课题： 计数式8位AD转换器的Proteus仿真设计与制作
1、设计目的- 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。
- 学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、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。
- 进行基本技术技能训练，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。
- 培养学生的创新能力。
2、设计指标及要求- 电源±5V；
- 输出数字量8位；
- 误差1LSB；
- 定时开始转换或手动控制开始；
- 有转换结束标志；
- 输入电压直流电压0~2.5V；
- 主要单元电路和元器件参数计算、选择；
- 画出总体电路图；
- 安装自己设计的电路，按照自己设计的电路，在仿真软件上进行仿真搭建。搭建完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接的现象；
- 调试电路；
- 电路性能指标测试；
- 提交格式上符合要求，内容完整的设计报告；
3、总体设计
图 3-1
3.1总体组成及框图图3-1为计数式8位AD转换器的总体框架图，分别由输入直流电压电路、比较器电路、D/A转换电路、计数脉冲产生电路、控制电路、二进制计数器电路、十进制计数器电路、译码显示是电路八个部分组成。
3.2实现电路的组成图及原理
图3-2 总体原理图
工作原理：计数式8位A/D转换器先由555定时器构成的多谐振荡器产生方波信号，产生的方波信号通过控制芯片74LS20构成的四输入与非门，再把74LS20的输出信号输入到由两片74161构成的计数器,由控制电路将信号发送方波出现一次上升沿,计数器由零开始向上计数74161的输出信号经DAC0832数模转换器后,数摸转换器连续的将计数值转换为电压信号，输出的信号经LM324构成的比较器与待转换电压进行比较,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。最后结果由Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0输出。
3.3实现电路的功能及特点
- 比较器电路：将输出电压同比较电压进行比较以此判断输出的是高电平还是 低电平。即转换电压Vx进入比较器的正端，DA转换器转换的模拟电压量Vy则进入比较器的负端与Vx进行比较。若Vx比Vy高，则输出高电平，反之输出为低电平。
- D/A转换电路：将数字量转化为模拟量，实验中选用DAC0832，输出为电流量，还需要转换成模拟电压量与转换电压Vx比较。
- 控制电路：电路选用74LS00，计数功能由比较器和脉冲共同决定，555多谐振荡器输出为上升沿时，实现加记数的功能。
- 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，可使用两个74161完成八位计数。
3.3主要器件通用运放LM324、DA转换器DAC0832、与非门74LS00
元件名称
| 元件数量
| 10K电阻
| 6
| 1K电阻
| 2
| 10K电位器
| 2
| 33K电阻
| 9
| 发光二极管
| 8
| C473电容
| 1
| 47u电容
| 1
| 集成块LM324
| 1
| 集成块555
| 2
| 集成块74161
| 2
| 集成块74LS00
| 1
| 8位D/A转换器DAC0832
| 1
| 导线
| 若干
|
4、单元电路设计
4.1 模拟电压产生电路
图4-1
将1K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0～2.5V。
4.2 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。
LM324比较器：
图4-2 电压比较电路
LM324是四运放集成电路，它采用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。
4.3 DA转换电路
将数字量转化为模拟量，可以选用DAC0832，输出为电流量，需转化成模拟电压量才可以与待转换电压Vx比较。
D／A转换器DAC0832
图4-3 DA转换电路
D/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DAC0832。DAC0832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，电流建立时间为1μs，CMOS工艺，低功耗20mW。DAC0832转换器芯片为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DAC0832中有两级锁存器，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ILE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)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。
DAC0832的引脚功能说明如下：
ILE：输入寄存器允许，高电平有效。
D0～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,Iout2：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。
4.4 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。
555信号发生器:
 
图4-4-1 信号发生器原理图
图4-4-2 脉冲产生电路
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,它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。信号发生器如图所示，它是555定时器构成的多谐振荡器，VCC通过电阻R1、R2向电容C充电，脚2与脚6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C充电，以及通过R向放电端7端放电，使电路产生振荡。广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。电容C充电和放电，其波形如图。
多谐振荡器的振荡频率为：f=1÷［（R1+2R2）］×㏑21÷［（4.7+2×4.7）］×㏑2=10Hz
多谐振荡器的振荡周期：T=1÷f=1÷10=0.1s
4.5 控制电路
可选电路为74LS20，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.
图3-13 74LS20真值表
A
| B
| C
| Z
| 0
| 0
| 0
| 0
| 0
| 0
| 1
| 0
| 0
| 1
| 0
| 0
| 0
| 1
| 1
| 0
| 1
| 0
| 0
| 0
| 1
| 0
| 1
| 0
| 1
| 1
| 0
| 0
| 1
| 1
| 1
| 1
|
图4-5 控制电路
2端接555的输出端产生的方波，1端接与LM324比较器输出的电压，13端接复位开关，三个信号经74LS20构成的与门再输出，输出的信号再输入控制电路。
4.6 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74161。
图4-6 计数电路
74161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；Q0～Q3 是计数输出端，A～D是输入端。最高位是Q3；CO是进位信号输出端；D0～D3 为预置数并行输入端；CTT和CTP是工作状态控制端。74161具有计数、预置、保持、清零等功能。
4.7 输出电路
输出八位分别为Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0,可以用数码管显示。
图4-7 输出电路
将Q7～Q0接两个数码显示管，构成D7～D0的输出电路。
5、调试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。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。观察共阴数码管是否正常显示，观察是否计数。
5.1 原理设计图
图5-1 设计原理图
5.2 结果分析表5-2 数据记录
输入电压/V
| 输出电压（二进制）
| 输出电压（十进制）/V
| 误差计算
| 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%
|
计算公式：
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
误差计算：相对误差 = | 测量值 - 真实值 |/真实值*100%
输出电压的值随输入电压值的增大而增大，输入电压的值与输出电压的值几乎相等，误差小于1LSB。
六. 设计总结
通过此次课设掌握了多种芯片的工作原理，如DAC0832、LM324、555、74161、74LS20、NOT等。
电路设计仿真。电路仿真应考虑各个部分的功能，尽可能使电路简单，方便连接。画原理图时，应标明各元器件的引脚及其他接口，方便连线。先前设计仿真图时，通过设计框图和网上资料查询，仿真的不正确，一直仿真错误，最后经过多方改正设计成功。
要特别注意各个+5v、+10v和-10v接口，接地端口都确保都连接好。
本次课程设计，培养了我们综合运用理论知识解决实际问题的能力，让我们懂得了理论联系实际的重要，为以后的学习和工作起到了促进作用。也锻炼了我们的实践动手能力，提高了自己学习的积极性。
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