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1、核电子学与核仪器课程设计 A/D 转换电路 1 8 bit/4 us 高速A/D 转换电路 一、设计任务和要求（一）设计目的及任务 通过 Protel2004 的电路设计，对核电子学与核仪器所学内容有更进一步的理解，加深印象，使所学知识得以巩固和提高，全面掌握核电子学各模块电路的设计，实现电路设计与 PCB 设计的技术环节，提高分析问题解决问题的能力；培养学生的动手能力和遵守纪律的高尚情操还有对待工作严肃认真、一丝不苟、实事求是、不畏艰辛的优良作风，为今后从事技术工作奠定坚实的基础。（二）设计要求 1、掌握 Protel2004 的使用方法；2、掌握所画电路的工作原理；3、掌握 Protel2
2、004 电原理路图的设计；4、基本掌握使用 Protel2004 进行 PCB 设计。二、原理图选择、工作原理及分析（一）原理图的选择 我们组选的题目是某种 A/D 转换电路的设计，经过查书籍和资料，通过阅读东南大学报 1992 年 9 月第 22 卷增刊，我们最终选择了 8 bit/4 us 高速 A/D 转换电路。对于快速过程的微机实时控制系统，时间资源通常较为紧张.为了有充分的时间去完成数据处理、状态检测及各种控制功能，一般都希望模数(A/D)转换能在数微秒内完成。为此，笔者采用逐次近似寄存器(SAR)MC 14549 B,廉价的高速D/A 变换器 DAC0800 及高速电平比较器 LM
3、319 等器件，研制了 4 us 8 位高速A/D 转换电路。实际使用表明，当输入时钟(CLK)频率为 2 MHz 时，该 A/D 转换电路能在 4us 内完成 8 位逐次比较变换，且工作可靠稳定，价格便宜，易于和各种微机接口。（二）8 bit/4 us 高速 A/D 转换电路图的工作原理 图 1 为该高速 A/D 转换电路的原理框图。核电子学与核仪器课程设计 A/D 转换电路 2 图 1 高速A/D 转换电路图 图中 SAR 为逐次近似寄存器，CMP 为高速电平比较器，DAC 为数模变换器，为输入模拟电压。加人 A/D 启动信号（）后，在第一个 CLK 脉冲上升沿 SAR输出数字量 1000
4、0000 B(Q7=1)，该数1cS字信号加到 DAC 的数据输入端，DAC 即输出与之相应的模拟电压0V。CMP(其门限电平：LSBRVV21,则在每个CLK 周期内完成一位的比较。显然，经过 8 个 CLK 周期(当 CLK 频率为 2 MHz时，t=4 us)后，从7Q0Q送出的 8 位并行数字量即为转入模拟电压inV的 A/D 变换结果。当第 9 个 CLK 脉冲下跳沿到来时 SAR 的 EOC 输出电压上跳为高电平。此跳变沿可用于外部同步锁存或请求微机中断来读 A/D 转换结果。SAR 的 So 端为该高速 A/D 转换电路的串行输出端，可在 CLK 下跳脉冲下跳沿(第一个无效)同步
5、之下输出7Q0Q（MC14549B）的波形时序如图 2 所示。核电子学与核仪器课程设计 A/D 转换电路 3 图 2 SCR(MC14549B)波形时序 （三）8 bit/4 us 高速 A/D 转换电路图分析 图 3 为该高速 A/D 转换电路的原理图。图 3 高速A/D 转换电路图 核电子学与核仪器课程设计 A/D 转换电路 4 图中，运放 A1(21LM 358)为模拟输入信号前置放大级，接成同相放大器形式，以提高 A/D 脸转换电路的输入阻抗，调节其增益可改变 A/D 转换的量程。运放 A2 与晶体管 T1，组深度负反馈的低输出阻抗电压跟随器，以减小信号源内阻对 A/D 转换线性度的影
6、响。运放 A3(21LM 319)为高速电平比较器，其建立时间仅为 60 ns。MC 1403 为基准电压源(v=2.5 v)，提供 DAC 0800 所需的基准电流:)1(2/mARVIREFREFREF 由于 DAC0800 为电流输出型器件，且恒有:)2(20_0mAIIIREF 式中，0I及0_I分别为其同向端输出电流及反向端输出电流。因此其输出电流满度值为:)3(2256255mAIIREFPS 当 DAC 的负载电阻 KRL5时，其输出电压的满度值（也即 A/D 电路输入电压的满度值）应为VRIVLFSPS10 最低位（LSB）对应的输出电压则为:)4(40255/mAIVFSLS
7、B 图 4 为该高速 A/D 转换电路中 DAC0800、LM319 及其输入电路的简化等效电路。图 4 高速A/D 转换简化等效电路图 核电子学与核仪器课程设计 A/D 转换电路 5 图中inKVV 1,K 为运放1A的电压放大倍数（本文中 K=2）。SR为晶体管1T的输入阻抗。由此可求得 LM319 同相电压：)5)(01SLRRIV 上式右边第二项为逐次比较过程中DAC 的输出电压0V。为了保证该 A/D 电路具有21LSB 的分辨率，必须适当调节电位器2W,使得 LM319 反相电压)6(2021mAVVLSBR 在图 3 的电路中,1U(74LS06)为“OC”输出高压反相缓冲器，起
8、电平转换作用。比较器 LM 319 亦为“OC”输出，8R为其上拉电阻，采用士 12V 电源时，其输出电压为 012V,故可直接与 SAR 的输入端 D 相联。6R用于该 A/D 电路的零点调整，提供 DAC 输出零电平时所需的微小吸收电流。七五期间，笔者曾一批制作了 5 块高速 A/D 电路板，每块板上设有独立的 2路高速 A/D 电路，成功地解决了在 1 ms 内进行 10 次 A/D 转换、数据处理、主从微机串行通讯和状态检测控制等时间资源紧张的间题。实际试验结果表明，电平比较器 LM 319 门限电平的调整及电路板布线的合理与否，对 A/D 转换精度有举足轻重的影响。三、Protel2
9、004 的介绍（一）Protel2004 的认识 随着科学技术的发展、电子产品集成化和复杂化的不断提高，电子线路的设计愈加复杂。为了使产品设计人员能高效率地进行产品设计，在计算机技术飞速发展的强劲推动下，电子设计自动化（EDA）技术脱颖而出。与此同时，许多用于电子产品辅助设计的计算机应用软件也应运而生。这些软件的出现和广泛应用，极大地提高了电子线路的设计质量和效率。在当今流行的各种电子线路计算机辅助设计软件中，Altium 公司的产品不论在功能上还是在使用的简捷性、方便性等方面都堪称为佼佼者。在早期版本的基础上，Protel2004 在软件的许多方面作出了较大的改进，成为了一套完整的板卡级设计
10、系统，真正实现在单个应用程序中的集成。用户可以选择最适当的设计途径，并按指定的方式进行电路的设计工作。通过改进和提高，Protel2004 内嵌的电路原理图和 PCB编辑器的功能更加强大，设计检测工具更加完善和有效，内部集成的元件库和其编辑功能给设计工作提供了更有力的支持，新的文件管理模式使设计工作的管理更加简单和方便。总之，在从电路设计到电路仿真的每一个应用细节上都体现了它的独特之处。Protel2004 以其高度的集成性和良好的扩展属性已经成为当今 Windows 环境下有影响力的 EDA 开发工具之一，逐步成为广大电路设计工作者首选的计算机辅助电子线路设计软件。（二）Protel2004
11、 的应用举例 Protel2004 作为一套电路辅助设计软件，包含了众多的应用程序。从功能上来细分基本核电子学与核仪器课程设计 A/D 转换电路 6 上可以划分为五大部分，它们分别是：电路原理图绘制部分、PCB 图设计部分、电路自动布线部分、可编程逻辑设计部分和电路仿真部分。使用 Protel2004 提供的上述功能，电路设计者可以从电路的原理图开始设计，最终得到所需要的 PCB 图，同时可以对得到的 PCB 图进行三维效果图显现。三、设计步骤以及设计成果 1、课程设计简单流程图 2、电原理图设计 电路原理图的设计是整个电路设计的基础，因此电路原理图要设计好，以免影响后面的设计工作。电路原理图
12、的设计一般包括如下步骤：（1）设置原理图设计环境；（2）放置元件；（3）原理图布线；（4）编辑和调整；（5）检查原理图；（6）生成网络表。通过以上步骤，得到的8 bit/4 us 高速 A/D 转换电路电路图如图 1。图 6 8 bit/4 us 高速A/D 转换电路 按照电路原理图设计步骤，如果将最终生成的网络表导入到 PCB 板，将有利于 PCB 的设计，则生成网络表如图 2。核电子学与核仪器课程设计 A/D 转换电路 7 图 7 元器件网络表 3、PCB 设计 PCB 板设计是从电路原理图变成一个具体产品的必经之路。因此，PCB 板的设计是电路设计中关键的一部分。通常，PCB 板设计的步
13、骤如下：（1）规划电路板；（2）设置参数；（3）装入网络表；（4）元器件的布局；（5）自动布线；（6）手动布线。但在实际操作过程中装入元器件封装和网络表对 PCB 设计的是十分必要的。PCB 设计的第一步是要从电流灵敏前置放大器电路原理图文件中导入设计数据，即将原理图文件中的有关信息引入到 PCB文件中，以便指导系统进行 PCB 板的设计。数据的具体步骤如下：（1）在原理图编辑器中，选择菜单命令【Design】/【Update PCB 电流灵敏前置放大器.PcbDoc】，系统将自动弹出如图 3 所示的元器件状态对话框。核电子学与核仪器课程设计 A/D 转换电路 8 图 8 状态对话框 （2）在
14、对话框中单击【使变化生效】按钮，观察状态栏中【检查】符号的变化，如果所有的操作都有效，【检查】状态栏显示，说明网络表中没有错误。对于出错的操作，【检查】状态栏显示，说明对应的操作出现问题，如图 4 所示。图 9 检查状态栏 （3）检查没有错误后，并确保已经调入了所有需要用到的封装库，单击【执行变化】，执行导入操作。对于成功的操作，会在状态栏【完成】下显示，如图 5。核电子学与核仪器课程设计 A/D 转换电路 9 图 10 检查结果 （4）最后单击【关闭】按钮，关闭对话框，所有的元器件将出现在 PCB 文件中，方便封装元器件的调用，如图 6 所示。核电子学与核仪器课程设计 A/D 转换电路 10
15、 图 11 8 bit/4 us 高速A/D 转换电路自动生成的封装元件 然后放置元器件，布线，再进行调整和检查后进行布线，最终得到如图 7 所示的 PCB板。图 12 8 bit/4 us 高速A/D 转换电路的PCB 板 单击【查看】中的【显示三维 PCB 板】即可看到如下图 8、9 和 10 所示的 3D 图形。核电子学与核仪器课程设计 A/D 转换电路 11 图 13 8 bit/4 us 高速A/D 转换电路的PCB 板 3D 正面图 图 14 8 bit/4 us 高速A/D 转换电路的PCB 板 3D 背面图 核电子学与核仪器课程设计 A/D 转换电路 12 图 15 8 bit/4 us 高速A/D 转换电路的PCB 板 3D 侧面图 五、设计的心得体会 通过此次设计性实验，我学到了很多东西。首先，我对核电子学与核仪器所学内容有更进一步的理解，使所学知识得以巩固和提高；其次，我对 Protel2004 这款软件有了很深的理解，并且掌握了如何利用 Protel2004 进行电路图的设计，以及 PCB 版的封装；最重要的是，此次设计性实验提高了我分析问题解决问题的能力、动手能力、团队合作精神以及遵守纪律的高尚情操，还有对待工作严肃认真、一丝不苟、实事求是、不畏艰辛的优良作风，为今后从事技术工作奠定坚实的基础。