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1、中北大学课 程 设 计 说 明 书指导教师：谭秋林职称 : 副教授 2014 年 6 月 27 日学生姓名:学 号：10 学院 : 电子与计算机科学技术学院专业 : 微电子科学与工程题目 : A/D 与 D/A 转换电路设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 13 页 - - - - - - - - - 1目录1. 课程设计目的 .2 2. 课程设计内容和要求 .2 2.1 设计内容 .22.2 设计内容 .23. 设计工作任务及工作量的要求.2 4. 总体设
2、计方案 .2 4.1 AD/DA转换电路设计方案 .24.2 总体设计框图 .24.3 工作原理及硬件框图 .7 4.4 硬件电路原理图及仿真 .9 4.5 PCB版图设计 .12 5. 课程设计总结 .12 6. 参考文献 .12 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 13 页 - - - - - - - - - 21. 课程设计目的（1）掌握电子电路的一般设计方法和设计流程；（2）学习使用 PROTEL 软件绘制电路原理图及印刷板图；（3）掌握应用prote
3、us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（1）查阅熟悉相关芯片资料；（2）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；（3）使该数字信号再通过D/A转换；（4）通过仿真比较输入的正弦波和输出的模拟信号；（5）利用 PROTEL 绘制电路原理图和印刷板图， 并利用 proteus 软件仿真。3设计工作任务及工作量的要求（1）课程设计说明书；（2）电路原理图和印刷板图；（3）仿真图形和仿真结果。4. 总体设计方案4.1 总体设计框图图 1 总体设计方框图4.2 AD/DA 转换电路设计方案利用单片机 80C51做主控制器，采集正弦波，通过
4、ADC0809 转换器进行模数主控制器LED 显示单片机复位时钟振荡数字信号转换模拟信号转换示波器显示名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 13 页 - - - - - - - - - 3转换，利用单片机进行数据处理， 然后将数字信号输出再通过LED数码管显示出来，再将转换的数字信号通过DAC0832 转换器进行数模转换， 然后将输出的模拟信号与输入的正弦波进行比较，从而完成AD/DA转换电路的设计。4.2.1 主控制器单片机 80C51 具有低电压供电和体积小
5、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电源: VCC - 芯片电源，接 +5V； VSS - 接地端；时钟:XTAL1 、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。控制线 :控制线共有 4根，（1）ALE/PROG:地址锁存允许 /片内 EPROM 编程脉冲1. ALE 功能：用来锁存 P0口送出的低 8位地址2. PROG功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚输入编程脉冲。（2）PSEN:外 ROM 读选通信号。（3）RST/VPD:复位/备用电源。1.RST（Reset ）功能：复位信号
6、输入端。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 13 页 - - - - - - - - - 42.VPD 功能：在 Vcc 掉电情况下，接备用电源。（4）EA/Vpp:内外 ROM 选择/片内 EPROM 编程电源。1. EA 功能：内外 ROM 选择端。2. Vpp 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，施加编程电源 Vpp。I/O 线：80C51共有 4 个 8 位并行 I/O 端口：P0、P1、P2、P3 口，共 32 个引脚。 P3
7、口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。80C51共有 4 个 8 位并行 I/O 端口： P0、P1、P2、P3口，共 32 个引脚。（1）P3 口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线） 。（2）P0口有三个功能：1.外部扩展存储器时，当作数据总线；2.外部扩展存储器时，当作地址总线；3.不扩展时，可当作一般的I/O 口使用，但内部无上拉阻。（3）P1口只做 I/O 口使用，其内部有上拉电阻。（4）P2口由两个功能：1.扩展外部存储器时，当作地址总线使用；2.做一般 I/O 口使用，其内部有上拉电阻。4.2.2 ADC 转换器ADC0809 有三
8、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 13 页 - - - - - - - - - 5图 2图 2 为引脚图。各引脚功能如下：（1）IN0IN7是八路模拟输入信号；
9、（2）ADDA 、ADDB 、ADDC 为地址选择端；（3）2-12-8为变换后的数据输出端；（4）START （6 脚）是启动输入端。（5）ALE （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 ALE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 TART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。（6）OE （9 脚）为输出允许端，它控制ADC 内部三态输出缓冲器。（7）EOC （7 脚）是转换结束信号， 由 ADC 内部控制逻辑电路产生。 当 EOC=
10、0时表示转换正在进行， 当 EOC=1 表示转换已经结束。 因此 EOC 可作为微机的中断请求信号或查询信号。显然只有当EOC=1 以后，才可以让 OE为高电平，这时读出的数据才是正确的转换结果。4.2.3显示电路显示电路采用 8 位共阳 LED 数码管，段选接 P0口，位选接P1.0P1.3, 在 80C51的控制下，由ADC0809采集且转换为数字信号，由PO 口输出送数码管显示模块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。4.2.4 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。它名师资料总结
11、 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 13 页 - - - - - - - - - 6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 的引脚图如图 3 所示。各引脚的功能说明如下：图 3 DAC0832 的引脚图CS：片选信号，输入低电平有效。ILE：输入锁存
12、允许信号，输入高电平有效。1WR：输入寄存器写信号，输入低电平有效。2WR：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。DI0DI7：8 位数据输入端， DI0为最低位， DI7为最高位。IOUT1 ：DAC 电流输出 1。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） 。IOUT2 ：DAC 电流输出 2，IOUT1 + IOUT2 = 常数。RFB：反馈电阻。Vref ：参考电压输入，可在 +10V10V之间选择。VCC：数字部分的电源输入端，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
13、地。4.3 工作原理及硬件框图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 13 页 - - - - - - - - - 74.31.1 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
14、样、保持、量化和编码四个步骤。A/D 转换的一般步骤如下：(一)采样和保持采样（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uo来表示输入模拟信号ui，采样频率 fS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fS2fmax，其中,fmax为输入信号 ui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
15、) 量化和编码输入的模拟信号经采样保持电路后，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uo值与量化电平 uq值之差称为量化误差 ，即=uo-uq。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。
16、只舍不入的方法是：取最小量化单位Um/2n，其中 Um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0，把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。比如，将01V的模拟电压信号转换成三位二进制代码。有=1V/8 ，那么 01V/8 之间名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 13 页 - - - - - - - - - 8的模拟电压归并到0 ， 用 000 表示， 1V/8 2V/8 之间的模拟电压归并到1 ，用 001
17、表示, ， 依此类推直到将 7V/8 1V之间的模拟电压归并到7 ， 用 111表示，此时最大量化误差为1V/8 。该方法简单易行，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=2Um/ （2n+11）, 其中 Um仍为模拟电压最大值， n 为数字代码位数，将0/2 之间的模拟电压归并到0，把/2 3/2 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 /2 。用此法重做上例， 将 01V的模拟电压信号转换成三位二进制代码。有 =2V/15 ，那么将 01V/15 之间的模拟电压归并到0，用 000表示，把 1V
18、/15 3V/15 以内的模拟电压归并到1，用 001 表示，直到将13V/15 1V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 1V/15 。比上述只舍不入方法的最大量化误差1V/8 明显减小了 ( 减小了近一半)。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 4 表示了两种不同的量化编码方法。(a)
19、只舍不入法 (b) 有舍有入法图 4 两种量化编码方法的比较4.31.2 D/A转换过程设需要转换的 n 位的二进制数字量是d0，d1.dn ,其大小可表示为：1 4/8 3/8 2/8 1/8 0 5/8 6/8 7/8 111 7=7/8V 110 6 =6/8V 101 5=5/8V 100 4=4/8V 011 3 =3/8V 010 2=2/8V 001 1=1/8V 000 0=0V 二进制编码代表的模拟电平UI(V) 输入信息0 000 0=0V 1 7/15 5/15 3/15 1/15 9/15 11/15 13/15 111 7=14/15V 110 6=12/15V 10
20、1 5=10/15V 100 4=8/15V 011 3=6/15V 010 2=4/15V 001 1=2/15V 二进制编码代表的模拟电平UI(V) 输入信息名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 13 页 - - - - - - - - - 9 D= d0+ d 1?21 + d 2 ? 22 + + dn-1 ?2n-1, DAC 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
21、换器的一般式，主要由电子开关 , 电阻网络和运放组成 . 如下图所示 : 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： U0 =(d1+ d 2?21 + d 3 ? 22+ + d n ? 2n-1) ? US 从上式可看出，输出的模拟电压U0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。4.41 硬件电路原理图：4.42 程序如下：#include sbit ALE=P33; sbit OE=P34; sbit EOC=P35; sbit STA=P36; sbit CLK=P3
22、7;/管脚定义名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 13 页 - - - - - - - - - 10unsigned int num;/AD转换结果char ch;/通道号void delay(unsigned int z) / 延时 unsigned int x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=2;y0;y-) CLK=CLK; void display() /显示 char code table= 0 x3f, 0 x06, 0 x5b,
23、 0 x4f, 0 x66, 0 x6d, 0 x7d, 0 x07, 0 x7f, 0 x6f, 0 x77, 0 x7c, 0 x39, 0 x5e, 0 x79, 0 x71; P0=0;P2=0 xf7;P0=tablech; delay(2);/通道号P0=0;P2=0 xfb;P0=tablenum/100+128;delay(2);/百位和小数点P0=0;P2=0 xfd;P0=tablenum%100/10;delay(2);/十位P0=0;P2=0 xfe;P0=tablenum%10;delay(2);/个位 void main(void) while(1) /无穷循环 c
24、h = P2 / 32; /取来通道号码 P3 = ch + 0 xf8; /送给 ADC0809 ALE = 1; ALE = 0; /地址锁存 STA = 1; STA = 0; /开始转换，稍候，才可读EOC display(); /显示，既做延时，又输出CLK while(EOC = 0) display(); /等待转换结束 num = P1; /取出转换结果 num = num * 100 / 51; /比例变换： 255 - 500 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -
25、- - 第 11 页，共 13 页 - - - - - - - - - 11 4.43 电路仿真电路仿真图波形仿真图4.5 PCB 版图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 13 页 - - - - - - - - - 125. 课程设计总结在这次的课程设计过程中遇到了很多自己不懂的知识，必须通过自己去查阅资料，去学习。特别是单片机，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
26、，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， 在以后的学习中， 要理论联系实际， 把我们所学的理论知识用到实际当中， 学习电子设计更是如此， 程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。6. 参考文献 童诗白模拟电子技术基础北京：高等教育出版社，2002 张建华数字电子技术北京：机械工业出版社，2004 陈汝全电子技术常用器件应用手册北京：机械工业出版社，2005 毕满清电子技术实验与课程设计北京：机械工业出版社，2005 潘永雄电子线路CAD 实用教程西安：西安电子科技大学出版社，2002 张亚华电子电路计算机辅助分析和辅助设计北京：航空工业出版社， 2004名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 13 页 - - - - - - - - -