1. 選題背景1.1 設(shè)計目的- 本次計數(shù)型AD轉(zhuǎn)換器課程設(shè)計是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在學(xué)習(xí)了《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》
和《電路分析》后，進行一次實際動手設(shè)計訓(xùn)練。培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的正確設(shè)計思想，訓(xùn)練綜合運用已經(jīng)學(xué)過的理論和生產(chǎn)實際知識去分析和解決工程實際問題的能力。
2)熟悉幾種常用集成數(shù)字芯片，并掌握其工作原理，進一步學(xué)會使用其進行電路設(shè)計。學(xué)習(xí)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計的一般方法，提高基于模擬、數(shù)字電路等知識解決電子信息方面常見實際問題的能力，由學(xué)生自行設(shè)計、自行制作和自行調(diào)試。
3)進行基本技能訓(xùn)練，如基本儀器儀表的使用，常用元器件的識別、測量、熟練運用的能力；初步掌握數(shù)字電子線路安裝、布線、焊接、調(diào)試等基本技能；掌握組裝、調(diào)試方法；掌握設(shè)計資料、手冊、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以及使用仿真軟件、實驗設(shè)備進行調(diào)試和數(shù)據(jù)處理等， 并按要求編寫相關(guān)的設(shè)計說明書、技術(shù)文檔和總結(jié)報告等。
4)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，鍛煉主動思考的思維方式。
5)培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和實事求是的工作態(tài)度。
1.2 技術(shù)要求3) 帶轉(zhuǎn)換開始控制；
4) 輸入電壓直流電壓0～5V；
5) 主要單元電路和元器件參數(shù)計算、選擇；
6) 畫出總體電路圖；
7) 安裝自己設(shè)計的電路，按照自己設(shè)計的電路，在通用板上焊接；
8) 焊接完畢后,應(yīng)對照電路圖仔細(xì)檢查，看是否有錯接、漏接、虛焊的現(xiàn)象；
9) 調(diào)試電路；
10) 電路性能指標(biāo)測試；
11）提交格式上符合要求，內(nèi)容完整的設(shè)計報告。
1.3 設(shè)計指導(dǎo)思想將數(shù)字信號通過DAC0832轉(zhuǎn)換成模擬信號，與所給出的電平進行比較，并將比較的結(jié)果通過二極管間接表示出來。
2. 方案論證 設(shè)計原理：先由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波信號，輸入由控制芯片74HC11構(gòu)成的三輸入與門，再把74HC11的輸出信號輸入到由兩片74HC161構(gòu)成的計數(shù)器,74HC161的輸出信號經(jīng)DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器后,輸出的信號經(jīng)LM324構(gòu)成的比較器與待轉(zhuǎn)換電壓進行比較,最后結(jié)果由Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0輸出。
設(shè)計電路特點：轉(zhuǎn)換速度快、電路設(shè)計與連接簡單、價格便宜。
3. 過程論述3.1 設(shè)計思路 將數(shù)字信號通過DAC0832轉(zhuǎn)換成模擬信號，與所給出的電平進行比較，并將比較的結(jié)果通過二極管間接表示出來。
3.2 總體設(shè)計框圖及工作原理圖3-1 計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器框圖
圖3-2 總體設(shè)計框圖
上圖為計數(shù)式8位A/D轉(zhuǎn)換器的總體設(shè)計框圖。該八位AD轉(zhuǎn)換器由以下幾部分組成：1）模擬電壓產(chǎn)生電路 2）電壓比較電路 3） DA轉(zhuǎn)換電路 4）脈沖產(chǎn)生電路 5）控制電路 6）計數(shù)電路 7）輸出電路。
工作原理：計數(shù)式8位A/D轉(zhuǎn)換器先由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波信號，產(chǎn)生的方波信號通過控制芯片74HC11構(gòu)成的三輸入與門，再把74HC11的輸出信號輸入到由兩片74HC161構(gòu)成的計數(shù)器,由控制電路將信號發(fā)送方波出現(xiàn)一次上升沿,計數(shù)器由零開始向上計數(shù)74HC161的輸出信號經(jīng)DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器后,數(shù)摸轉(zhuǎn)換器連續(xù)的將計數(shù)值轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出的信號經(jīng)LM324構(gòu)成的比較器與待轉(zhuǎn)換電壓進行比較,當(dāng)輸入電壓大于數(shù)模輸出電壓時，計數(shù)器繼續(xù)計數(shù)，直到兩者相等的瞬間才停止計數(shù)，保存在計數(shù)器內(nèi)的數(shù)即代表輸入電壓值。最后結(jié)果由Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0輸出。
3.3 各單元電路設(shè)計特點及工作原理3.3.1 模擬電壓產(chǎn)生電路：在電位器上產(chǎn)生0～5V的待轉(zhuǎn)換電壓。
圖3-3 模擬電壓產(chǎn)生電路
將10K電阻與10K電位器相連，電阻一段接+10V電壓，電位器一端接地，電位器中間接輸出，則可以得到輸出電壓在0～5V。
3.3.2 電壓比較電路：比較兩個電壓值進行判斷并輸出高電平或低電平，待轉(zhuǎn)換電壓VX進入比較器正端，而經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出的模擬電壓量VY則進入比較器負(fù)端與VX比較。若VX>VY，則比較器輸出為高電平，反之為低電平。
LM324比較器：
圖3-4 LM324實物圖 圖3-5 電壓比較電路
LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如下圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖(a)所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。當(dāng)去掉運放的反饋電阻時,或者說反饋電阻趨于無窮大時,即開環(huán)狀態(tài),理論上運放的開環(huán)放大倍數(shù)為無窮大，此時運放形成一個電壓比較器，其輸出如不是高電平（V+），就是低電平（V-或接地）。當(dāng)正輸入端電壓高于負(fù)輸入端電壓時，運放輸出低電平。
3.3.3 DA轉(zhuǎn)換電路：將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，可以選用DAC0832，輸出為電流量，需轉(zhuǎn)化成模擬電壓量才可以與待轉(zhuǎn)換電壓Vx比較。
D／A轉(zhuǎn)換器DAC0832
圖3-6 DACO832實物圖
圖3-7 DA轉(zhuǎn)換電路
D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)有很多種，分為電壓定標(biāo)、電荷定標(biāo)、電流定標(biāo)等。不同結(jié)構(gòu)的D/A轉(zhuǎn)換器在性能上是有差異的。單純采用一種定標(biāo)方式，需要有很高的匹配精度，否則很難實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換。我們采用集成塊DAC0832。DAC0832是一個8位D/A轉(zhuǎn)換器。單電源供電，從+5V～+15V均可正常工作，基準(zhǔn)電壓范圍為10V，電流建立時間為1μs，CMOS工藝，低功耗20mW。DAC0832轉(zhuǎn)換器芯片為20引腳，雙列直插式封裝，能完成數(shù)字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉(zhuǎn)換。在DAC0832中有兩級鎖存器，第一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存信號為ILE，第二級鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號也稱為通道控制信號（XFER），當(dāng)ILE為高電平，片選信號（CS）和寫信號（WR1）為低電平時，輸入寄存器控制信號為1時，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當(dāng)（WR1）由低電平變高時，控制信號成為低電平，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中，此時輸入寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據(jù)的變化而變化。使用時，數(shù)據(jù)輸入可以采用兩級鎖存(雙鎖存)形式，或單級鎖存(一級鎖存，一級直通)形式，或直接輸入(兩級直通)形式。3個門電路組成寄存器輸出控制邏輯電路，該邏輯電路的功能是進行數(shù)據(jù)鎖存控制。
DAC0832的引腳功能說明如下：
ILE：輸入寄存器允許，高電平有效。
D0～D7：數(shù)字信號輸入端。
CS：片選信號，低電平有效。
WR1：寫信號1，低電平有效。
XFER：傳送控制信號，低電平有效。
WR2：寫信號2，低電平有效。
Iout1,Iout2：DAC電流輸出端。
Rfb:反饋電阻，是集成在片內(nèi)的外接運放的反饋電阻。
Vref:基準(zhǔn)電壓（-10～+10）V。
Vcc:電源電壓(+5～+15)V。
AGND:模擬地。
NGND:數(shù)字地。
3.3.4 脈沖產(chǎn)生電路： 產(chǎn)生一個頻率較高的方波信號CP，可選用555構(gòu)成的多諧振蕩器。
555信號發(fā)生器
圖3-8 555實物圖
圖3-9 555波形圖
圖3-10 信號發(fā)生器原理圖
圖3-11 脈沖產(chǎn)生電路
555定時器它是一種時基電路，它是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。由于555內(nèi)部的比較器靈敏度較高,而且采用差分電路方式,它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。信號發(fā)生器如圖所示，它是555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，VCC通過電阻R1、R2向電容C充電，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路也不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R1，R2向C充電，以及通過R向放電端7端放電，使電路產(chǎn)生振蕩。廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。電容C充電和放電，其波形如圖。
多諧振蕩器的振蕩頻率為：f=1÷［（R1+2R2）］×㏑21÷［（4.7+2×4.7）］×㏑2=10Hz
多諧振蕩器的振蕩周期：T=1÷f=1÷10=0.1s
3.3.5 控制電路：可選電路為74LHC11，控制計數(shù)電路的計數(shù)功能，由比較器的輸出結(jié)果和脈沖信號CP共同決定, 555構(gòu)成的多諧振蕩器輸出上升沿時,加計數(shù)器開始計數(shù)。
圖3-12 74HC11引腳圖
圖3-13 74HC11真值表
圖3-14 控制電路
圖3-15 74HC11實物圖
2端接555的輸出端產(chǎn)生的方波，1端接與LM324比較器輸出的電壓，13端接復(fù)位開關(guān)，三個信號經(jīng)74HC11構(gòu)成的與門再輸出，輸出的信號再輸入控制電路。
3.3.6 計數(shù)電路：進行加記數(shù)，輸出的數(shù)字量進入DA轉(zhuǎn)換電路變?yōu)槟M電流量,為了完成八位計數(shù),可使用兩個74LS161。
圖3-16 計數(shù)電路
圖3-17 74HC161引腳圖
74LS161由四個 JK 觸發(fā)器和一些控制門組成，其中 CP 是計數(shù)輸入脈沖，上升沿有效；Q0～Q3 是計數(shù)輸出端，A～D是輸入端。最高位是Q3；CO是進位信號輸出端；D0～D3 為預(yù)置數(shù)并行輸入端；CTT和CTP是工作狀態(tài)控制端。74LS161具有計數(shù)、預(yù)置、保持、清零等功能。
3.3.7 輸出電路：輸出八位分別為Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0,可以用發(fā)光二極管顯示。
圖3-18 輸出電路
將Q7～Q0分別接330Ω的電阻和發(fā)光二極管，構(gòu)成D7～D0的輸出電路。
74HC574寄存器
寄存器由74HC574構(gòu)成，其引腳圖如圖，它可以存放8位二進制代碼，其中一位二進制代碼是由一個D觸發(fā)器來存儲的。
圖3-19 74HC574實物圖 圖3-20 74HC574引腳圖
3.4 調(diào)試將所有設(shè)備全部接入電路，接通電源，調(diào)動10k電位器的阻值以改變10K電位器輸出的電壓，八位輸出端口接電平顯示，看電平顯示是否隨其緩慢改變。用萬用表檢查線路是否短路、斷路或者虛焊。按原理圖，接上所有元器件，接通電源。勻速調(diào)節(jié)電位器，從而改變輸出電壓。觀察三位共陰數(shù)碼管是否正常顯示，觀察是否計數(shù)。
3.5 原理設(shè)計圖及實物圖圖3-21 設(shè)計原理圖
圖3-22 實物圖
4. 結(jié)果分析表4-1 數(shù)據(jù)記錄
輸入電壓/V | 輸出電壓（二進制） | 輸出電壓（十進制）/V | 誤差計算 |
0 | 00000000 | 0 | 0 |
1.72 | 11010100 | 1.67 | 2.9% |
2.17 | 01011100 | 2.26 | 4.14% |
2.66 | 01100010 | 2.73 | 2.6% |
2.62 | 11100010 | 2.77 | 5.7% |
3.55 | 11101010 | 3.40 | 4.2% |
3.82 | 01100110 | 3.9 | 2.0% |
4.5 | 00011110 | 4.68 | 4.0% |
4.78 | 10111110 | 4.88 | 2.0% |
5 | 11111111 | 5.01 | 0.2% |
計算公式：
U=10÷2^8*D7+10÷2^7*D6+10÷2^6*D5+10÷2^5*D4+10÷2^4*D3+10÷2^3*D2+10÷2^2*D1+10÷2^1*D0
誤差計算：相對誤差 = | 測量值 - 真實值 |/真實值*100%
輸出電壓的值隨輸入電壓值的增大而增大，輸入電壓的值與輸出電壓的值幾乎相等，誤差小于1LSB。
5.元器件清單表5-1 元器件清單
元件名稱 | 元件數(shù)量 |
10K電阻 | 1 |
4.7K電阻 | 2 |
10K電位器 | 1 |
330Ω電阻 | 8 |
黃色發(fā)光二極管 | 8 |
0.01µf電容 | 1 |
1uf電容 | 1 |
集成塊LM324 | 1 |
集成塊555 | 1 |
集成塊74HC161 | 2 |
集成塊74HC11 | 1 |
8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832 | 1 |
20針插座 | 2 |
16針插座 | 2 |
14針插座 | 2 |
8針插座 | 1 |
通用板 | 1 |
焊錫絲 | 若干 |
導(dǎo)線 | 若干 |
74HC574 | 1 |
單刀雙擲開關(guān) | 2 |
排針 | 若干 |
表5-2 元器件所需工具
工具名稱 | 工具數(shù)量 |
電烙鐵 | 1 |
萬用表 | 1 |
剪刀 | 1 |
鑷子 | 1 |
6. 設(shè)計總結(jié)1）通過此次課設(shè)掌握了多種芯片的工作原理，如ADC0832、74HCII、LM324、555、74HC161、74HC574等。
2）電路設(shè)計仿真。電路仿真應(yīng)考慮各個部分的功能，盡可能使電路簡單，方便電路的焊接。畫原理圖時，應(yīng)標(biāo)明各元器件的引腳及其他接口，方便焊接。先前設(shè)計仿真圖時，通過設(shè)計框圖和網(wǎng)上資料查詢，仿真的不正確，一直仿真錯誤，最后經(jīng)過多方改正設(shè)計成功。
3）要特別注意各個+5v、+10v和-10v接口，接地端口都確保都連接好，用萬用表測量就可以。電路板的兩個外圈是聯(lián)通的可以分別做電源和接地端。
4）焊接。焊接時把各集成塊從插座上拔下，以免電烙鐵加熱時將集成塊燒壞，要保證各接口都接觸穩(wěn)定。應(yīng)注意焊腳之間保持適當(dāng)間距，避免短路，焊好接點后，要用萬用表歐姆檔測試端口之間是否虛焊，焊一條線需用萬用表檢查其是否斷路。在焊電容時，電烙鐵頭不宜電容針腳上加熱太長時間，這樣電容易損壞。焊接容易焊錯，第一個板子不小心把555的一個焊盤焊掉了，導(dǎo)致555一直沒有波形。第二個板子也是555的問題，焊錫弄得太多，弄到接地端上，導(dǎo)致短路，555也不出波形，經(jīng)過多次查看和同學(xué)的幫助下才找到錯誤。改正之后出方波。
5）本次課程設(shè)計，培養(yǎng)了我們綜合運用理論知識解決實際問題的能力，讓我們懂得了理論聯(lián)系實際的重要，為以后的學(xué)習(xí)和工作起到了促進作用。也鍛煉了我們的實踐動手能力，提高了自己學(xué)習(xí)的積極性。
7 設(shè)計改進和心得體會7.1 設(shè)計改進- 板子背面走線不完美，焊接不牢靠，用的細(xì)線，易斷。
- 沒有進行單個調(diào)試，難發(fā)現(xiàn)問題。
- 第一個板子的發(fā)光二極管后三個不停閃爍，焊盤松動。
- 電位器調(diào)位比較費力，應(yīng)更換一個易調(diào)的裝置。
7.2 心得體會這次課程設(shè)計是繼收音機制作之后關(guān)于專業(yè)的實物制作，考了多方面的知識，數(shù)電知識、電路知識、焊接知識。從開始的選題、查資料到之后的設(shè)計仿真，焊接。我覺得很遺憾的事情是我所焊的板子不夠美觀，開始二極管胡亂跳變，時好時壞，數(shù)據(jù)顯示不正確。最后親手做成功之后是一件非常有成就感的事情。
計數(shù)型AD轉(zhuǎn)換器.rar
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