1. 選題背景1.1 設計目的- 本次計數型AD轉換器課程設計是電子科學與技術專業在學習了《數字電子技術基礎》
和《電路分析》后，進行一次實際動手設計訓練。培養理論聯系實際的正確設計思想，訓練綜合運用已經學過的理論和生產實際知識去分析和解決工程實際問題的能力。
2)熟悉幾種常用集成數字芯片，并掌握其工作原理，進一步學會使用其進行電路設計。學習較復雜的電子系統設計的一般方法，提高基于模擬、數字電路等知識解決電子信息方面常見實際問題的能力，由學生自行設計、自行制作和自行調試。
3)進行基本技能訓練，如基本儀器儀表的使用，常用元器件的識別、測量、熟練運用的能力；初步掌握數字電子線路安裝、布線、焊接、調試等基本技能；掌握組裝、調試方法；掌握設計資料、手冊、標準和規范以及使用仿真軟件、實驗設備進行調試和數據處理等， 并按要求編寫相關的設計說明書、技術文檔和總結報告等。
4)培養學生的創新能力，鍛煉主動思考的思維方式。
5)培養認真嚴謹的工作作風和實事求是的工作態度。
1.2 技術要求3) 帶轉換開始控制；
4) 輸入電壓直流電壓0～5V；
5) 主要單元電路和元器件參數計算、選擇；
6) 畫出總體電路圖；
7) 安裝自己設計的電路，按照自己設計的電路，在通用板上焊接；
8) 焊接完畢后,應對照電路圖仔細檢查，看是否有錯接、漏接、虛焊的現象；
9) 調試電路；
10) 電路性能指標測試；
11）提交格式上符合要求，內容完整的設計報告。
1.3 設計指導思想將數字信號通過DAC0832轉換成模擬信號，與所給出的電平進行比較，并將比較的結果通過二極管間接表示出來。
2. 方案論證 設計原理：先由555定時器構成的多諧振蕩器產生方波信號，輸入由控制芯片74HC11構成的三輸入與門，再把74HC11的輸出信號輸入到由兩片74HC161構成的計數器,74HC161的輸出信號經DAC0832數模轉換器后,輸出的信號經LM324構成的比較器與待轉換電壓進行比較,最后結果由Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0輸出。
設計電路特點：轉換速度快、電路設計與連接簡單、價格便宜。
3. 過程論述3.1 設計思路 將數字信號通過DAC0832轉換成模擬信號，與所給出的電平進行比較，并將比較的結果通過二極管間接表示出來。
3.2 總體設計框圖及工作原理圖3-1 計數型A/D轉換器框圖
圖3-2 總體設計框圖
上圖為計數式8位A/D轉換器的總體設計框圖。該八位AD轉換器由以下幾部分組成：1）模擬電壓產生電路 2）電壓比較電路 3） DA轉換電路 4）脈沖產生電路 5）控制電路 6）計數電路 7）輸出電路。
工作原理：計數式8位A/D轉換器先由555定時器構成的多諧振蕩器產生方波信號，產生的方波信號通過控制芯片74HC11構成的三輸入與門，再把74HC11的輸出信號輸入到由兩片74HC161構成的計數器,由控制電路將信號發送方波出現一次上升沿,計數器由零開始向上計數74HC161的輸出信號經DAC0832數模轉換器后,數摸轉換器連續的將計數值轉換為電壓信號，輸出的信號經LM324構成的比較器與待轉換電壓進行比較,當輸入電壓大于數模輸出電壓時，計數器繼續計數，直到兩者相等的瞬間才停止計數，保存在計數器內的數即代表輸入電壓值。最后結果由Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0輸出。
3.3 各單元電路設計特點及工作原理3.3.1 模擬電壓產生電路：在電位器上產生0～5V的待轉換電壓。
圖3-3 模擬電壓產生電路
將10K電阻與10K電位器相連，電阻一段接+10V電壓，電位器一端接地，電位器中間接輸出，則可以得到輸出電壓在0～5V。
3.3.2 電壓比較電路：比較兩個電壓值進行判斷并輸出高電平或低電平，待轉換電壓VX進入比較器正端，而經DA轉換器轉換出的模擬電壓量VY則進入比較器負端與VX比較。若VX>VY，則比較器輸出為高電平，反之為低電平。
LM324比較器：
圖3-4 LM324實物圖 圖3-5 電壓比較電路
LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如下圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖(a)所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。當去掉運放的反饋電阻時,或者說反饋電阻趨于無窮大時,即開環狀態,理論上運放的開環放大倍數為無窮大，此時運放形成一個電壓比較器，其輸出如不是高電平（V+），就是低電平（V-或接地）。當正輸入端電壓高于負輸入端電壓時，運放輸出低電平。
3.3.3 DA轉換電路：將數字量轉化為模擬量，可以選用DAC0832，輸出為電流量，需轉化成模擬電壓量才可以與待轉換電壓Vx比較。
D／A轉換器DAC0832
圖3-6 DACO832實物圖
圖3-7 DA轉換電路
D/A轉換器的結構有很多種，分為電壓定標、電荷定標、電流定標等。不同結構的D/A轉換器在性能上是有差異的。單純采用一種定標方式，需要有很高的匹配精度，否則很難實現高精度轉換。我們采用集成塊DAC0832。DAC0832是一個8位D/A轉換器。單電源供電，從+5V～+15V均可正常工作，基準電壓范圍為10V，電流建立時間為1μs，CMOS工藝，低功耗20mW。DAC0832轉換器芯片為20引腳，雙列直插式封裝，能完成數字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉換。在DAC0832中有兩級鎖存器，第一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存信號為ILE，第二級鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號也稱為通道控制信號（XFER），當ILE為高電平，片選信號（CS）和寫信號（WR1）為低電平時，輸入寄存器控制信號為1時，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當（WR1）由低電平變高時，控制信號成為低電平，數據被鎖存到輸入寄存器中，此時輸入寄存器的輸出端不再隨外部數據的變化而變化。使用時，數據輸入可以采用兩級鎖存(雙鎖存)形式，或單級鎖存(一級鎖存，一級直通)形式，或直接輸入(兩級直通)形式。3個門電路組成寄存器輸出控制邏輯電路，該邏輯電路的功能是進行數據鎖存控制。
DAC0832的引腳功能說明如下：
ILE：輸入寄存器允許，高電平有效。
D0～D7：數字信號輸入端。
CS：片選信號，低電平有效。
WR1：寫信號1，低電平有效。
XFER：傳送控制信號，低電平有效。
WR2：寫信號2，低電平有效。
Iout1,Iout2：DAC電流輸出端。
Rfb:反饋電阻，是集成在片內的外接運放的反饋電阻。
Vref:基準電壓（-10～+10）V。
Vcc:電源電壓(+5～+15)V。
AGND:模擬地。
NGND:數字地。
3.3.4 脈沖產生電路： 產生一個頻率較高的方波信號CP，可選用555構成的多諧振蕩器。
555信號發生器
圖3-8 555實物圖
圖3-9 555波形圖
圖3-10 信號發生器原理圖
圖3-11 脈沖產生電路
555定時器它是一種時基電路，它是一種應用極為廣泛的中規模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構成單穩、多諧和施密特觸發器。因而廣泛用于信號的產生、變換、控制與檢測。由于555內部的比較器靈敏度較高,而且采用差分電路方式,它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。信號發生器如圖所示，它是555定時器構成的多諧振蕩器，VCC通過電阻R1、R2向電容C充電，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩態，僅存在兩個暫穩態，電路也不需要外加觸發信號，利用電源通過R1，R2向C充電，以及通過R向放電端7端放電，使電路產生振蕩。廣泛用于信號的產生、變換、控制與檢測。電容C充電和放電，其波形如圖。
多諧振蕩器的振蕩頻率為：f=1÷［（R1+2R2）］×㏑21÷［（4.7+2×4.7）］×㏑2=10Hz
多諧振蕩器的振蕩周期：T=1÷f=1÷10=0.1s
3.3.5 控制電路：可選電路為74LHC11，控制計數電路的計數功能，由比較器的輸出結果和脈沖信號CP共同決定, 555構成的多諧振蕩器輸出上升沿時,加計數器開始計數。
圖3-12 74HC11引腳圖
圖3-13 74HC11真值表
圖3-14 控制電路
圖3-15 74HC11實物圖
2端接555的輸出端產生的方波，1端接與LM324比較器輸出的電壓，13端接復位開關，三個信號經74HC11構成的與門再輸出，輸出的信號再輸入控制電路。
3.3.6 計數電路：進行加記數，輸出的數字量進入DA轉換電路變為模擬電流量,為了完成八位計數,可使用兩個74LS161。
圖3-16 計數電路
圖3-17 74HC161引腳圖
74LS161由四個 JK 觸發器和一些控制門組成，其中 CP 是計數輸入脈沖，上升沿有效；Q0～Q3 是計數輸出端，A～D是輸入端。最高位是Q3；CO是進位信號輸出端；D0～D3 為預置數并行輸入端；CTT和CTP是工作狀態控制端。74LS161具有計數、預置、保持、清零等功能。
3.3.7 輸出電路：輸出八位分別為Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2，Q1，Q0,可以用發光二極管顯示。
圖3-18 輸出電路
將Q7～Q0分別接330Ω的電阻和發光二極管，構成D7～D0的輸出電路。
74HC574寄存器
寄存器由74HC574構成，其引腳圖如圖，它可以存放8位二進制代碼，其中一位二進制代碼是由一個D觸發器來存儲的。
圖3-19 74HC574實物圖 圖3-20 74HC574引腳圖
3.4 調試將所有設備全部接入電路，接通電源，調動10k電位器的阻值以改變10K電位器輸出的電壓，八位輸出端口接電平顯示，看電平顯示是否隨其緩慢改變。用萬用表檢查線路是否短路、斷路或者虛焊。按原理圖，接上所有元器件，接通電源。勻速調節電位器，從而改變輸出電壓。觀察三位共陰數碼管是否正常顯示，觀察是否計數。
3.5 原理設計圖及實物圖圖3-21 設計原理圖
圖3-22 實物圖
4. 結果分析表4-1 數據記錄
輸入電壓/V | 輸出電壓（二進制） | 輸出電壓（十進制）/V | 誤差計算 |
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% |
計算公式：
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
誤差計算：相對誤差 = | 測量值 - 真實值 |/真實值*100%
輸出電壓的值隨輸入電壓值的增大而增大，輸入電壓的值與輸出電壓的值幾乎相等，誤差小于1LSB。
5.元器件清單表5-1 元器件清單
元件名稱 | 元件數量 |
10K電阻 | 1 |
4.7K電阻 | 2 |
10K電位器 | 1 |
330Ω電阻 | 8 |
黃色發光二極管 | 8 |
0.01µf電容 | 1 |
1uf電容 | 1 |
集成塊LM324 | 1 |
集成塊555 | 1 |
集成塊74HC161 | 2 |
集成塊74HC11 | 1 |
8位D/A轉換器DAC0832 | 1 |
20針插座 | 2 |
16針插座 | 2 |
14針插座 | 2 |
8針插座 | 1 |
通用板 | 1 |
焊錫絲 | 若干 |
導線 | 若干 |
74HC574 | 1 |
單刀雙擲開關 | 2 |
排針 | 若干 |
表5-2 元器件所需工具
6. 設計總結1）通過此次課設掌握了多種芯片的工作原理，如ADC0832、74HCII、LM324、555、74HC161、74HC574等。
2）電路設計仿真。電路仿真應考慮各個部分的功能，盡可能使電路簡單，方便電路的焊接。畫原理圖時，應標明各元器件的引腳及其他接口，方便焊接。先前設計仿真圖時，通過設計框圖和網上資料查詢，仿真的不正確，一直仿真錯誤，最后經過多方改正設計成功。
3）要特別注意各個+5v、+10v和-10v接口，接地端口都確保都連接好，用萬用表測量就可以。電路板的兩個外圈是聯通的可以分別做電源和接地端。
4）焊接。焊接時把各集成塊從插座上拔下，以免電烙鐵加熱時將集成塊燒壞，要保證各接口都接觸穩定。應注意焊腳之間保持適當間距，避免短路，焊好接點后，要用萬用表歐姆檔測試端口之間是否虛焊，焊一條線需用萬用表檢查其是否斷路。在焊電容時，電烙鐵頭不宜電容針腳上加熱太長時間，這樣電容易損壞。焊接容易焊錯，第一個板子不小心把555的一個焊盤焊掉了，導致555一直沒有波形。第二個板子也是555的問題，焊錫弄得太多，弄到接地端上，導致短路，555也不出波形，經過多次查看和同學的幫助下才找到錯誤。改正之后出方波。
5）本次課程設計，培養了我們綜合運用理論知識解決實際問題的能力，讓我們懂得了理論聯系實際的重要，為以后的學習和工作起到了促進作用。也鍛煉了我們的實踐動手能力，提高了自己學習的積極性。
7 設計改進和心得體會7.1 設計改進- 板子背面走線不完美，焊接不牢靠，用的細線，易斷。
- 沒有進行單個調試，難發現問題。
- 第一個板子的發光二極管后三個不停閃爍，焊盤松動。
- 電位器調位比較費力，應更換一個易調的裝置。
7.2 心得體會這次課程設計是繼收音機制作之后關于專業的實物制作，考了多方面的知識，數電知識、電路知識、焊接知識。從開始的選題、查資料到之后的設計仿真，焊接。我覺得很遺憾的事情是我所焊的板子不夠美觀，開始二極管胡亂跳變，時好時壞，數據顯示不正確。最后親手做成功之后是一件非常有成就感的事情。
計數型AD轉換器.rar
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