计数式8位AD转换器

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LLna=EaBdH2 宙疋nIBg = Eri?L._.mIIf_l一IE呂no7+1G1E卜卜卜*+5V3+SVJJO dx山TiR gQDCDVsssTR.aKTH07 4DS3110NI. at7+161ump.iABCDEFG CF1234T4U.IK41I 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：3.2.2 74LS0074LS00的管脚图如下图所示:14 13 12 11 10 g(b)GND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：实验测试电路74LS161管脚图图七上图为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。WT?i 乂叶T弐Vcc( + -5V?JO DC YD卷 Vref A】 Im_rri 112圧 IOUT3图八D? 13； 415H 16e 4gILE. 19HnADQ-TTRriiriGjTiWRiAGND2 i ft nonVex?XFFRDDrDhD/IfilJTliIdUT-J20WIKIT161412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+”、“-”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。（反相输入端）Vi-Vi+14 13 12 1110981234567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DS1、DS2、DS3，低电平有效。如当第一个计数器输出时，DS1为低电平，DS2、DS3 均为高电平；当第二个计数器输出时，DS2为低电平，其余为高电平；第三个 计数器输出时，DS3为低电平。这样可以通过DS1、DS2、DS3与数码管配合 实现分时显示。引脚图如下：CIACI0 OflCLOCK0102LEoaO.F.DISDS1DS2MR画14G 1VDD - PIN 16PIN fl图1CD4553引脚囹34多路选择器2|1|15DSi DS2 DSj9765L-., E-CD码输出LE 一10R -1314三位十进制计数器 0FDSg116DSi 215CB 314CA 413q351202611710Vss 8gRCL一 INHLEVddDS3一 OF图4 CD4533管脚图3 CD4553组成方框图CD4553的组成方框图及管脚排列如图3、图4所示。3.2.7 CD4511CD4511是常用的BCD码一一七段显示译码器，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：A1 2 CT 5! LE A3 M CND7DATillOAcm1TkDCocDDODJ?OE瓦OFOG0LTU3-2CIM511的引脚图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DD3）， 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。译码器输出七段码DiD2D3vz时序脉冲讯iDD控制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=l/(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兀器件烧坏，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，用万用表测量就可以。本次课程设计也锻炼了我们的实践动手能力，提高了自己学习的主动性和自 主性，学会了在老师略微指导下自己独立完成一段学习的满足感，感受到了大学 中忙碌的充实感，为以后的毕业设计打下基础。6、参考文献电子资源网标准数字电路4000 CMOS全系列数据手册康华光，电子技术基础模拟部分，北京：高等教育出版社，2000康华光，电子技术基础数字部分，北京：高等教育出版社，2000 何希才，常用集成电路简明速查手册，北京：国防工业出版社，2006 杨刚，周群，电子系统设计与实践，北京：电子工业出版社，2005