两路数模转换电路的设计.docx
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两路数模转换电路的设计
两路数模转换电路的设计
一、设计目的
(1)、掌握电子系统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Protues等软件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。
二、设计要求
(1)、设计电路实现两路的数/模转换;
(2)、设置好元件属性,生成网络表;
(3)、分别使用手工布置和自动布线制作相应的印制电路板,注意可采用总线形式进行走线。
(4)、利用PROTEL绘制电路原理图和印刷板图,并利用Protues软件仿真。
三、相关知识的介绍
1、数模转换器的作用:
将输入的二进制数字量转换成电压或电流形式的模拟量输出。
2、电路组成:
由电阻阵列和n个电流开关(或电压开关)组成的译码网络、求和运算放大器、参考基准电压源等部分组成。
组成框图如下:
3、分类:
根据译码网络的不同,分为权电阻网络型、T型电阻网络型、倒T型电阻网络型、权电流型型。
4、倒T型电阻网络介绍:
(1)电路形式:
图9-6倒T型电阻网络D/A转换器
(2)、工作原理
由于P点接地、N点虚地,所以不论数码D0、D1、D2、D3是0还是1,电子开关S0、S1、S2、S3都相当于接地,因此,图中各支路电流I0、I1、I2、I3和IR大小不会因二进制数的不同而改变。
并且,从任一节点a、b、c、d向左上看的等效电阻都等于R,所以流出VR的总电流为
IR=VR/R,
而流入各2R支路的电流依次为
I3=IR/2;I2=I3/2=IR/4;I1=I2/2=IR/8;I0=I1/2=IR/16
流入运算放大器反相端的电流为
Iout1=D0×I0+D1×I1+D2×I2+D3×I3
=(D0×20+D1×21+D2×22+D3×23)×IR/16
运算放大器的输出电压为
uO=-Iout1Rf=(D0×20+D1×21+D2×22+D3×23)×IRRf/16
若Rf=R,并将IR=VR/R代入上式,则有
uO=-
×(D0×20+D1×21+D2×22+D3×23)
可见,输出模拟电压正比于数字量的输入。
推广到n位,D/A转换器的输出为
uO=-
倒T型电阻网络也只用了R和2R两种阻值的电阻,但和T型电阻网络相比较,由于各支路电流始终存在且恒定不变,所以各支路电流到运放的反相输入端不存在传输时间,因此具有较高的转换速度。
5、相关芯片的介绍:
(1)、74LS192:
它是双时钟方式的十进制可逆计数器,CPU为加计数时钟输入端,CPD为减计数时钟输入端,LD为预置输入控制端,异步预置,CR为复位输入端,高电平有效,异步清除,CO为进位输出:
1001状态后负脉冲输出,BO为借位输出:
0000状态后负脉冲输出。
它的管脚图如下图所示:
74LS192管脚图
(2)、NE555:
此定时器是一种多用途的集成电路,只需外接少量的阻容元件,就可组成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器。
管脚功能介绍:
1脚接地,8脚是电源端,2脚称触发端(TR),是下比较器的输入,3脚是输出端(V0),它有0和1两种状态,由输入端所加电平决定,7脚是放电端,它是内部放电管的输出,有悬空和接地两种状态,也是由输入端的状态决定,4脚为复位端,加上低电平可以使输出为低电平,5脚是控制电压端,用以改变上下触发电平值。
TH>2/3Vcc为高电平时,复位端有效,置0;TR<1/3Vcc为低电平时,置数端有效,置1。
NE555管脚图
(3)、DAC0832:
它是8位电流输出型D/A转换器,内含T型电阻网络,差动电流输出,D/A转换可分为两个阶段:
CS#=0、WR1#=0、ILE=1,使输入数据锁存到输入寄存器;WR2#=0、XFER#=0,数据传送到DAC寄存器,并开始转换。
输出电压V0与输入电压Vi的关系为:
V0=-Rf/R*Vin,其中,Rf为反馈电阻,R为输入电阻。
管脚介绍:
CS输入寄存器选择信号,低电平有效,它和ILE信号一起来决定是否起作用;ILE为输入寄存器的选通信号,和CS、WR1一起将要转换的数据送入数据寄存器;WR1输入寄存器的写选通信号,必须和CS、ILE同时有效;WR2写信号2,在传送控制信号有效的情况下,用它将输入寄存器的数字传送到DAC寄存器,同时D/A转换器开始转换。
XFER传送控制信号,用来控制是DAC否起作用。
IOUT1为模拟电流输出端,当DAC寄存器中内容为0FFH时,LOUT1电流最大,当DAC寄存器中的内容为00H时,IOUT1电流最小。
IOUT2为模拟电流输出端。
DAC0832为差动输出,一般情况下,IOUT1+IOUT1=常数。
DAC0832的管脚图
6、DA转换器的主要技术指标:
分辨率,转换精度,转换时间。
四、系统设计方案
1、根据题目要求,充分掌握数字电路的相关知识,设计一种两路数模转换电路,来实现数字信号转化为模拟信号。
输入信号输入1,0经过相关的电路后,已转化为模拟信号输出,输出的模拟信号,可采用电压表来测量,其波形可由示波器给出。
电路的确定:
有两种方案:
方案一:
本设计主要由3大模块组成,第一是倒T型电阻网络,第二是两片CMOS4066芯片作为模拟开关组成4为输入端,第三是运算放大器实现电压输出电路,具体电路如下图:
图一:
电路图
由图中知道,有4个输入端,输入数字量,以控制coms开关的通断。
在图中只要vcc选定,电路的总电流就能确定。
总电流再经过放大器则转化为电压输出。
在741的末端,我们可以用电压表测出输出端的电压。
输出电压:
U=-R9*I=vcc/16*(输入的十进制数字量)
方案二:
采用NE555定时器和74LS192计数器做循环控制电路,74LS138译码器作为两路数模转换中采用哪一路的选择,两片DAC0832用于数模转换,集成运算放大器实现电压的输出,具体电路图如下:
图二:
总电路图
下面对其进行分模块说明:
(1)、数据产生模块:
由一片74LS192计数器和一片NE555定时器构成,通过555构成的多谐振荡器产生脉冲频,其振荡频率为:
f=1.44/(R1+2*R2)C,此电路的振荡频率为f=0.21HZ;同步十进制可逆计数器74LS192构成一个循环的计数器,其输出为两片DA转换芯片提供变化的数字量。
图三:
数据产生模块
(2)、通路选择模块:
用一片74LS138译码器实现,其输入C接地,B和A分别接一个开关,开关的状态决定有哪一路输出;其输出Y0和Y1分别接两片DA转换芯片的片选,已决定选择那个芯片工作。
当BA=00时,第一片DA芯片的片选有效,开始工作;当BA=1时,第一片DA芯片的片选有效,开始工作。
实现两路中选一路的功能。
其电路图如下:
图四:
通路选择模块
(3)、DA转换模块:
由两片DAC0832芯片组成,DAC0832的内部包含一个T型电阻网络,8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及部分逻辑门电路,其输入接计数器74LS192的各个输出端,对其输入不同的数字量,经DAC芯片的转换,其输出为差动电流信号,要想获得模拟电压输出,必须外接运算放大器。
输出模拟电压正比于数字量的输入。
n位的D/A转换器的输出为:
Vo=-
其中Vref为参考电压。
图五:
T型电阻网络
图六:
DA转换模块
5、电路的选择:
由于输入数据后,需要对数据进行缓冲,所存,以及想很直观的观察到模拟量的输出,考虑以上因素,综合考虑,采用方案二。
1、总电路图如图七所示:
图七:
Protues绘制的总电路原理图
2、用protel绘制的电路原理图及PCB版图:
图八:
用Protel绘制的电路原理图
图九:
PCB版图
六、结果:
(1)、元件清单如图十所示:
图十:
元件清单
(2)、仿真结果:
输入不同的数字量,对应电压表的显示结果(取样):
输入数字量
输出电压值(V)
输入数字量
输出电压值(V)
00000000
+0.00
00111100
-1.172
00000011
-0.039
00111111
-1.230
00001111
-0.293
11000000
-3.750
00110000
-0.938
11110011
-4.746
示波器输出波形:
当Y1Y0=00时,第一片DAC0832工作,而第二片不工作,示波器波形如图十所示:
图十一:
仿真结果一
当Y1Y0=01时,第二片DAC0832工作,而第一片不工作,其示波器波形如图十一所示:
图十二:
仿真结果二
当Y1Y0为其他组合时,两片DA转换芯片均无效,显示结果如图十二:
图十三:
仿真结果三
(3)、本设计的DA转换器的分辨率=5/255=0.0196V=196mv.
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