AD转换器课程设计.doc

1 湖湖 南南 人人 文文 科科 技技 学学 院院 课程设计报告课程设计报告 课程名称课程名称 电子技术课程设计 设计题目设计题目 AD 转换器设计 系系 别 别 通信与控制工程系 专专 业 业 自动化 班班 级 级 09 级自三班 学生姓名学生姓名 张鹏军 曾涛 江志源 学学 号号 09421313 09421314 09421302 起止日期起止日期 2011 6 6 6 24 指导教师指导教师 李朝鹏 教研室主任 方智文 2 指导教师评语指导教师评语 指导教师签名 年 月 日 成成 绩绩 项项 目目权重权重 曾涛曾涛张鹏军张鹏军江志源江志源 1 设计过程中出勤 学习态 度等方面 0 2 2 课程设计质量与答辩 0 5 3 设计报告书写及图纸规范 程度 0 3 成成 绩绩 评评 定定 总 成 绩 教研室审核意见 教研室主任签字 年 月 日 教学系审核意见 主任签字 年 月 日 3 摘 要 AD 转换器是一种能把输入模拟电电压或电电流变成与它成正比的数数字量 即能 把被控对对象的各种模拟信息变成计计算机可以识别的数字信息 本电路由 AD 转 换器器 定时器 计数器组成 其中 AD 转换器器由 ADC0809 集成芯片组成 定时器器 由 NE555D 定时器组成 计数器由 74LS161 组成 本设计有以下电路组成 1 电压 比较电路 2 NE555D 定时器时钟取样电路 3 ADC 集成芯片转换电路 4 LS161 芯片计数器通道电路 AD 转换器要将时间和幅值都连续的模拟量 转换为时间 幅值 都离散的数字量 一般要经过取样 保持和量化 编码几个过程 本设计与市场同类 产品设计相比 具有电路简单 结构合理 制作方便 工作可靠 功能齐全等优势 在要求转换速度比较高的场合可选用并行 AD 转换器 关键词 AD 转换器 定时器 时钟信号 计数器 单次脉冲 4 目录目录 1 1 设计要求与目的 设计要求与目的 4 4 1 1 设计要求 4 1 2 设计目的 4 2 2 方案对比 方案对比 4 4 2 1 设计方案 4 2 1 1 方案一 4 2 1 2 方案二 4 2 1 3 方案三 4 2 2 方案优选 5 3 3 原理分析 原理分析 5 5 3 1 整体思路 5 3 2 对各部分电路分析 6 3 3 对整体电路分析 13 4 4 PCBPCB 版制作与调试版制作与调试 1414 4 1 基本流程 14 5 5 元件清单 元件清单 1515 6 6 课程设计结论 课程设计结论 1 16 6 参考文献参考文献 1 16 6 致谢致谢 1 16 6 附录 附录 1 17 7 5 AD 转换器设计 1 设计要求与目的 1 1 设计要求 a 电源 5V b 输出数字量 8 位 c 误差 1LSB d 带转换开始控制 e 输入电压直流电压 0 2 5V f 主要单元电路和元器件参数计算 选择 g 画出总体电路图 h 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 i 调试电路 j 电路性能指标测试 6 k 提交格式上符合要求 内容完整的设计报告 1 21 2 设计目的设计目的 a 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 b 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 c 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 d 培养学生的创新能力 2 2 方案对比 方案对比 2 1 设计方案 AD 转换器设计有多种设计方案 各有各的优点和缺点 以下我们来介绍分析 2 1 12 1 1 方案一 逐次比较式 ADC 0809 可以进行八路 A D 转换 并且这种器件使用时无需进行调零和满量程调整 转换速度和精度属中高档 售价又不贵 所以 一般控制场合采用这些 ADC 0809 或 0800 系列 的 A D 转换片是比较理想的 2 1 2 方案二 双积分式 以二进制或BCD码的形式输出 精度高 抗干扰能力强 价格便宜 但转换速度较 低 但电路设计与连接比较复杂 且速度太慢 2 1 3 方案三 VFC式 利用积分原理 将输入电压 或电流 转换成频率输出 脉冲频率与输入电压 或电 流 成比例 其精度高 线性度好 转换速度居中 转换位数与速度可调 与CPU的连 7 线最少 且增加转换位数时不会增加与CPU 的连线 这不太适合本实验 2 22 2 方案优选方案优选 综上所述 我们选择第一种方案 综上所述 我们选择第一种方案 3 原理分析 3 13 1 整体思路整体思路 3 23 2 对各部分电路分析对各部分电路分析 1 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 NE555D 定时器时钟取样电路 2 NE555 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 8 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 由 555 定时器和外接元件 RA RB C 构成多谐振荡器 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 电容 C 充电 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 C47 3 通过 RB 向放电端 7 端放电 当两端电压下降到 1 3 的 Vcc 时 触发器又被复位 Vo 翻转为高电平 电容 C 在 1 3 Vcc 和 2 3 Vcc 之间充电和放电 从而使信号发 生器产生方波信号 9 充电时间为 0 7 R1 R2 C 0 7 10 103 10 103 47000 10 12 6 58 10 4s 放电时间为 0 7 R2 C 0 7 10 103 47000 10 12 3 29 10 4s 周期 T 6 58 1 0 4 3 29 10 4s 9 87 10 4s NE555D 定时器电路 3 ADC 集成芯片转换电路 ADC 0809 是 8 位 A D 转换器 它的转换方法为逐次逼近法 ADC 0809 为 CMOS 工艺 其外引脚为 28 脚 管脚排列如图 1 16 2 所示 各个管脚的功能如下 IN0 IN7 八个模拟量输入端 10 START 启动 A D 转换 当 START 为高电平时 开始 A D 转换 EOC 转换结束信号 当 A D 转换完毕之后 发出一个正脉冲 表示 A D 转换结束 此信号可用做 A D 转换是否结束的检测信号或中断申请信号 加一个反相器 C B A 通道号地址输入端 C B A 为二进制数输入 C 为最高位 A 为最低位 CBA 从 000 111 分别选中通道 IN0 IN7 ALE 地址锁存信号 高电平有效 当 ALE 为高电平 允许 C B A 所示的通道被选 中 并把该通道的模拟量接入 A D 转换器 CLOCK 外部时钟脉冲输入端 改变外接 R C 可改变时钟频率 D7 D0 数字量输出端 VREF VREF 参考电压端口 用来提供 D A 转换器权电阻的标准电平 一 般 VREF 5V VREF 0V Vcc 电源电压 5V GND 接地端 11 12 13 14 4 LS161 芯片计数器通道电路 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 Q 3 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 74LS161 具有计数 预置 保持 清 零等功能 图 2 计数器 LS161 电路 3 33 3 对整体电路分析对整体电路分析 总体原理图如图 8 15 图 8 AD 转换器原理图 所谓模数 A D 转换 就是把模拟量信号转换成数字量信号 A D 转换的方法很 多 本实验中用到的是逐次逼近式 A D 转换集成块 其原理图如图 12 1 所示 它是将 一个待转换的模拟信号 Vi 与一个 推测 的数字信号经 D A 转换成 VI 相比较 根据 推测 信号是大于还是小于输入信号 即比较器输出 0 或 1 来决定减小还是增大该 推测 信号 然后 再进行比较 以便向模拟输入信号逐渐逼近 推测 信号是从 二进制的最高位起 依次置 1 逐位比较 直到最后一位 D A 的数字输入即对应输入 模拟量 为 A D 的输出 图 12 1 中 START 为启动转换信号输入端 EOC 为转换完成 信号输出端 逐次逼近 AD 转换器 16 4 PCB 版制作与调试 4 14 1 基本流程 基本流程 1 PCB 设计 PCB 板的制作是运用 Protel DXP 软件来绘制 利用 DXP 制板的基本 流程 准备原理图 设置 PCB 设计环境 载入网络表 并纠正网络表的宏错误 布线 规则设置 布线 PCB 的优化 DTC 检查 保存文件与输出 准备原理图 根椐所画的电路图 在元件库中查找到所要求的元件符号 在 DXP 中绘制出原理图 在选择元件的时候特别要注意元件的封装是否符合所需的封装要求 布线设置主要设置线宽为 20mil 焊盘通孔大小为 0 8mm 焊盘为 2mm 采用底层布线 其他为默认设置 布线采用单面板布线 布线原则 逻辑清晰 接线牢固 测试方便 美观大方 PCB 的优化主要设置焊盘的大小与某些线的宽度及布线的路径 焊盘一般采用圆形 框为 2mm 2mm DTC 检查的主要任务是对先前的设计规则进行检查 查看是否有违反规则的地方 如 实际线宽是否比规则设置中的最大值还大或小 是否还存在没有彻底布通的网络等 保存文件与输出是保存设计中的各种文件 并打印输出 包括 PCB 文档 元件清 单等 设计工作结束 打印时可以把孔打印成实心 可以自己控制孔的大小方便打孔 2 热转印 通过打印机 PCB 图打印到热转印上 然后选择大小合适的铜板 将铜 板表面打磨干净之后 用带有 PCB 图的那一面同铜板贴紧 经过热转印机 温度约 120 度 转印三次 即把热转印纸上的 PCB 图转印到铜板上 3 腐蚀 腐蚀这一过程是电路板成功的关键 将腐蚀液倒入腐蚀机加热至 75 度 后 将已经热转印的铜板放入腐蚀机进行腐蚀 腐蚀时间约一分钟即可 拿出洗净后 如果没有发现断线 短路等情况即可 4 焊接元件 根据原理图 在 PCB 板上焊接元件 焊接时要特别注意不要出现在 虚焊 短路等 元件的正负极反接 错接 5 元件清单 17 元件清单如表二所示 表二 元件清单 元器件型号 参数数量备注 芯片 74LS1611 芯片 NE555D1 芯片 ADC0809 1 电阻器 1k1 无极性电容 1041 无极性电容 1031 微调电阻 1k1 电阻 1K1 电阻 1K1 发光二极管红色 9 点触开关 5 表二 6 课程设计结论 近三个星期的课程设计 让我们组的成员都充分认识到理论运用于实践 实践建 立在理论之上的重要性 两年的学习和二十天的昼夜奋战 我们终于成功的完成了 AD 转换器设计并成功的制作出 PCB 板 在设计和制作的过程中 我们了解到了一些未接 触的知识 学习到了很多的设计和制版技巧 理解了团队精神的重要性 每一位组员 积极地参与与配合 保持清晰地思路 有序地设计与制作过程是我们成功的关键 此 次设计的成功涉及的因素主要有 1 各组员积极地态度 2 各组员对知识的掌握程度 3 与老师的协商及对实验元件的了解 4 通过仿真软件对设计电路进行仿真 5 对实验流程的掌握及实验中可能会出现的错误和误差的推测 6 对第五个因素中推测出的错误和误差进行反复的修改和论证 18 课程设计的时间将近三个星期 时间比较充分 系部老师积极帮助学生解决一些 复杂问题 学生细心听取老师的意见和指导 但是学校有些元器件的储备不足也给学 生带来了一系列不必要的困难 当然 学生应该理解和积极的配合老师的工作 根据 学校所能提供的元件对方案进行适当的修改 尽量用自己所学的知识排除这一外界因 素 参考文献 1 康华光主编 电子技术基础 模