计数式8位AD转换器 设计.doc

班级：电气1096 姓名：王荣飞 学号：22 课题：计数式8位AD转换器的设计与制作计数式8位A/D转换器的设计与制作1、 设计目的：1.1 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。1.2 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。1.3 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。1.4 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 带转换开始控制；2.5 输入电压直流电压04V；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；元器件列表：555定时器、100欧电阻*2、C473、74161*2、74LS00、DAC0832、LM324、20K电SM410363 、474 电容 、MC4553 、4511 、LM324 、1k欧电阻*3、2k欧电阻、6.2k欧电阻、双向开关一个、导线若干。3、 设计内容3.1 总体设计输入直流电压比较器D/A转换计数脉冲产生电路控制电路二进制计数器十进制计数器译码显示电路3.1.1 总体原理计数式8位A/D转换器是由555定时器构成的多谐振荡器，产生的方波信号通过74LS00与非门电路将信号与比较器中输出信号处理后送往由两个74161构成的计数器构成的控制电路,方波出现一次上升沿,计数器由零开始向上计数，再由控制电路将信号发送至DAC0832数模转换器,数摸转换器连续的将计数值转换为电压信号，输出的信号再通过LM324构成的比较器与20K的电位器产生的输入电压进行比较,当输入电压大于数模输出电压时，计数器继续计数，直到两者相等的瞬间才停止计数，保存在计数器内的数即代表输入电压值。3.2部分设计3.2.1信号发生器信号发生器原理图如下图所示，它是由555定时器构成的多谐振荡器，电源接通瞬间，电容充电，当电容C473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。从而使信号发生器产生方波信号。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。以下是555定时器的原理图和引脚图：图三 555计时器的管脚图3.2.2 74LS00(a) (b)74LS00的管脚图如下图所示：图四 74LS00管脚图产生的方波与比较器输出的电压再经过74LS00的一个与非门，输出的信号再输入控制电路。将另两个与非门开关与74LS00中的两个与非门以及两个10k欧电阻构成基本RS触发器，用于x输入，主要起清零作用。结构图如下图所示：图五 基本RS触发器3.2.3控制电路控制电路是由两个74161计数器串联构成的,以串行进位的方式连接，其中，片1的进位输出信号RCO直接作为片2的计数脉冲CP,显然这是一个异步计数器。片1片2的使能端ET=EP=1,因而它们总是处于计数状态，随着方波脉冲的输入，逐渐向上计数。控制电路的原理图如下图所示：图六图七上图 为 TTL 集成同步 4 位二进制递增计数器 74161 的引脚排列和逻辑功能示意图。 74161 是模 2 4 （四位二进制）同步计数器，具有计数、保持、预置、清 0 功能。它由四个 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； Q 0 Q 3 是计数输出端， Q 3 为最高位； CO 是进位信号输出端； D 0 D 3 为预置数并行输入端； CT T 和 CT P 是工作状态控制端。 3.2.4 D / A转换器DAC0832DAC0832 是采用CMOS 工艺制成的单片电流输出型8 位数 / 模转换器。它将输入的八位电平信号转换为电压信号输出，下图是DAC0832 的逻辑框图及引脚排列。图八芯片DAC0832的数字电压输入端口（DI7DI0）与两个74161的8位输出端相连；两个电流输出接入比较器LM324。3.2.5 LM324比较器LM324是四运放集成电路。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1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。LM324的引脚排列见下图中的图2。 图 1 图 2 图九 由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。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),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大，此时运放便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。明白原理之后，按照原理图将元器件焊接在电路板上。注意一定要焊好一部分调试一部分，即分部调试。3.2.6 CD4553电路采用CD4553作为计数器。CD4553有两个特点：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。CD4553由三个BCD计数器级联而成，因而可以用个位、十位、百位进行计数，计数值从0999。由于它的计数输出端只有一个，而要完成三个计数器的输出，故采用3扫描输出的方法，逐个输出3个计数器的计数值，扫描频率由3、4脚的分时扫描振荡器外接电容的容量确定。由于扫描频率较高故不影响计数输出的准确性。与3个计数器输出相对应，还有3个相应的计数器输出选择端、，低电平有效。如当第一个计数器输出时，为低电平，、均为高电平；当第二个计数器输出时，为低电平，其余为高电平；第三个计数器输出时，为低电平。这样可以通过、与数码管配合实现分时显示。引脚图如下： 图3 CD4553组成方框图 图4 CD4533管脚 CD4553的组成方框图及管脚排列如图3、图4所示。3.2.7 CD4511 CD4511是常用的BCD码七段显示译码器，它本身由译码器有输出缓冲器组成，具有锁存、译码、和驱动等功能，其输出最大电流可达25mA，可直接驱动共阴极LED数码管。本文采用CD4511作为译码器。CD4511有四个输入端A，B，C，D和七个输出端ag,它还具有输入BCD码锁存、灯测试和熄灭显示控制功能，分别由锁存端LE、灯测试端/LT、熄灭/BI。当锁存允许端LE=“0”时，锁存器直通，译码器输出端ag随输入AD端而变化，当LE=“1” 时，锁存器锁定，输出端保持不变。熄灭控制端/BI=“0”时，译码器输出全“0”，因此，正常工作时应使/BI为高电平。另外灯测试端/LT=“0”时，译码器输出全“1”，数码管各段均亮，即显示8，用来检测数码管是否正常。当输入BCD码大于1001时，七段显示输出全“0”，各段均不亮。下图是管脚排列和真值表：3.2.8 三位LED数码管 三位LED ，所有位的七段码线都并联在一起，而各位数码管的共阴极（对共阴LED数码管）D1，D2，D3分别被计数器CD4553输出的扫描时序脉冲DS1，DS2，DS3控制（本设计电路中DS1DS3经三极管BG1BG3控制D1D3）， 从而实现各位的分时选通显示。但要注意为了显示稳定，应使扫描时序脉冲的频率合适，频率过低将会使显示产生闪烁，而频率过高将会使显示产生余辉。扫描频率与显示数码管的位数有关，位数越多扫描频率应越高，通常可取扫描频率为几百赫兹，可由CD4553接入的电容CS值调整来决定。4、调试4.1 信号发生器的调试4端、8端接上+5V电压，将3端口接上示波器，调出波形，看是否出现周期性的方波波形，其频率是f=1/(Tph+Tpl)。4.2 74LS00的调试 将1、2分别接电平输入，将8端接电平显示。测试是否符合当1为低电平，2为低电平时输出为低电平；1为低电平，2为高电平是输出低电平；1为高电平，2为低电平时输出为低电平；只有1、2均为高电平时输出才为高电平。4.3 74161的调试两个计数器的清零端都接高电平, CP端接上实验箱上的单次脉冲,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,达到同步加计数器功能的目的。扳动开关，看各显示电平是否被能被清零，如能，则证明触发器连接正确。4.4 DAC0832的调试 八个输入端接实验箱上的电平输入，接上电源和地线，用万用表测量观察输出端的电压变化情况，如电压随输入二进制数的增大而增大，则正确。4.5 LM324的调试与已经调试好的DAC0832相连，在DAC0832的输入端接电平输入，接上电源和地线，用万用表测LM324输出端的电压，如随电平增大而增大，则正确。4.6计数电路与译码显示电路部分的调试1.4511芯片的测试 将高低电平控制开关接到BCD码输入端，通过高低电平的变化及BCD码编码的原则即可显示出0-9。然后在数码管上看是否出现对应的数字，芯片功能正常。2.4553芯片的测试按“芯片资料”中所提供的测试电路连好后，对照真值表测试，芯片功能正常。3.拔掉芯片，用万用表测试电路是否已正确连接，线路接线无错误。4.将计数部分的电路接上电源，插上三位数码管，并确保其他接线均正确，用低频脉冲信号发生器的输出信号作为计数器的输入，从三位共阴数码管上去读数字，观察个、十、百位计数器是否都能完成逢十进一的功能。然后按下清零按钮，使两个计数器均清零，重新开始计数，数码管应能反映这一状态。对应，它们应分别对应个、十、百位才对，连线不要搞错。另外，应检查译码器各输出端与数码管相应引脚是否正确。4.7 联调将所有设备全部接入电路，接通电源，调动10k电位器的阻值以改变10K电位器输出的电压，八位输出端口接电平显示，看电平显示是否随其缓慢改变。用万用表检查线路是否短路、断路或者虚焊。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。观察三位共阴数码管是否正常显示，观察是否计数。5、设计总结通过本次课程设计，掌握了计数式8位A/D转换器的原理，更深层次的了解了555定时器、74LS00、74161以及DAC0832、LM324等元器件的使用，画原理图时最好要仔细标明元器件的引脚及其他接口，方便焊接。在焊接时，要注意各引脚的作用，不能焊错，也要注意因为相邻两个焊口间距较小，要随时用万用表测一下是否短路。焊接时，把各元器件从插座上拔下，以免电烙铁加热时将元器件烧坏，要保证各接口都接触稳定。调试时要注意先单个调试，最好是焊好一个调一个，以免整体调试会发生烧坏元器件，同时要注意输入输出关系，测试实验值与计算值是否一致。要特别注意各个+5v接口，接地端口都确保都连接好，用万用表测量