制作

1、設(shè)計(jì)目的

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)際問題的能力。
學(xué)習(xí)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法，了解和掌握模擬、數(shù)字電路等知識(shí)解決電子信息方面常見實(shí)際問題的能力，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)、自行制作和自行調(diào)試。
進(jìn)行基本技術(shù)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，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。
培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2、設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求

電源±5V；
輸出數(shù)字量8位；
誤差1LSB；
定時(shí)開始轉(zhuǎn)換或手動(dòng)控制開始；
有轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志；
輸入電壓直流電壓0~2.5V；
主要單元電路和元器件參數(shù)計(jì)算、選擇；
畫出總體電路圖；
安裝自己設(shè)計(jì)的電路，按照自己設(shè)計(jì)的電路，在仿真軟件上進(jìn)行仿真搭建。搭建完畢后，應(yīng)對(duì)照電路圖仔細(xì)檢查，看是否有錯(cuò)接、漏接的現(xiàn)象；
調(diào)試電路；
電路性能指標(biāo)測(cè)試；
提交格式上符合要求，內(nèi)容完整的設(shè)計(jì)報(bào)告；

3、總體設(shè)計(jì)

圖 3-1
3.1總體組成及框圖圖3-1為計(jì)數(shù)式8位AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路、計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生電路、控制電路、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路、譯碼顯示是電路八個(gè)部分組成。
3.2實(shí)現(xiàn)電路的組成圖及原理

圖3-2 總體原理圖
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)通過控制芯片74LS20構(gòu)成的四輸入與非門，再把74LS20的輸出信號(hào)輸入到由兩片74161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)74161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實(shí)現(xiàn)電路的功能及特點(diǎn)

輸入直流電壓：產(chǎn)生0到2.5伏的轉(zhuǎn)換電壓。

比較器電路：將輸出電壓同比較電壓進(jìn)行比較以此判斷輸出的是高電平還是低電平。即轉(zhuǎn)換電壓Vx進(jìn)入比較器的正端，DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的模擬電壓量Vy則進(jìn)入比較器的負(fù)端與Vx進(jìn)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(zhuǎn)換電路：將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，實(shí)驗(yàn)中選用DAC0832，輸出為電流量，還需要轉(zhuǎn)換成模擬電壓量與轉(zhuǎn)換電壓Vx比較。

脈沖產(chǎn)生電路：使用555多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào)。

控制電路：電路選用74LS00，計(jì)數(shù)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(shí)，實(shí)現(xiàn)加記數(shù)的功能。

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，可使用兩個(gè)74161完成八位計(jì)數(shù)。

輸出顯示電路：使用數(shù)碼管顯示。

3.3主要器件通用運(yùn)放LM324、DA轉(zhuǎn)換器DAC0832、與非門74LS00

元件名稱	元件數(shù)量
10K電阻	6
1K電阻	2
10K電位器	2
33K電阻	9
發(fā)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(zhuǎn)換器DAC0832	1
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

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(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：

圖4-2 電壓比較電路
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。
4.3 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4-3 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。
4.4 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4-4-1 信號(hào)發(fā)生器原理圖

圖4-4-2 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(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(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
4.5 控制電路
可選電路為74LS20，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3-13 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(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)74LS20構(gòu)成的與門再輸出，輸出的信號(hào)再輸入控制電路。
4.6 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)74161。

圖4-6 計(jì)數(shù)電路
74161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。74161具有計(jì)數(shù)、預(yù)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(shù)碼管顯示。

圖4-7 輸出電路
將Q7～Q0接兩個(gè)數(shù)碼顯示管，構(gòu)成D7～D0的輸出電路。
5、調(diào)試將所有設(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。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。觀察共陰數(shù)碼管是否正常顯示，觀察是否計(jì)數(shù)。
5.1 原理設(shè)計(jì)圖

圖5-1 設(shè)計(jì)原理圖
5.2 結(jié)果分析表5-2 數(shù)據(jù)記錄

輸入電壓/V	輸出電壓（二進(jìn)制）	輸出電壓（十進(jìn)制）/V	誤差計(jì)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(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。
六. 設(shè)計(jì)總結(jié)
通過此次課設(shè)掌握了多種芯片的工作原理，如DAC0832、LM324、555、74161、74LS20、NOT等。
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，方便連接。畫原理圖時(shí)，應(yīng)標(biāo)明各元器件的引腳及其他接口，方便連線。先前設(shè)計(jì)仿真圖時(shí)，通過設(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)過多方改正設(shè)計(jì)成功。
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。
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。

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