核电子课程设计AD转换电路

1、核电子学与核仪器课程设计A/D转换电路 8 bit/4 us 高速A/D转换电路 设计任务和要求 （一）设计目的及任务 通过Protel2004的电路设计，对核电子学与核仪器所学内容有更进一步 的理解，加深印象，使所学知识得以巩固和提高，全面掌握核电子学各模块电路 的设计，实现电路设计与PCB设计的技术环节，提高分析问题解决问题的能力； 培养学生的动手能力和遵守纪律的高尚情操还有对待工作严肃认真、一丝不苟、 实事求是、不畏艰辛的优良作风，为今后从事技术工作奠定坚实的基础。 （二）设计要求 1、掌握Protel2004的使用方法； 2、掌握所画电路的工作原理； 3、掌握Protel2004电原理

2、路图的设计； 4、基本掌握使用Protel2004进行PCB设计。 二、原理图选择、工作原理及分析 （一）原理图的选择 我们组选的题目是某种 A/D转换电路的设计，经过查书籍和资料，通过阅 读东南大学报1992年9月第22卷增刊，我们最终选择了 8 bit/4 us高速A/D转 换电路。 对于快速过程的微机实时控制系统，时间资源通常较为紧张为了有充分的 时间去完成数据处理、状态检测及各种控制功能，一般都希望模数（A/D）转换能 在数微秒内完成。为此，笔者采用逐次近似寄存器（SAR）MC 14549 B,廉价的高速 D/A变换器DAC0800及高速电平比较器LM319等器件，研制了 4 us 8

3、位高速 A/D转换电路。实际使用表明，当输入时钟（CLK）频率为2 MHz时，该A/D转 换电路能在4us内完成8位逐次比较变换，且工作可靠稳定，价格便宜，易于和 各种微机接口。 （二）8 bit/4 us高速A/D转换电路图的工作原理 图1为该高速A/D转换电路的原理框图。 14 图1高速A/D转换电路图 图中SAR为逐次近似寄存器，CMP为高速电平比较器，DAC为数模变换 器，为输入模拟电压。加人A/D启动信号（）后,在第一个CLK脉冲上升沿SAR 输出数字量10000000 B （Q7= 1 ），该数Sc 1字信号加到DAC的数据输入端， DAC即输出与之相应的模拟电压 乂。 CMP（其

4、门限电平：Vr - VLsb ,则在每个 2 CLK周期内完成一位的比较。显然，经过 8个CLK周期（当 CLK频率为2 MHz 时，t=4 us）后，从Q7 Q。送出的8位并行数字量即为转入模拟电压 Vin的A/D变 换结果。当第9个CLK脉冲下跳沿到来时SAR的EOC输出电压上跳为高电平。 此跳变沿可用于外部同步锁存或请求微机中断来读 A/D转换结果。SAR的So端 为该高速A/D转换电路的串行输出端，可在 CLK下跳脉冲下跳沿（第一个无效） 同步之下输出Q7Q。（ MC14549B）的波形时序如图2所示。 图2 SCR(MC14549B)波形时序 （三）8 bit/4 us高速A/D转换

5、电路图分析 图3为该高速A/D转换电路的原理图 图3高速A/D转换电路图 图中，运放A1( 2lm 358)为模拟输入信号前置放大级，接成同相放大器形 式，以提高A/D脸转换电路的输入阻抗，调节其增益可改变A/D转换的量程。 运放A2与晶体管T1，组深度负反馈的低输出阻抗电压跟随器，以减小信号源内 阻对A/D转换线性度的影响。运放 A3(扌LM 319)为高速电平比较器，其建立时 间仅为60 nso MC 1403为基准电压源(v=2. 5 v)，提供DAC 0800所需的基准电流： I REF Vref / Rref 2mA(1) 由于DAC0800为电流输出型器件，且恒有： I 0 I 0

6、 I REF 2mA(2) 式中，I。及I0分别为其同向端输出电流及反向端输出电流。因此其输出电流满 度值为： Ips 255Iref 2mA(3) 256 当DAC的负载电阻Rl 5K 时，其输出电压的满度值(也即 A/D电路输入电 压的满度值)应为Vps IfsRl 10V 最低位(LSB)对应的输出电压则为： VLSB IFS / 25540mA(4) 图4为该高速A/D转换电路中DAC0800、LM319及其输入电路的简化等效电路。 图4高速A/D转换简化等效电路图 图中V KVin,K为运放A的电压放大倍数(本文中K=2 )。Rs为晶体管Ti 的输入阻抗。由此可求得LM319同相电压

7、： Vi I(Rl Rs)(5) 上式右边第二项为逐次比较过程中 DAC的输出电压V0。为了保证该A/D电 1 路具有丄LSB的分辨率，必须适当调节电位器 W2,使得LM319反相电压 2 1 Vr -Vlsb 20mA(6) 2 在图3的电路中，Ui(74LS06)为“0C”输出高压反相缓冲器，起电平转换作 用。比较器LM 319亦为“ OC”输出，R8为其上拉电阻，采用士 12V电源时， 其输出电压为012V,故可直接与SAR的输入端D相联。R6用于该A/D电路的 零点调整，提供DAC输出零电平时所需的微小吸收电流。 七五期间，笔者曾一批制作了 5块高速A/D电路板，每块板上设有独立的2

8、路高速A/D电路，成功地解决了在1 ms内进行10次A/D转换、数据处理、主 从微机串行通讯和状态检测控制等时间资源紧张的间题。 实际试验结果表明，电平比较器LM 319门限电平的调整及电路板布线的合 理与否，对A/D转换精度有举足轻重的影响。 三、Protel2004的介绍 (一) Protel2004 的认识 随着科学技术的发展、电子产品集成化和复杂化的不断提高，电子线路的设计愈加复杂。 为了使产品设计人员能高效率地进行产品设计，在计算机技术飞速发展的强劲推动下，电子 设计自动化(EDA )技术脱颖而出。与此同时，许多用于电子产品辅助设计的计算机应用 软件也应运而生。这些软件的出现和广泛应

9、用，极大地提高了电子线路的设计质量和效率。 在当今流行的各种电子线路计算机辅助设计软件中，Altium公司的产品不论在功能上 还是在使用的简捷性、方便性等方面都堪称为佼佼者。在早期版本的基础上，Protel2004在 软件的许多方面作出了较大的改进，成为了一套完整的板卡级设计系统，真正实现在单个应 用程序中的集成。用户可以选择最适当的设计途径，并按指定的方式进行电路的设计工作。 通过改进和提高，Protel2004内嵌的电路原理图和 PCB编辑器的功能更加强大，设计检测工 具更加完善和有效，内部集成的元件库和其编辑功能给设计工作提供了更有力的支持，新的 文件管理模式使设计工作的管理更加简单和方

10、便。总之，在从电路设计到电路仿真的每一个 应用细节上都体现了它的独特之处。Protel2004以其高度的集成性和良好的扩展属性已经成 为当今 Windows环境下有影响力的 EDA开发工具之一，逐步成为广大电路设计工作者首选 的计算机辅助电子线路设计软件。 (二) Protel2004的应用举例 Protel2004作为一套电路辅助设计软件，包含了众多的应用程序。从功能上来细分基本 上可以划分为五大部分，它们分别是：电路原理图绘制部分、PCB图设计部分、电路自动 布线部分、可编程逻辑设计部分和电路仿真部分。使用Protel2004提供的上述功能，电路设 计者可以从电路的原理图开始设计，最终得到

11、所需要的 PCB图，同时可以对得到的 PCB图 进行三维效果图显现。 三、 设计步骤以及设计成果 1、课程设计简单流程图 2、电原理图设计 电路原理图的设计是整个电路设计的基础，因此电路原理图要设计好，以免影响后面的设计 工作。电路原理图的设计一般包括如下步骤：（1）设置原理图设计环境；（2）放置元件；（3） 原理图布线；（4）编辑和调整；（5）检查原理图；（6）生成网络表。通过以上步骤，得到的 8 bit/4 us高速A/D转换电路电路图如图 1。 图6 8 bit/4 us 高速 A/D转换电路 按照电路原理图设计步骤，如果将最终生成的网络表导入到PCB板，将有利于PCB的 设计，则生成网

12、络表如图2。 蛋wntroiomr a t pi JLlL L- Rjd gu希沁. P2： ILL WL 詰 BmZ PJJ AXIXM.d BLL3 ALfcL-4.4 图7元器件网络表 3、PCB设计 PCB板设计是从电路原理图变成一个具体产品的必经之路。因此，PCB板的设计是电 路设计中关键的一部分。通常，PCB板设计的步骤如下：（1）规划电路板；（2）设置参数； （3）装入网络表；（4）元器件的布局；（5）自动布线；（6）手动布线。但在实际操作过程 中装入元器件封装和网络表对PCB设计的是十分必要的。PCB设计的第一步是要从电流灵 敏前置放大器电路原理图文件中导入设计数据，即将原理图

13、文件中的有关信息引入到PCB 文件中，以便指导系统进行PCB板的设计。 数据的具体步骤如下： （1）在原理图编辑器中，选择菜单命令【Design】/【Update PCB电流灵敏前置放大 器PcbDoc】，系统将自动弹出如图 3所示的元器件状态对话框。 图8状态对话框 (2) 在对话框中单击【使变化生效】按钮，观察状态栏中【检查】符号的变化，如果 所有的操作都有效，【检查】状态栏显示， 说明网络表中没有错误。对于出错的操作，【检查】状态栏显示 ，说明对应的操作出现问题，如图4所示。 ciWlX4 cfcIM JC1 fa R屮UL JC2 T FW氏如 do Tg FCEHEbDw pi Ta

14、 FCM B:tinc j叭 Tq R1I Tp w礙臥 J AU tQ J P11 Tb FWJWw flit T 口 WPZB.PdlLiDE J R15 to VFCSIPdtDffii d Alfi PW PctO 1G Lead; Row DAC080DLJ 图11 8 bit/4 us 高速A/D转换电路自动生成的封装元件 7所示的PCB 然后放置元器件，布线，再进行调整和检查后进行布线，最终得到如图 板。 单击【查看】中的【显示三维PCB板】即可看到如下图 8、9和10所示的3D图形。 x p rn Milin 1111 图13 8 bit/4 us 高速A/D转换电路的PCB板 3D正面图 图14 8 bit/4 us 高速A/D转换电路的PCB板 3D背面图 图15 8 bit/4 us 高速A/D转换电路的PCB板 3D侧面图 五、设计的心得体会 通过此次设