AD与DA转换电路设计说明书

中北大学课程设计说明书学生姓名: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转换电路设计指导教师：XXX2012年12月31日目录1、课程设计目的............................................22、课程设计内容和要求2.1、设计内容......................................................22.2、设计内容......................................................23、设计方案3.1、设计思路......................................................23.2、总体设计框图..................................................23.3、工作原理......................................................33.4、硬件电路原理图................................................93.5、PCB版图设计.................................................114、课程设计总结...............................................125、参考文献....................................................11、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3.1A/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。3.2总体设计框图主控制器单片机复位时钟震荡数字信号转换模拟信号转换示波器显示LED显示图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。3.2.1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。3.2.2ADC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。1IN32IN4IN53IN6428272625IN2IN1IN0ADDAADC08095IN76STARTEOC7D3824232221ADDBADDCALED714D115D213GND16Vref(-)9OE20D610CLOCK19D511Vcc18D412Vref(+)17D0图2ADC0809引脚图图3ADC0809内部逻辑结构表1通道选择表图2为引脚图。各引脚功能如下：（1）IN7～IN0——模拟量输入通道（2）ALE——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上升沿时，复位ADC0809；START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——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的时钟信号。（6）EOC——转换结束信号（7脚）。EOC=0,正在进行转换；EOC=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，由ADC内部控制逻辑电路产生。当EOC=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。（7）0D～7D——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。0D为最低位，7D为最高。（8）OE——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。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。（9）ccV——+5V电源。（10）refV——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()(refV=+5V,)(refV=-5V)。3.2.3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P1.0~P1.3,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。3.2.4DAC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4DAC0832的逻辑功能框图和引脚图CS：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。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。0DI～7DI：8位数据输入端，DI0为最低位，DI7为最高位。1outI：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）。2outI：DAC电流输出2，1outI+2outI=常数。FBR：反馈电阻。refV：参考电压输入，可在+10V～－10V之间选择。8位输入寄存器(1)DQ8位DAC寄存器(2)DQ8位乘法DACVrefIout2Iout1RFBAGNDVCCDGNDMSBLSB&ILE≥1CSWR1≥1WR2XFERLELIDAC0832Iout1Iout2RFBVrefILEWR2WR111129819182LSBDI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6MSBDI7CSXFER76541615141311720VCC…ccV：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：数字地。3.3工作原理及硬件框图3.31.1A/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OU来表示输入模拟信号iU，采样频率sf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sf≥2fmax，其中,maxf为输入信号iU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OU值与量化电平qU值之差称为量化误差δ，即δ=OU-qU。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Δ＝Um/2n，其中Um为模拟电压最大值，n为数字代码位数，将0～Δ之间的模拟电压归并到0·Δ，把Δ～2Δ之间的模拟电压归并到1·Δ，依此类推。这种方法产生的最大量化误差为Δ。比如，将0～1V的模拟电压信号转换成三位二进制代码。有Δ=1V/8，那么0～1V/8之间的模拟电压归并到0·Δ，用000表示，1V/8～2V/8之间的模拟电压归并到1·Δ，用001表示,…，依此类推直到将7V/8～1V之间的模拟电压归并到7·Δ，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Δ=2Um/（2n+1—1）,其中Um仍为模拟电压最大值，n为数字代码位数，将0～Δ/2之间的模拟电压归并到0·Δ，把Δ/2～3Δ/2之间的模拟电压归并到1·Δ，…，依此类推。这种方法产生的最大量化误差为Δ/2。用此法重做上例，将0～1V的模拟电压信号转换成三位二进制代码。有Δ=2V/15，那么将0～1V/15之间的模拟电压归并到0·Δ，用000表示，把1V/15～3V/15以内的模拟电压归并到1·Δ，用001表示…，直到将13V/15～1V之间的模拟电压归并到7·Δ，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5表示了两种不同的量化编码方法。(a)只舍不入法(b)有舍有入法图4两种量化编码方法的比较3.3D/A转换过程设需要转换的n位的二进制数字量是0d，1d…nd,其大小可表示为：D=0d+1d•12+2d•22+……+1nd•12nDAC按照