计数式8位AD转换器的设计与制作(淮阴工学院)

《电子技术》课程设计报告

班级学号

学生姓名请叫我雷锋

专业电气工程及其自动化

系别电气信息类

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

2014年6月

一、设计目的

a)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。

b)学习较复杂的电子系统设计的一般方法，提高基于模拟、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。

c)进行基本技能训练，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。

d)培养学生的创新能力。

二、设计要求

1.电源±5V；

2.输出数字量8位；

3.误差1LSB；

4.定时开始转换或手动控制开始；

5.有转换结束标志；

6.输入电压直流电压0～2.5V；

7.主要单元电路和元器件参数计算、选择；

8.画出总体电路图；

9.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；

10.调试电路；

11.电路性能指标测试；

12.提交格式上符合要求，内容完整的设计报告。

三、总体设计

1.总体设计框图

为计数式8位AD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）输入给定电压（2）比较电路（3）D/A转换电路（4）计数脉冲产生电路（5）控制电路（6）计数器电路

（7）I/V变换电路（8）参考电压给定电路（9）输出指示电路2.电路组成图及工作原理

计数式8位AD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，输入到由控制芯片74LS00构成RS触发器，再把74LS00的输出信号输入到由两片74L161级联构成的计数器当做时序信号,74L161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,最后结果由输出指示电路的发光二极管显示。

3.各框图的功能和实现该功能的可选电路及特点

1) 输入给定电压：在电位器上产生0～2.5V的待转换电压。

2)电压比较电路：可选用LM324，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)D/A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）计数脉冲产生电路：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，连接出一个RS触发器，有计数和置零功能；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,为了完成计数,可使用两个74LS161级联。

7）I/V变换电路：选用LM324，D A转换器转换出的模拟电流量经运放通过反馈转换成模拟电压信号Vy。

8）参考电压给定电路：利用电位器、运放和-5V的电源得到一个-2.5~0的参考电压。

9）输出指示电路：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。

4．电路制作所需的工具

5．电路制作所需元器件列表

四、单元电路设计

1.输入给定电压

将10K电阻与10K电位器相连，电阻一端接+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。

2. 比较电路(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，外形如上图所示。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，运放输出高电平。其中Vi+接输入给定电压，Vi-接DA转换器转换出的模拟电压量，当Vi+ < Vi-时，Vo为低电平，计数停止。

3. D/A转换电路

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

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.计数脉冲产生电路

本设计可采用555定时器构成计数脉冲产生电路，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。如下图：

充电时间为0.7×（R1+R2）C=0.7×（4.7×103+4.7×103）×1×10-8=6.58×10-5s，放电时间为0.7×R2×C=0.7×4.7×103×1×10-8=3.29×10-5s，周期T=6.58×

10-5+3.29×10-5s=9.87×10-5s

5.控制电路

控制电路可以用74LS00构成,如上图可知，74LS00内有四个独立的与非门。应用该集成块，可用两个与非门组成一个RS触发器。再将555输出的方波信号与RS触发器的Q端接入同一与非门，将前面的输出CP与比较器输出的电压Vo 接入同一与非门，可得到稳定的时序信号CP，接入计数器电路。（当Vo由高电平转换成低电平时，CP为1不在变化，自动停止计数）

当开关接上时，Q为1，如上图所示开始计数；开关接下时，Q为0（Q与计数器的清零端CR相连），计数器置零；开关断开时，保持上一状态）。6．计数器电路

74LS161是4位二进制同步加法计数器，除了有二进制加法计数功能外，

还具有异步清零、同步并行置数、保持等功能。74LS161的逻辑电路图和引

脚排列图如图1所示，CR是异步清零端，LD是预置数控制端，D0 ，D1，D2，

D3是预置数据输人端，P和T是计数使能端，C是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。该课程设计便级联图如下（清零端与控制电路RS触发器的Q端相连）

l

74LS161具有以下功能。计数器电路是由两个74LS161计数器构成的,74LS161正常工作时由0000开始计数。

（1）异步清零功能

当CR＝0时，不管其他输人端的状态如何（包括时钟信号CP），4个触发器的输出全为零。

（2）保持功能

在CR=LD＝1的条件下，当T＝P＝0时，不管有无CP脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变（停止计数）。

（3）同步二进制计数功能

当CR＝LD＝P＝T＝1时，74LS161处于计数状态，电路从0000状态开始，连续输入16个计数脉冲后，电路将从1111状态返回到0000状态.

7.I/V变换电路

DAC0832输出的结果是电流信号，而比较电路比较的是电压，所以需要

将电流转换成电压。此单元电路需使用运放LM324，将运放的输出端口与

DAC0832的Rfb端口连接构成反馈网络，得到电压信号V=-Iout1*Rfb。

8. 参考电压给定电路

因为V=-Iout1*Rfb需要为正，即Iout1需为负，所以参考电压为负值，电

路类似电压给定电路。

9. 输出指示电路

将Q7～Q0分别接1KΩ的电阻和发光二极管，构成D7～D0的输出电路。与D /A转换器的D7～D0相连。相应位置输出高电平时，二极管发光，因此根据的发光个数及对应位置可读出与模拟电压相对应的数字量。

五、调试

1．电压给定电路的调试

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。

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。

3．脉冲产生电路的调试

先卸下除555芯片的其他芯片,在Vcc端口接+5V电压,GND端口接地,Out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。

4.控制电路（74LS00）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．计数器电路（74LS161）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,按单次脉冲按钮,观察8个二极管是否从00000000到11111111逐个增大变化,达到同步加计数器的功能。

6．DAC0832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。

7．比较电路（ LM324）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。

六、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。

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。

七、设计总结

八、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

杨刚周群，电子系统设计与实践，北京：电子工业出版社，2005 陈帅数字电子技术实验指导书淮阴工学院， 2013

刘修文实用电子电路设计制作北京：中国电力出版社， 2005