电子技术课程设计基于Protuse仿真的AD模数转换设计

长 沙 学 院电子技术课程设计说明书题目 模数转换器 系(部) 电子信息与电气工程系 专业(班级) 光电信息科学与工程 姓名 学号 指导教师 起止日期 15年6月1日15年6月5日 电子技术课程设计任务书(30)系（部）：电子信息与电气工程系 专业：光电信息工程 指导教师：张海涛课题名称模 拟 数 字 转 换 器设计内容及要求1 说明模拟数字转换的基本概念和原理；2 给出A1集成电路的主要技术参数，熟悉IC芯片（ADC）各引脚的功能，逐个说明；3 通过实际测试，给出A/D转换的对应关系表，并分析计算其转换精度；4写出设计心得。 设计工作量1、系统整体设计；2、系统设计及仿真；3、在Multisim或同类型电路设计软件中进行仿真并进行演示；4、提交一份完整的课程设计说明书，包括设计原理、仿真分析、调试过程，参考文献、设计总结等。进度安排起止日期（或时间量）设计内容（或预期目标）备注第一天课题介绍，答疑，收集材料第二天设计方案论证第三天进行具体设计第四天进行具体设计第五天编写设计说明书指导老师意见年 月 日教研室意见年 月 日长沙学院课程设计鉴定表姓名熊健东学号2013041232专业光电信息科学工程班级光电2班设计题目模 拟 数 字 转 换 器指导教师张海涛指导教师意见：评定成绩： 教师签名： 日期： 答辩小组意见：评定成绩：答辩小组长签名：日期：教研室意见：最终评定等级：教研室主任签名：日期：说明课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“中等”、“及格”、“不及格”五等。摘要：ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。目前仅在单片机初学应用设计中较为常见。首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。（3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。常见用途ADC0809与MCS-51单片机的连接主要涉及两个问题。一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。转换数据的传送有定时传送方式、查询方式、中断方式这三种方式。A、B、C的值与被选择的通道之间的关系关键词：AD转换与DA转换 目录1 绪论（或前言）62 实习的主要内容63 设计作品名称（或课题）：63.1电路原理图及工作原理7DAC0832芯片 简介7ADC0808/ADC0809芯片84用Protuse7.8软件完成SCH原理图的绘制及原理图功能分析；94.1 *.Sch原理图94.2*原理图功能分析105 心得体会116 存在的不足及建议了11参考文献121 绪论（或前言）随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测领域中，信号的处理无处不在。自然界中的物理量，例如压力、温度、位移、等都是模拟量。要对这些物理量进行控制和检测，往往需要一种能在模拟信号与数字信号之间起转换作用的电路-模数转换器和数模转换器。A/D D/A转换器在电子线路中的应用十分广泛，它沟通了整个电子领域中的模拟域和数字域。但在A/DD/A转换器的实验教学过程中，由于受传统实验设备的限制，很难对其实际工作过程进行有效的分析与验证。Protuse仿真软件提供了一个虚拟实验平台，它克服了传统电子元器件、仪器设备的限制，包含非常丰富的电子元器件库，并且提供功能强大的多种仿真分析功能，本文利用其仿真功能，在A/D和D/A转换电路的仿真与分析中，很好地捕捉和展现出各种时域暂态的数字信号和相应模拟电压，能帮助学生熟悉和快速掌握先进的电路实验方法和技能。AD转换器分为积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、-调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。AD转换器的主要技术指标 1）分辨率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。 2）转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。 3）量化误差(Quantizing Error) 由于AD的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。 4）偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。 5）满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。 6）线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移2 实习的主要内容（1）说明模拟数字转换的基本概念和原理；（2）给出A1集成电路的主要技术参数，熟悉IC芯片（ADC）各引脚的功能，逐个说明；（3）通过实际测试，给出A/D转换的对应关系表，并分析计算其转换精度；（4）写出设计心得。 3 设计作品名称（或课题）：模 拟 数 字 转 换 器3.1电路原理图及工作原理 DAC0832芯片 简介* D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错),ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V；VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V；AGND：模拟信号地 ；DGND：数字信号地。DACO832输出为电流，要转换成电压，必须经过一个外接的算放大器，原理图为输出端V0接直流数字电压表，在输入数字量之前要进行调零。令D0-D7全置零，调节运放的电位器uA741输出为0。ADC0808/ADC0809芯片IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入端，产生一个正脉冲以锁存地址。START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOC： A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入端，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHz。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一+5V。GND：地。由电阻网络组成恒压降输入模拟电压量，在通过不同的地址选取，输出8位相应数字量，原理图如8路输入模拟信号1-1.5V，由+5V电源经电阻R分压组成；变换结果D0-D7接逻辑电平显示；CP时钟脉冲由计数脉冲源提供，取f=100KHz；A0-A2接逻辑电频输入。4用Protuse7.8软件完成SCH原理图的绘制仿真及原理图功能分析；4.1 *.Sch原理图 4.2*原理图功能分析 如原理图所示，左边的模块是AD模数转换，右边是DA数模转换。 从左边的AD转换来说，由电阻网络组成的8输入恒压降模拟电压，从IN0输入的4.5V电压到IN7输入的1.0V电压，每个相邻的输入端输入的电压相差0.5V，ADD A-ADD C是三个地址输入端，地址译码选取的不同相应的模拟输入的通道也会不同。地址译码与模拟输入的通道的选通关系如下：被模拟通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7地址A200001111A100110011A001010101VREF(+)、VREF(-)为基准电压的输入端输入5V，OE端为数据输出允许信号，输入端，高电平有效。8路输入模拟信号1-1.5V，由+5V电源经电阻R分压组成；变换结果D0-D7接逻辑电平显示；CP时钟脉冲由计数脉冲源提供，取f=100KHz；A0-A2接逻辑电频输入。接通电源后，在启动端（START）加一个正单脉冲，下降沿一到，即开始A/D转换。仿真结果与计算结果如下：被选模拟通道输入模拟量地址AD转换输出数字量十进制（二进制化为十进制）模拟量计算值Us=VREF*(R/256)单位：VDA仿真值Uo单位：VINUi/VA2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0RUsdUsUodUoIN04.5000111001012294.47260.0274-4.460.04IN14.0001110011002043.98430.0157-3.970.03IN23.5010101100101783.47660.0234-3.470.03IN33.0011100110011532.98830.0117-2,980.02IN42.5100100000001282.50000.0000-2.490.01IN52.0101011001101021.99230.0077-1.990.01IN61.511001001101771.50390.0039-1.500.00IN71.011100110011510.99610.0039-0.990.01深入的分析其产生差异的原因是有转换精度的影响。AD分辨率是只与位数有关系的，分辨率是可以计算的，U/2位数 我的电路就是 5V/28=19.53mV。精度绝对值肯定是大于分辨率的精度，是需要测量出来的，当然也能估算出一个大致的值，计算出的误差值如上表。原理图右边是DAC转换器，将前一级的ADC转换输出的数字量对应输入到DAC0832芯片的8个输入端，使其转换回模拟量进行检验AD的转换功能，并在之后可以进一步分析DA转换的转换精度。因为DA0832转换成的量为电流，要把它化为电压，就设计了一个反向运算放大器，Rfb端为反馈端，变阻器的作用是调零运算放大器，反向运算发大器将转换出的电流值反向放大并转换成电压值，所以输出在Vo显示的为负值，但数值在误差允许范围内是与输入的值相同。从上表看出来由DA模块输出的电压显示看，误差有点大，但是这输出的数据产生的误差包含了两级转换的误差，DA转换时会产生比例系数误差：实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差。也会产生失调误差：该误差为模拟量的实际起始数值与理想起始数值之差，有运算放大器的零点漂移所引起，它使输出电压的转移特性曲线发生平移。还会产生非线性误差：这是一种没有一定变化规律的误差，一般用在满刻度范围内，偏离理想的转移特性的最大值来表示。引起非线性误差的原因较多，例如电路中的各模拟开关存在不同的导通电压和导通电阻，电阻网络中的电阻的误差等都会导致误差。因此要获得高精度的DA转换器，不仅应该选择位数较多的高分辨率的DA转换器，而且电路中还需要高稳定度的Vref基准电压和低零漂的运算放大器件与之配合才能达到要求。5 心得体会通过这次课程设计，我基本掌握了Multisum和Protuse两个仿真软件的使用方法，并在任务的要求下设计了一个AD与DA相互转换的简单电路，并深入的了解了芯片DAC0832和ADC0809的工作原理，初步实现了数模和模数的转换，知道了转换精度与转换误差之间的关系，为以后更深入的学习电路的设计打下基础，在电路仿真的过程中，我也曾遇到过很多困难，例如软件安装失败、找不到相应的元器件和芯片、芯片的工作原理模糊等。但最后我还是成功的完成了设计，并尽量达到任务书上大要求。6 存在的不足及建议了A/D D/A转换器的输出结果值与输入值之间往往会存在误差，当转换精度越高，即数字信号的转换位数越宽，则转换误差越小。而我设计的电路，误差比较大。实际应用中，往往在D/A转换器的输出端加一低通滤波电路对数模转换后的阶梯波形进行滤波处理，使输出波形变得更平滑，以接近实际模拟信号。在今后的学习中，我将进一步研究这一类电路，能进一步减小误差就更好了。参考文献1 Multisim2001电路设计及仿真入门与应用 作者: 郑步生等编著 出版日期: 2002年2月第1版2 数字电子技术实验作者：杨玉国，王秀敏编著 页数：128 出版日期：2006年5月3 电子技术基础数字部分(第五版)作者:康华光主编页数:536 出版日期:2009年2月4 21ic相关网站。5实用数字电路原理与设计速成作者：何书森，何华斌主编页数：339 出版日期：2002年1月6电工电子实验教程（第二版）作者：熊幸明，张跃勤主编；张文希 郭民利 雷敏 副主编 页数:361 出版日期：2013年9月第二版。7电子技术基础 数字部分（第五版）作者：康华光主编 副主编 邹寿彬 秦臻。12