计数式8位AD转换器的设计与制作解读.docx
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计数式8位AD转换器的设计与制作解读
《数字电子技术》课程设计报告
课题：
计数式8位A/D转换器的设计与制作
班级 学号
学生姓名
专业
系别
指导教师 电子技术课程设计指导小组
淮阴工学院
电子信息工程系
年月
计数式8位A/D转换器的设计与制作
1、设计目的：
1） 培养学生的创新能力。
2）培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。
3）学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。
4）进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。
2、设计要求：
2.1 电源±5V；
2.2 输出数字量8位；
2.3 误差1LSB；
2.4 带转换开始控制；
2.5 输入电压直流电压0～2.5V；
2.6 主要单元电路和元器件参数计算、选择；
2.7 画出总体电路图；
2.8 安装自己设计的电路，按照自己设计的电路，在通用板上焊接。
焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象；
2.9 调试电路；
2.10 电路性能指标测试；
2.11 提交格式上符合要求，内容完整的设计报告；
3、总体设计
3.1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
3.2电路组成图及工作原理
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。
3.3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0～2.5V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。
3.4电路制作所需的工具
工具名称
工具数量
电烙铁
1
万用表
1
剪刀
1
镊子
1
钳子
1
3.5元器件列表
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
焊锡丝
若干
导线
若干
4、单元电路设计
4.1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0～2.5V。
4.2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。
4.3555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。
555定时器管脚图
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0.7×（R1+R2）C=0.7×（10×103+10×103）×47000×10-12=6.58×10-4s，放电时间为0.7×R2×C=0.7×10×103×47000×10-12=3.29×10-4s，周期T=6.58×10-4+3.29×10-4s=9.87×10-4s
4.4555信号清零
数据显示时间为0.7×（R1+R2）C=0.7×（33×103+330）×47×10-6=1.097s，放电时间为0.7×R2×C=0.7×330×47×10-6=10.86ms，周期T=1.1s。
4.574LS00
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
4.6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。
4.7D／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。
4.8LM324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。
5、调试
5.1模拟电压产生电路的调试
连接好电路，用数字电压表测量电位器中间输出电压是否在0～2.5V内在0～2.5V内，则模拟电压产生电路正常。
5.2输出电路的调试
将Q7～Q0接逻辑电平输入，当逻辑电平为1时，发光二极管亮，则输出电路正常。
5.3信号发生器的调试
先卸下除555芯片的其他芯片,在8端口接+5V电压,1端口接地,3端口接上示波器,调节示波器,观察波形,是否为方波,其频率是f=1/（Tph+Tpl）。
如果不是,检查电阻,电容,线路,以及555元件。
如果失真，检查接触是否良好,是否有虚焊等。
在测试中发现输出的波形不为方波，经检查发现有一根导线不导电，导线的内部中间端了，更换导线后，测得输出波形为方波，频率f=1.471KHZ。
5.4555信号清零的调试
先卸下除555芯片的其他芯片,在8端口接+5V电压,1端口接地,3端口接上示波器,调节示波器,观察波形,是否为矩形波。
如果不是,检查电阻,电容,线路,以及555元件。
如果失真，检查接触是否良好,是否有虚焊等。
5.574LS00的调试
将9、10两端分别接电平输入，将8端接电平显示。
测试是否符合当9端为低电平，10端为低电平时，输出为高电平；9端为低电平，10端为高电平时，输出为低电平；9端为高电平，10端为低电平时，输出为低电平；当9、10两端均为高电平时，输出为低电平。
5.674LS161的调试
先卸下除74LS161芯片的其他芯片,芯片Vcc接+5V电压，GND端接地，两个计数器的ET,RD,LD,EP端接高电平,CP端接上单次脉冲,八个输出端分别按顺序接在八个电平显示上,按单次脉冲按钮,观察8位电平显示的输出是否为逐个增大的二进制数,达到同步加计数器的功能。
5.7DAC0832的调试
先卸下除DAC0832芯片的其他芯片，芯片Vcc接+5V电压，VREF接-5V电压，WR1、WR2、XFER、CS、Iout2、AGND、GND端接地，八个输入端接电平输入，用万用表测量观察输出端的电压变化情况，黑表笔接地，红表笔接Rfb,依次打开逻辑开关，看万用表示数是不是逐渐增大，如电压随输入电平二进制数的增大而增大，则DAC0832芯片调试成功。
5.8LM324的调试
将LM324与已调好的DAC0832相连，DAC0832的Vcc接+5V电压，VREF接-5V电压，WR1、WR2、XFER、CS、Iout2、AGND、GND端接地，八个输入端接电平输入，用万用表测LM324输出端14端的电压，如随电平二进制数增大而增大，则LM324调试成功。
6、电路测试及测试结果
先检查线路是否短路，断路，是否有虚焊。
按原理图，接上所有元器件，接通电源。
匀速调节电位器，从而改变输出电压。
观察发光二极管是否随其缓慢改变。
记录显示数据，统计数据。
数据记录
输入电压/V
输出电压（二进制）
输出电压（十进制）/V
0.14
00000110
0.117
0.93
00110001
0.9555
1.01
00110011
0.9945
1.04
00110101
1.0335
1.16
00111011
1.1505
1.40
01000111
1.3845
1.67
01010101
1.6575
2.23
01110101
2.2815
2.45
01111101
2.4375
输出电压的值随输入电压值的增大而增大，输入电压的值与输出电压的值几乎相等，误差小于1LSB。
7、设计总结
通过本次课程设计，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。
调试时，应先单个调试，最好是焊好一个调一个，以免整体调试会烧坏元器件。
应注意输入输出关系，测试实验值与理论计算值是否一致。
最后再整体调试焊接时，把各集成块从插座上拔下，以免电烙铁加热时将集成块烧坏，要保证各接口都接触稳定。
应注意焊脚之间保持适当间距，避免短路，焊好接点后，要用万用表欧姆档测试端口之间是否虚焊，在焊电容时，电烙铁头不宜电容针脚上加热太长时间，这样电容易损坏。
本次课程设计，培养了我们综合运用理论知识解决实际问题的能力，让我们懂得了理论联系实际的重要，为以后的学习和工作起到了促进作用。
也锻炼了我们的实践动手能力，提高了自己学习的积极性。
8、参考文献
康华光，电子技术基础数字部分，北京：
高等教育出版社，2000
何希才，常用集成电路简明速查手册，北京：
国防工业出版社，2006
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