计数式8位AD转换器的设计与制作
《电子技术》课程设计报告
班级测控1112班学号 1111203233
学生姓名陈林
专业测控技术与仪器
系别电子信息工程系
指导教师电子技术课程设计指导小组 (王士湖)
淮阴工学院
电子与电气工程学院
2013年6月
1、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。
2、设计要求：
2.1 电源外接±5V；
2.2 输出数字量8位；
2.3 误差1LSB；
2.4 定时开始转换或手动控制开始；
2.5 有转换结束标志；
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
图1 计数式8位A/D转换器总体设计框图该8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）清零电路
（8）译码显示电路
3.2 电路组成图及工作原理
图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74LS161构成的计数器,74LS161的输出信号经DAC0832数模转换器后,输出的信号经LM393构成的比较器与待转换电压进行比较,最后结果由三位一体共阴数码管输出。
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：由三位一体共阴数码管输出.
3.4 元器件列表
4 单元电路设计
4.1 模拟电压产生电路
图3 模拟电压产生电路
将2K电阻与5K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 电压比较电路
图4 电压比较电路图
表一 LM393引脚功能排列表
输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受 Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路(当不用负载电阻没被运用)，输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制.当达到极限电流(16mA)时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm 的γSAT限制。当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压(约1.0mV)允许输出箝位在零电平。
4.3 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。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。
图5 DAC0832单片D/A转换器逻辑框图和引脚排列
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。
4.4 555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。
图6 555定时器管脚图
图7 555信号发生器
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
4.5 555信号清零
图8 555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。
4.6 控制电路
图9 74LS00引脚接线图
输入方波信号，1端接比较器输出的电压，2端接555的输出端产生的方波，3端为输出的信号接入计数电路。4、5端接清零555的输出，6接4553的清零端。
4.7 计数电路
图10 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。
图11 74LS161引脚图
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。
4.8 清零电路
图12 555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。
4.9 译码显示电路
图13译码显示电路
将多只LED的阴极连在一起即为共阴式，把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。LED的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。假如我们将"b"和"c"段接上正电源，其它端接地或悬空，那么"b"和"c"段发光，此时，数码管显示将显示数字“1”。而将"a"、"b"、"d"、"e"和"g"段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“2”。其它字符的显示原理类同，4553集成块
CD4553有两个特点：
（1）有多种功能：锁存控制、计数允许、计满溢出和清零等。
（2）是三位10进制计数器，但只有一位输出端（输出BCD码），要完成三位输出，采用扫描方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制三位十进制的输出，从
而实现扫描显示方式。
图14 CD4553组成方框图图15 CD4533管脚 CD4553的组成方框图及管脚排列如图14、图15所示，功能表见表一。现在简要说明这写管脚的功能。
（1）CL（引脚12）为计数器的脉冲输入端。
（2）INH（引脚11）为计数允许控制端，当INH为“0”时，计数脉冲由CL 端进入计数器，而当INT为“1”时，禁止计数脉冲输入计数器，计数器保持禁止前的最后计数状态。
（3）LE（引脚10）为锁存允许端，当LE为“1”时，锁存器呈锁存状态而保持原有锁存器内信息。
（4）R（引脚13）为复零端，当R=1时，计数器输出Q
0～Q
3
皆为0。
（5）输出哪一位的计数值由选脉冲DS
1～DS
3
控制（低电平有效）。
（6）溢出OF（引脚14），当CD4553每计满1000个脉冲时，溢出端输出一个脉冲，而后又重新开始计数。
表二 4553功能表
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 信号发生电路的调试
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。
5.3 清零电路的调试
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。
5.4 控制的调试
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。
5.5 计数的调试
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。
5.6 DA转换电路的调试
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。
5.7 电压比较电路的调试
将LM393与已调好的DAC0832相连，DAC0832的Vcc接+5V电压，WR1、AGND、GND端接地，八个输入端接电平输入，用万用表测LM393输出端2端的电压，如随电平二进制数增大而增大，则LM393调试成功。
5.8 译码显示电路的调试
给一个脉冲电压，按照功能表进行调试。将CD4553的16脚VDD接+5V 电源，将8脚VSS接地。然后，在12脚CL端接试验箱上的一个脉冲信号源，然后用万用表看输出端的9、7、6、5端，即Q0、Q1、Q2、Q3，是否输出高低电压。当我把万用表接上后，发现万用表能够显示脉冲源连接后的高低压。控制电路部分调试成功。
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。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。
7.设计总结
经过本次的课程设计：计数式8位AD转换器的设计与制作，在短暂的课程
设计过程中，我深深的感觉到自己所学知识的肤浅和在实际运用中的专业知识的匮乏。课程设计刚开始，我拿着选定的题目不知如何入手，毕竟课程设计不同于实验课，电路图和程序都要自己设计。经过指导老师的说明与提示，将整个系统根据不同的功能化分成模块，再分别进行设计，逐个攻破，最后再将其整合即可。
通过本次课程设计，培养了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。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，我们是焊好一个调一个，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。在设计时，和同学相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人对问题的看法总有差异，我们可以从交流中获得不同的知识。电子技术课程设计是配合电子技术基础课程与实验教学的一个非常重要的教学环节。它不但能巩固我们已所学的电子技术的理论知识，而且能提高我们的电子电路的设计水平，还能加强我们综合分析问题和解决问题的能力，进一步培养我们的实验能力和动手能力，启发我们的创新意识及创新思维。
经过了这次课程设计，真正的锻炼了我们的创新能力以及理论与实际相结合的动手能力，让我懂得了理论联系实际的重要性，增强我对所学知识进行综合的应用的能力，从而达到学至所用的目的。这将对我们以后的工作打下了坚实的基础。
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. 286,414
童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006.185,423 9.实物图展示