AD与DA转换电路设计说明书

1、中北大学课程设计说明书999学生姓名：XXX学 号：XXXXXXXXXX学 院：?电子与计算机科学技术学院专 业：?微电子学题目：A/D与D/A转换电路设计9指导教师：xxx_2012年12月31日9目录1、课程设计目的22、课程设计内容和要求、设计内容2、设计内容23、？设计方案、设计思路2、总体设计框图2、工作原理3、硬件电路原理图9、PCB版图设计114、课程设计总结125、参考文献1、课程设计目的 掌握电子电路的一般设计方法和设计流程； 学习使用PROTEL软件绘制电路原理图及印刷板图； 掌握应用EWB对所设计的电路进行仿真，通过仿真结果验证设计的正确 性。2. 设计内容和要求 查阅熟

2、悉相关芯片资料； 输入正弦波通过A/D转换，把产生的数字信号通过LED数码管显示； 使该数字信号再通过D/A转换； 通过仿真比较输入的正弦波和输出的模拟信号； 利用PROTEL绘制原理图电路和印刷板图，并利用EWB软件仿真。3总体设计方案A/D与D/A转换电路设计方案设计一个A/D与D/A转换电路，可以用单片机做主控制器，采集正弦 波,通过ADC转换器进行数字信号转换，利用单片机主控制器进行数据处 理，通过LED数码管显示数字信号，将转换的数字信号通过DAC转换器实 现数模转换。将输入的正弦波于最后转换输出的模拟信号进行比较，进而 达到实现A/D与D/A转换电路设计。总体设计框图LED界示P

3、示波器显示模姒倍号转换C-图1总体设计方框图A/D与D/A转换电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单 片机AT89C51,数字信号转换采用芯片ADC0809,模拟信号转换采用芯片 DAC0832,使用LED数码管显示数字信号。主控制器单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两 个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系 统可用二节电池供电。ADC转换器ADC0809有三个主要组成部分：256个电阻组成的电阻阶梯及树状开 关、逐次比较寄存器SAR和比较器。电阻阶梯和树状开关是ADC0809的一 个特点。另一个不特点是，它含有一个8通道单端信号

4、模拟开关和一个地 址译码器。地址译码器选择8个模拟信号之一送入ADC进行A/D转换，因 此适用于数据采集系统。12SC27ADCOSO9326425524623CCS219201019111S121713161415INs丙INsIN?IN?STARTEOC 帀OECLOCKV=(+)GNDDiINzINoADDA ADDB ADDC ALED?DgDiDoD2图2 ADC0809引脚图1216ADC0809EOC8位?120D.L9L8L5L4610OESTART CLIC地址 顷存与 译码% J t+i r)ADDA 空 kDDB 空ADDCALE27X 2S4三态输出进存缓冲器X/D17

5、VccGO图3 ADC0809内部逻辑结构CBA被选择的通道0 0 00 0 1巩0 1 0III0 1 1珥1 0 0IH,1 0 11 1 0巩1 1 1IN.表1通道选择表图2为引脚图。各引脚功能如下:（1）巩IN。一一模拟量输入通道（2）ALE一一地址锁存允许信号（22脚），是通道地址锁存输入端。当ALE上升沿到来时，地址锁存器可对ADDA、ADDB、ADDC锁定。下一个A LE上升沿允许通道地址更新。实际使用中，要求ADC开始转换之前地址就 应锁存，所以通常将ALE和START连在一起，使用同一个脉冲信号，上升 沿锁存地址，下降沿则启动转换。（3）START转换启动信号。START上

6、升沿时，复位ADC0809； STA RT下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保 持低电平。本信号有时简写为ST.（4）A、B、C一一地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地 址，引脚图中为ADDA, ADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表1。（5） CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信 号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信 曰.（6）EOC转换结束信号（7脚）。EOC二0,正在进行转换；E0C二1, 转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请 求信号使用。是转换结束信号

7、，由ADC内部控制逻辑电路产生。当E0C二0 时表示转换正在进行，当E0C二1表示转换已经结束。因此E0C可作为微机 的中断请求信号或查询信号。显然只有当E0C二1以后，才可以让0E为高 电平，这时读出的数据才是正确的转换结果。（7）几仇一一数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机 的数据线直接相连。几为最低位，0；为最高。（8）0E输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出 转换得到的数据。0E二0,输出数据线呈高阻；0E二1,输出转换得到的数据。（9）Kc+5V电源。（10）ref一一参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为（/*产+5V, /

8、心产-5V）。显示电路显示电路采用8位共阳极LED数码管，段选接P0 口，位选接、，在AT89C51的控制下，由ADC0809采集且转换为数字信号，由PO 口输出送液 晶显示模块LED上显示。数字信号通过芯片DAC0832进行转换为模拟信号, 通过示波器显示。DAC转换芯片DAC0832是用CMOS工艺制成的20只脚双列直插式单片八位D/A转换 器。它由八位输入寄存器、八位DAC寄存器和八位D/A转换器三大部分组 成。它有两个分别控制的数据寄存器，可以实现两次缓冲，所以使用时有 较大的灵活性，可根据需要接成不同的工作方式。DAC0832芯片上各管脚的名称和功能说明如下：1引脚功能DAC0832

9、的逻辑功能框图和引脚图如图4所示。各引脚的功能说明如 下：图4 DAC0832的逻辑功能框图和引脚图 氏:片选信号，输入低电平有效。ILE :输入锁存允许信号，输入高电平有效。 两:输入寄存器写信号，输入低电平有效。 呢:DAC寄存器写信号，输入低电平有效。XFER :数据传送控制信号，输入低电平有效。DgDI；： 8位数据输入端，Dm为最低位，为最高位。Autl : DAC电流输出lo此输出信号一般作为运算放大器的一个差 分输入信号（通常接反相端）。厶辭：0AC电流输出2, Zoutl + Iout2 =常数。Rfb ：反馈电阻。re :参考电压输入，可在+iov一iov之间选择。匚：数字部

10、分的电源输入端，可在+5V+15V范围内选取，+15V 时为最佳工作状态。AGND：模拟地。DGND：数字地。工作原理及硬件框图A/D转换过程A/D转换器是模拟系统和数字系统之间的接口电路，A/D转换器在进行转换期间，要求输入的模拟电压保持不变，但在A/D转换器中，因为输 入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散的，所以进行 转换时只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号进行采样，然后再把这 些采样值转化为输出的数字量，一般来说，转换过程包括取样、保持、量 化和编码四个步骤。A/D转换的一般步骤如下：（一）采样和保持釆样（又称抽样或取样）是对模拟信号进行周期性地获取样值的过程, 即将

11、时间上连续变化的模拟信号转换为时间上离散、幅度上等于采样时间 内模拟信号大小的模拟信号，即转换为一系列等间隔的脉冲。为了不失真地用采样后的输出信号仇来表示输入模拟信号乞，采样频 率兀必须满足：采样频率应不小于输入模拟信号最高频率分量的两倍，即 出,其中_为输入信号耳的上限频率（即最高次谐波分量的频率）。ADC把采样信号转换成数字信号需要一定的时间，所以在每次采样结 束后都需要将这个断续的脉冲信号保持一定时间以便进行转换。（二）量化和编码输入的模拟信号经采样和保持电路后，得到的是阶梯形模拟信号，它 们是连续模拟信号在给定时刻上的瞬时值，但仍然不是数字信号。必须进 一步将阶梯形模拟信号的幅度等分成

12、n级，并给每级规定一个基准电平值, 然后将阶梯电平分别归并到最邻近的基准电平上。这个过程称为量化。量 化中采用的基准电平称为量化电平，采样保持后未量化的电平岛值与量化 电平化值之差称为量化误差各，即各二匕-久。量化的方法一般有两种：只 舍不入法和有舍有入法（或称四舍五入法）。我们将用二进制数码来表示 各个量化电平的过程称为编码。此时把每个采样值脉冲都转换成与它的幅 度成正比的数字量，才算全部完成了模拟量到数字量的转换。只舍不入的方法是：取最小量化单位A =UJ2其中U.为模拟电压最 大值，n为数字代码位数，将0之间的模拟电压归并到0A,把A 2A之间的模拟电压归并到1,依此类推。这种方法产生的

13、最大量化误 差为A。比如，将01卩的模拟电压信号转换成三位二进制代码。有入 二1W8,那么018之间的模拟电压归并到0,用000表示，1W8 2 8之间的模拟电压归并到1A ,用001表示，依此类推直到将7 8 1卩之间的模拟电压归并到7，用111表示，此时最大量化误差为1 8。 该方法一一简单易行，但量化误差比较大，为了减小量化误差，通常采用 另一种量化编码方法，即有舍有入法。有舍有入的方法是：取最小量化单位二21V （21）,其中4仍为 模拟电压最大值，n为数字代码位数，将0A/2之间的模拟电压归并到 0,把A/23A/2之间的模拟电压归并到1,，依此类推。这 种方法产生的最大量化误差为A

14、/2。用此法重做上例，将017的模拟电 压信号转换成三位二进制代码。有厶二2 15,那么将01 15之间的模 拟电压归并到0A,用000表示，把1015315以内的模拟电压归并 到1，用001表示，直到将13P7151 /之间的模拟电压归并到7 , 用111表示，很明显此时最大量化误差为1 15。比上述只舍不入方法的最大量化误差1 V/S明显减小了（减小了近一半）o因而实际中广泛采用有 舍有入的方法。当然，无论采用何种划分量化电平的方法都不可避免地存 在量化误差，量化级分的越多（即ADC的位数越多），量化误差就越小， 但同时输出二进制数的位数就越多，要实现这种量化的电路将更加复杂。因而在实际工

15、作中，并不是量化级分的越多越好，而是根据实际要求，合 理地选择A/D转换器的位数。图5表示了两种不同的量化编码方法。U】（二 代表U】（二 代表（b）有舍有入法（a）只舍不入法图4两种量化编码方法的比较D/A转换过程设需要转换的n位的二进制数字量是,血血，其大小可表示为：D 二 d+ di?2】+ d2?22+ +dn_,?2nlDAC按照上式将二进制数的每一位转换成与其大小成正比的模拟量， 然后相加起来，就得到与该数字量大小成正比的模拟量。通常一个D/A变 换器的组成，主要由电子开番，电阻网络和运放组成.如下图所示：电阴该电阻网络加有基准电源US,与权电阻配合产生各种规格的电压。U0 是这一

16、系列二进制电压的迭加值，电压正是US量化的结果，U0的表达式为：UO =(dl+ d 2?21 + d 3 ? 22+ + d n ? 2n-l) ? US从上式可看出，输出的模拟电压UO的大小与数字量d成正比，从而 实现了从数字量到模拟量的变化。硬件电路原理图U1E1ZSEVEN. MPXaCt.QLlJE1t5ZFCUfi/JM WEPSAML/ * -:2电路图QCTAMX OV.M 2T.WDXXJ3.05 3tf.KSI7W?rrjkw rzx?lieIKou1OUT?111otrrzOUTAPI 3OUKcOUT?AIK0U15vre(Mvrtooe11tuD,46ts ClS 5

17、7 MMl510电路仿真电路仿真图1Channel CLog4)OFFn-zenmVfhannd RChanil DX.TCO-15；WIHDigi-a OscillosccpeSource8 CIllU1LLUPostionJ冃D*Pofihicn30Position he rrai鸽 Fi gOFFChannel A仿真图2PCB版图PCB版图1PCB版图2A/DS/A转换4、课程设计总结这是自己第一次做的课程设计，从查资料到完成设计整整花了两个星 期。在设计电路中遇到了很多自己不懂的知识，必须自己去查阅，去学习。 待别是单片机，以前没学过在这花费的时间比较多，单片机的软件语言还 没学会，还需要自己以后多加的学习。一开始本想用protel99 se软件去 做，但是后来发现有很多器件在protel99 se软件中都没找到，给自己设 计电路带来了很多的不便，只能改在proteus软件上去做。PCB版图的制 作要细心，耐心的去布线。从这次的课程设计中，加强了自己独立思考和 解决问题的能力，使我深刻的意识到，在以后