AD计数式转换器设计解读

1、LAEAST CHINA INSTITUTE OF TECHNOLOGY测控电路 课程设计报告课程名称：测控电路课程设计设计题目：AD转换器设计院 系：核工程与地球物理学院专 业：测控技术与仪器班 级：学生姓名：学 号：指导教师：AD转换器是一种能把输入模拟电电压或电电流变成与它成正 比的数数字量，即能把被控对对象的各种模拟信息变成计计算机 可以识别的数字信息。本电路由AD转换器器，定时器，计数器组成，其中 AD转换器器由ADC0809集成芯片组成，定时器 器由NE555D定时器组成，计数器由 74LS161组成。本设计有以 下电路组成：（1）电压比较电路（2）NE555D定时器时钟取样电 路

2、（3）ADC集成芯片转换电路（4）LS161芯片计数器通道电路。AD转换器要将时间和幅值都连续的模拟量，转换为时间、幅 值都离散的数字量，一般要经过取样、保持和量化、编码几个过 程。本设计与市场同类产品设计相比，具有电路简单、结构合理、制作方便、工作可靠、功能齐全等优势。在要求转换速度比较高 的场合可选用并行 AD转换器。关键词：AD转换器定时器时钟信号计数器单次脉冲目录1引言 41.1 A/D转化器的基本原理与种类 41.2 取样定理42、方案对比 42.1 设计方案 42.1.1 方案一 42.1.2 方案二 42.1.3方案三 42.2方案优选 53、原理分析 53.1整体思路 53.2

3、电路组成及工作原理 63.3各框图的功能和可选电路及特点 63.4电路制作所需的工具 73.5元器件列表 74单元电路设 84.1模拟电压产生电路 84.2输出电路 84.3 555信号发生器 84.4 555信号清零 104.5 74LS00 .104.6计数器电路 104.7 D /A转换器 DAC0832 11LM324 比较器 131引言AD转换器的产生和用途在计算机过程控制系统中，经常要处理一些在在时间上数值连续变化的物理量。这种 物理量称为模拟量，如温度，压力，流量，速度等，经过传感器后与得到与此相对应 的电信号称为模拟电信号。由于计算机内部处理的都是数字信号，所以模拟信号需要 换

4、成数字信号，才能被计算机所加工处理。另外推动执行机构动作需要的是电压或流 等模拟信号，所以计算机输出的数字信号还要换成模拟信号。所以要实行模拟信号转 化成数字信号需要使用A/D转换器。本次课程设计编写的程序用 DAC0832专换器将A/D转化结果用Proteus软件表示 出来。1.1 A/D转化器的基本原理与种类A/D转化器是一种把输入模拟电压或电流信号变成与其成正比的数字信号，就是能 把被控制对象的各种模拟信息变成计算机可识别的数字信息。在A/D转化器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号在时间上是离散的，所以转化 只能在选定的瞬间对输入的模拟信号进行取样，然后把这些取值的

5、模拟量变成数字量。因此，A/D转化的过程首先是对输入的模拟信号取样，取样结束后进行时间保持， 在这段时间内将取样模拟信号变成数字信号，并按一定的编码顺序给出转化结果，然 后开始下一次取样。1.2取样定理为了准确无误的用取样信号的输入取样信号 VS表示模拟信号VI，取样信号必须有 足够高的频率。可以证明，为了保证能从取样信号到原来被取样信号的恢复，必须满 足FS>=FI(MAX)式中FS为取样频率，FI(MAX)为输入模拟信号VI的最高频率分量的频率的上式。 这就是取样定理。因此A/D转化器工作时的取样频率必须高于上式规定的频率，取样频率提高以后留 给每次进行转化的时间也就相应缩短了，这就

6、要求转化电路必须有更快的工作速度。 所以不能无限制的提高取样频率，通常取样FS=(35)*FI(MAX)就满足要求。2、方案对比2.1设计方案AD转换器设计有多种设计方案，各有各的优点和缺点，以下我们来介绍分析2.1.1方案一：计数式计数式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74LSO0勾成的与非门，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DAC083数模转换器后,输出的信号经LM324勾成的 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俞出2

7、.1.2方案二：双积分式以二进制或BCD?的形式输出，精度高，抗干扰能力强，价格便宜，但转换速度较 低，但电路设计与连接比较复杂，且速度太慢。2.1.3 方案三：VFC式利用积分原理，将输入电压（或电流）转换成频率输出，脉冲频率与输入电压（或电 流）成比例，其精度高、线性度好、转换速度居中、转换位数与速度可调、与CPU勺连线最少，且增加转换位数时不会增 加与CPU的连线，这不太适合本实验。2.2方案优选综上所述，我们选择第一种方案3、原理分析3.1整体思路总体设计框图。该八位AD转换器由以下几部分）DA转换电路4 ）脉冲产生电路+5VVqc Ct TH VcGND TL OUT RDg8+5V

8、141312 11 10r±h1 23 4574LS001& J7+-5V? 33K 330Vcc Ct TH Vc555GND TL OUT RD47uZ IL区 WR2 XFERD4 D5 DE E7 I out 2 loutlDAC0832OS WRL AGND D3 D2 DI DO VREF Rfb DCND-5V+5V卜VccRCOQO Q1Q2Q3 ET 远74LS161RD CP A B C D EPGND7 6 5 4 3 2 10 Q Q Q Q Q Q Q Q 11 1111ll'lT TVccRCOQO Q1Q2Q3 ET LDRD CP A

9、E C D EPGND上图为8位为计数式8位A/D转换器的总体设计框图 组成：1）模拟电压产生电路2 ）电压比较电路35）控制电路6 ）计数电路7 ）输出电路3.2电路组成及工作原理计数式8为A/D转化器的役计僚理图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02.5V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。DAC0832输出为电流量，需转化3）DA转换电路：将数字量转化为

10、模拟量，可以选用 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 示。3.4电路制作所需的工具工具名称工具数量电烙铁11万用表1剪刀1镊子13.5元

11、器件列表元件名称元件数量10K电阻21K电阻11K电位器133K电阻9|发光二极管8C473电容147u电容1集成块LM3241集成块5552集成块74LS1612集成块74LS0018位D/A转换器DAC0832120针插座116针插座214针插座28针插座2通用板1焊锡丝若干导线若干4单元电路设计4.1模拟电压产生电路+5V険划亡"二二忘将ik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02.5V 4.2输出电路330乡1Q7涉lqt多1盟号I1Q3HlQl输出电路330330-4 h330330330 ZZZF330330将

12、Q7Q0分别接330Q的电阻和发光二极管，构成D7D0的输出电路。4.3 555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。RDVcoIII CTH)U2 (TL)CtVccVCC Ct TH Vc555GND TL OUT RD+5V555定时器內部结掏图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

13、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。2/3Vccl/3Vcc和5定时器充电和放电波形图555信号发生器+5¥Rl-R2=10K 1 MVccCt TH Vc555GNDTL OUT RD33124充电时间为 0.7 X( R1+R2 C=0.7X( 10X 1

14、0+10X 10 )X 47000 X 10- =6.58 X 10- s， 放电时间为 0.7 X R2X C=0.7X 10X 103X 47000X 10-12=3.29 X 10-4s，周期 T=6.58 X 10-4 +3.29 X 10-4s=9.87 X 10-4s4.4 555信号清零Vcc Ct555GND TL OUT RD数据显示时间为 0.7 X( R1+R2 C=0.7X( 33X 103+330)X 47X 10-6=1.097s，放电时 间为 0.7 X R2X C=0.7X 330X 47 X 10-6=10.86ms,周期 T=1.1s。4.5 74LS00+

15、5V8ft1H.1 23 4:5674LS0074LS00引脚圏卫r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ABL=A&B0000101001114.6计数器电路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。Cl CP A B C D P GND74LS161管脚图4卜1卜p 2a 2b 2c Qd 2d T_ 74LS161.C： A B C D CF睞隔隔昭A实验测试电路74LS161由四个JK

16、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，AD是输入端。最高位是Q3 CO是进位信号输出端；D0D3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4.7 D /A转换器 DAC0832D/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 DAC0832DAC0832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

17、立时间为1卩s, CMO工艺，低功耗20mWDAC0832专换器芯片为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DAC083冲有两级锁存器，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I LE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）

18、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。 124»5© |Do弄LELEAGNBBAC083J7 loUTl9 f RfB 7 13*14>cs i°4-<Tj wriwr.1_XTER 】7十°1_丁ILL再 Vref11 I Inun数据*/:器UP Vcc MVlDGNDCSWR：AGNDD,iDlDoVrefRewDGNDVer：1LEWRj天卜讣J S- 6 D D DD.-lounlol''： J20正15

19、XL16】5111211DAC0832DAC0832片D忍转换器逻辑框图和引脚排列的引脚功能说明如下：ILE:输入寄存器允许，高电平有效。D旷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,lout2 : 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。4.8 LM324比较器（反相输入端）如（a）（b）Ll«324结构圏及管脚图LM324是四运放集成电路，它

20、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， 其输出如不是咼

21、电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电压咼于负输入 端电压时，运放输出低电平。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02.5V内在02.5V 内,则模拟电压产生电路正常。5.2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。5.3信号发生器的调试先卸下除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

22、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。5.4 555信号清零的调试 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。5.5 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，1 0端为低电平时，输出为低电平；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 咼电平。5.6 74161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。5.7 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， WR、WR2