AD与DA转换电路设计说明书.doc

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：XXX

2012年 12 月 31 日
目录

1、课程设计目的............................................2
2、课程设计内容和要求
2.1、设计内容.......................................2
2.2、设计内容......................................................2
3、 设计方案
3.1、设计思路......................................................2
3.2、总体设计框图..................................................2
3.3、工作原理......................................................3
3.4、硬件电路原理图................................................9
3.5、PCB版图设计.................................................11
4、课程设计总结...............................................12
5、参考文献....................................................

1
1、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
3.1 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。
3.2总体设计框图

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。
3.2.2 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。

图2 ADC0809引脚图

图3 ADC0809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）～——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。为最低位，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）—— +5V电源。
（10）——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(=+5V, =-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。
3.2.4 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4 DAC0832的逻辑功能框图和引脚图
：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。
：输入寄存器写信号，输入低电平有效。
：DAC寄存器写信号，输入低电平有效。
：数据传送控制信号，输入低电平有效。
～：8位数据输入端，DI0为最低位，DI7为最高位。
：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）。
：DAC电流输出2， + = 常数。
：反馈电阻。
：参考电压输入，可在+10V～－10V之间选择。
：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
3.31.1 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来表示输入模拟信号，采样频率必须满足：采样频率应不小于输入模拟信号最高频率分量的两倍，即≥2fmax，其中,为输入信号的上限频率（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值与量化电平值之差称为量化误差δ，即δ=-。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。

1

4/8

3/8

2/8

1/8

0

5/8

6/8

7/8

111 7Δ=7/8V

110 6Δ=6/8V

101 5Δ=5/8V

100 4Δ=4/8V

011 3Δ=3/8V

010 2Δ=2/8V

001 1Δ=1/8V

000 0Δ=0V

二进制
编 码

代表的
模拟电平

UI(V)
输入信息

0

000 0Δ=0V

1

7/15

5/15

3/15

1/15

9/15

11/15

13/15

111 7Δ=14/15V

110 6Δ=12/15V

101 5Δ=10/15V

100 4Δ=8/15V

011 3Δ=6/15V

010 2Δ=4/15V

001 1Δ=2/15V

二进制
编 码

代表的
模拟电平

UI(V)
输入信息

(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
3.3 D/A转换过程
设需要转换的n位的二进制数字量是，…,其大小可表示为：
D=+ •+ •+ …… + •
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变换器的组成，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。
3.41硬件电路原理图
电路图

3.42电路仿真

电路仿真图1

仿真图2

3.5 PCB版图

PCB版图1

PCB版图2
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。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，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。

5、 参考文献
① 童诗白．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2002
② 张建华．数字电子技术．北京：机械工业出版社，2004
③ 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
④ 毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：机械工业出版社，2005
⑤ 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
⑥ 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