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：20094075XXX

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

目录

1 设计任务要求 (1)

2 方案设计与比较 (1)

2.1 总体设计框图 (1)

2.2 各框图的功能和可选电路及特点 (1)

3 单元电路设计 (2)

3.1 模拟电压产生电路 (2)

3.2 输出电路 (2)

3.3 555信号发生器 (3)

3.4 555信号清零 (4)

3.5 74LS00 (4)

3.6 计数器电路 (5)

3.7 D／A转换器DAC0832 (5)

3.8 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0-2.5V；

?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

2.1 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

2.2 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 单元电路设计

3.1 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。

3.2 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。

3.3 555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

3.4 555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。

3.5 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

3.6 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。

3.7 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。

3.8 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L SB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=6.02*有效位数+1.76,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gain error会比较轻易校准。只要外接0V和full scale 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