基于EWB的电路设计与仿真--DAC、ADC电路部分.doc

基于EWB的电路设计与仿真 DAC、ADC电路部分前言在当今电子设计领域，EDA设计和仿真是一个十分重要的设计环节。在众多的EDA设计和仿真软件中，EWB以其强大的仿真设计应用功能，在各高校电信类专业电子电路的仿真和设计中得到了较广泛的应用。EWB及其相关库包的应用对提高学生的仿真设计能力，更新设计理念有较大的好处。EWB最突出的特点是用户界面友好，各类器件和集成芯片丰富，尤其是其直观的虚拟仪表是EWB的一大特色。EWB所包含的虚拟仪表有：示波器，万用表，函数发生器，波特图图示仪，失真度分析仪，频谱分析仪，逻辑分析仪，网络分析仪等。而通常一个普通实验室是无法完全提供这些设备的。这些仪器的使用使仿真分析的操作更符合平时实验的习惯。 本次毕业设计主要是应用EWB（电子工作平台）软件来设计和仿真DAC和ADC部分电路，并通过硬件实验的调试来相互验证实际结果。1 EWB软件的简介1.1 EWB软件的概述随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。电子设计自动化（EDA）技术，使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动设计。EDA是在计算机辅助设计（CAD）技术的基础上发展起来的计算机设计软件系统。与早期的CAD软件相比，EDA软件的自动化程度更高、功能更完善、运行速度更快，而且操作界面友善，有良好的数据开放性和互换性。 电子工作平台Electronics Workbench (EWB)(现称为MultiSim) 软件是加拿大Interactive Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件，它具有这样一些特点：（1）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。（2）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。（3）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。（4）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。1.2 EWB软件的操作界面1EWB的主窗口2元件库栏3信号源库4基本器件库 二极管库5指示器件库 1.3 EWB软件基本操作方法介绍EWB软件具体操作方法很细，下面就常用仪器举例说明：（1） 数字多用表数字多用表的量程可以自动调整。下图是其图标和面板。（2）示波器示波器为双踪模拟式，其图标和面板如下图所示。（3）信号发生器信号发生器可以产生正弦、三角波和方波信号，其图标和面板如下图所示。可调节方波和三角波的占空比。（4）波特图仪波特图仪类似于实验室的扫频仪，可以用来测量和显示电路的幅度频率特性和相位频率特性。波特图仪的图标和面板如下图所示。波特图仪有IN和OUT两对端口，分别接电路的输入端和输出端。每对端口从左到右分别为+V端和-V端，其中IN端口的+V端和-V端分别接电路输入端的正端和负端，OUT端口的+V端和-V端分别接电路输出端的正端和负端。此外在使用波特图仪时，必须在电路的输入端接入AC（交流）信号源，但对其信号频率的设定并无特殊要求，频率测量的范围由波特图仪的参数设置决定。2 DAC、ADC电路的原理随着数字计算机的普及，使得它在国民经济各部门和国防上已经获得愈来愈广泛的应用，而数/摸和摸/数转换器则是计算机和用户之间不可缺少的接口部分。自然界所存在的一些物理量，大量的是模拟量，例如压力、流量、温度、轴角、光通量、位移等。它们是非电模拟量。这些模拟量不能送进数字计算机进行处理，必须先经传感器件将其转换成模拟电信号，经过放大后送至模拟/数字转换器，将模拟信号转换成数字信号。数字信号经过数字计算机分析处理后，其输出仍是数字信号，所以必须经过数字/模拟转换器，将数字信号转换成模拟信号，将数字信号转换成模拟信号后，才能送去控制执行元件。上述过程可用图1-1表示。图1-1A/D、D/A转换器在数字系统中的应用下面就介绍数/摸转换器DAC，DAC的任务就是将输入的数字信号转换成与输入数字量成正比的输出模拟量电流i和电压u 。2.1 DAC的电路形式及工作原理权电阻DAC和倒T型网络DAC电路形式相关介绍略。下面简单介绍有关集成ADC和集成DAC的相关知识：2.1.1集成DAC目前集成DAC很多，采用R-2R倒T型网络的DAC有DAC0832（八位）、AD7520（十位）、DAC（十二位）等。采用权电流的DAC有AD1408、DAC0806、DAC0808。下面介绍AD7520。AD7520的内部结构图类似图1-4，只有它是由10个节点的倒置R-2R倒T型网络等组成，并将运算放大器的反馈电阻RF与道T型网络电阻的性能及所处环境保持一致，以提高器件的转换精度。它内部不含运算放大器，使用时需外加。图1-4为AD7520的引脚图。图 2-1 AD7520引脚图D0D9为10个数码控制位，控制着内部CMOS的电流开关。IO1和IO2为电流输出端。Rf端为反馈电阻Rf的一个引出端，另一个引出端和IO1端连接在一起。UREF端为基准电压输入端。+UDD端接电源的正端。GND端为接地端。 2.1.2 D/A转换器的主要技术参数1) 转换特性：输入的是n位二进制数字信息B，输出的是与输入数字量成正比例的电压或电流。2) 转换时间：指数字量输入到转换输出稳定为止所需的时间。3) 线性度：当数字量变化时，D/A输出的电模拟量按比例关系变化的程度。模拟量输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。4) 分辨率：电路所能分辨的最小输出电压增量ULSB与满刻度输出电压Um 之比。实际中有时也常常用位数来表示分辨率。5) 精度： 实际输出值与理论计算值之差。这种差值是由转换过程中的各种误差引起的，主要指静态误差，它包括以下几种（1）非线性误差（2）比例系数误差（3）漂移误差（4）转换时间此外，还有输入低电平、电源电压范围、基准电压范围、温度系数等参数。2.2 ADC的电路形式及工作原理2.2.1集成ADC常用的集成A/D转换器有8位、10位、12位、16位等，每种又可分为不同的型号。下面以ADC0809为例介绍集成A/D转换器的内部结构与外部特性。（1）主要性能 分辨率：8位； 转换时间：100s； 相对精度：1LSB； 采用单电源供电、电源电压为+5V、功耗为15mW。（2）ADC0809的内部结构和引脚功能 ADC0809是较流行的中速廉价型单通道八位全MOS A/D转换器，它内部含时钟电路，只要外接一个电阻和一个电容就可由自身提供时钟信号，允许模拟输入信号是差动的或不共地的电压信号。ADC0809的工作过程如下：先送出控制信号使CS、WR为低电平，从而启动A/D转换器；当A/D转换器转换结束时有一低电平信号从A/D转换器的INTR端口输出；与之相连的系统得到这一信号后便可送出控制信号（读信号）使CS、RD为低电平，这时，转换后的数据便出现在DB7DB0端口上供系统读取。ADC0809是用CMOS工艺制成的逐次比较型A/D转换器，采用28引脚双列直插式封装。(A)内部结构图和管脚排列图 该芯片的内部机构图和管脚排列图分别如图(a)和(b)所示。(B)主要组成及功能 该芯片 内部由8位 模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、电阻网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器、控制与时序电路、三态输出锁存器等组成。虚线框中为芯片核心部分。各部分功能大致如下。 地址锁存与译码器控制8位模拟开关，实现对8路模拟信号的选择。8个模拟输入端能接收8路模拟信号，但相对某一时刻只能选择其中的一路进行转换。树状开关与256R电阻网络一起构成D/A转换电路，产生与逐次逼近寄存器中二进制数字量对应的反馈模拟电压，送至比较器，与输入模拟电压进行比较。比较器的输出结果和控制与时序电路的输出一起控制逐次逼近寄存器中的数据从高位至低位变化，依次确定各位的值，直至最低位被确定为止。在转换完成后，转换结果送到三态输出缓冲器。当输出允许信号OE有效时，选通输出缓冲器，输出转换结果。(C)引脚功能ADC0809共有28个引脚，各引脚功能如下： IN0IN7：8路模拟电压输入端。 A，B，C：模拟输入通道的地址选择线。当CBA=000时，选中IN0；CBA=001时，选中IN1依此类推，当CBA=111时，选中IN7。 ALE：地址锁存允许信号输入端。该端接高电平时有效，仅当该信号有效时，才能将地址信号锁存，经译码后选中一个通道。 START：启动转换脉冲输入端。该端所加信号的上升沿将所有内部寄存器清0，下降沿开始进行模数转换。 CLK：时钟脉冲输入端。D7D0：数据输出端，D7为高位。 OE：输出允许端，高电平有效。该端为高电平时，打开三态输出缓冲器，输出转换结果。 UREF(+)和UREF(-)：参考电压正端和负端。应用说明： ADC0809可直接与微机系统相连接。 图2-2 ADC0809的应用电路如图2-2所示的为ADC0809的应用电路，它主要用于外部模拟电压的采集。ADC0809为八位8路A/D转换芯片。由W78E51的P2.0、P2.1控制ADC0809的选通。模拟量的输入电压标称值为05V，而通信电源一般采用交流220V或直流24V和48V。交流220V可通过整流、稳压后得到标准的5V电压；直流24V、48V电压的采样可通过极性转换，将负电压转换为正电压后再分压得到；单片机的空余I/O口作为设备告警信号输入端，在程序中可灵活设置报警阈值。一旦电源电压过低或过高，W78E51便将ADC0809采样的电压值通过拨号器发送到值班人员的BP机，从而达到无人值守的目的。具体程序略。 ADC0809的工作过程如下：先送出控制信号使CS、WR为低电平，从而启动A/D转换器；当A/D转换器转换结束时有一低电平信号从A/D转换器的INTR端口输出；与之相连的系统得到这一信号后便可送出控制信号（读信号）使CS、RD为低电平，这时，转换后的数据便出现在DB7DB0端口上供系统读取。2.2.2 A/D转换器的主要技术参数 （1）分辨率： 分辨率是指输出数字量变化一个最小单位(最低位的变化)，对应输入模拟量需要变化的量。 输出位数越多，分辨率越高。通常以输出二进制码的位数表示分辨率。 （2）相对精度： 相对精度是指实际转换值偏离理想特性的误差。通常以数字量最低位所代表模拟输入值来衡量，如相对精度不超过1/2LSB 。（3）转换时间 ： 转换时间是指A/D转换器从接到转换命令起到输出稳定的数字量为止所需要的时间。它反映A/D转换器的转换速度。 此外，还有输入电压范围、功率损耗等。3 EWB仿真及其应用设计3.1 DAC电路设计1.电路设计基本原理能够将数字信号转换成模拟信号的器件称为数模转换器（DAC），DAC根据电路结构的不同，又分为很多类型：权电阻网络D/A转换器、倒T型电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换器、权电容网络D/A转换器和开关树型D/A转换器等。经D/A转换器输出的模拟量与输入的数字量之间的关系为： 可见，模拟电压正比于输入的数字量，从而实现了从数字量到模拟量的转换。有公式可知输出电压的变化范围为：分辨率是衡量D/A转换器转换精度的一个重要标志，一般用D/A转换能够分辨出来的最小电压与最大电压的比值给出，即： 分辨率=可见，DAC的位数越多，它的分辨率越低，分辨能力就越高。2.EWB仿真电路设计3.EWB仿真结果3.2 ADC电路设计1ADC的基本原理ADC（又称A/D）是将模拟信号转换成数字信号的电路。描述它的主要技术指标有：分辨率与量化误差、转换速度、温度系数、电源抑制。集成的A/D转换电路很多，其中ADC0809是一种常用逐次逼近型的A/D集成电路。实现信号的模数转换需经过采样、保持、量化、编码四个过程，采样就是将时间上连续变化的模拟信号定时加以检测，取出某一时刻的值，得到时间上断续的信号。为了得到一个稳定的值，要求将采样后所得到的模拟信号保持一段时间，直到下一个脉冲信号的到来，经保持后获得的不再是一串脉冲，而是一个阶梯脉冲信号。量化就是将采样保持后获得时间上的饿离散、幅度上连续变化的模拟信号取整变为离散量的过程。量化后的信号数值用二进制代码表示，即为编码。2.EWB仿真电路设计3.EWB仿真结果4 硬件实验调试4.1 DAC调试 1.电路如图所示：实验过程中：DAC0832的片选CS0832孔接译码处228H孔。2.实验说明及实验程序框图D/A转换是把数字量转化成模拟量的过程，本实验输出为模拟电压信号，本次实验生成的波形较为简单，有兴趣者可试编程序生成各种波形，如方波，正弦波等，也可与键盘显示模块结合起来，构成一个简单的波形发生器，通过键盘输入各种参数，如频率，振（小于5V），方波的占空比等。3仿真结果说明通过分析具体验证了DAC芯片的过做过程，具体各项参数也达到了电路应用设计的预期要求。实验程序与硬件电路连接调试的结果符合实验和理论的要求。4.2 ADC调试1.实验电路及连线CS0809接8000H。 模块电位器V-OUT点(即中心抽头)接至ADC0809的IN0（通道0）。EOC连P3.2（INT0）。将单片机的P1.0P1.7接至八位发光二极管L1 - L8。（见下图） 本示例程序采取了中断处理来正确读取A/D转换的结果。用户也可以用延时来保证A/D转换完成。读取结果由P1口送至八位发光二极管显示。2.实验程序框图 3.仿真结果说明A/D转换器输出数字量的大小不仅与输入的模拟电压量有关，而且还与参考电压有关。满量程参考电压越小，A/