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模拟数字转换器，模电数电课程设计，毕业论文.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.46M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘 要
    一、设计任务与目的
    1．熟悉MultiSim9软件的工作界面，会使用其相关功能进行一般的设计仿真工作；
    2．熟悉MultiSim9软件提供的元器件的种类，基本参数设置常用虚拟仪器的使用等；
    3. 通过 MultiSim9软件仿真加深对模拟数字转换及相关元件功能的理解.
    4. 基本达到文章的自洽，即仅通过本文就能基本清晰理解所讨论的课题。
    二、设计内容与要求
    三、基本原理
    1．模拟数字转换基本概念
    1）、模拟信号
    2）、数字信号
    3）、模拟量的数字表示
    4）、数字信号的描述
    2．模拟数字转换器原理
    四、主要技术参数
    1、分辨率
    2、转换精度
    3、转换时间
    五、系统原理图
    六、元器件的选用
    七、实测数据及分析
    1、准确度分析
    2、分辨率、转换精度分析
    3、转换时间分析
    八、重要芯片引脚图与引脚功能
    九、7段共阳极显示的模拟数字转换器原理图
    十、总结与体会
    参考文献
    长沙学院电子与通信工程系 2005 级应用物理专业数字电子技术课程设计 长 沙 学 院 数字电子技术课 程 设 计 实 习 报 告 项目名称 模拟数字转换器 班 级 设计者 学 号 05 应用物理一班 朱毅 2005041121 指导教师 孙利平，刘亮，张海涛 起止日期 2007.12.24—2007.12.29 1
    长沙学院电子与通信工程系 2005 级应用物理专业数字电子技术课程设计 2005 级应用物理专业课程设计任务书 系（部）： 电子与通信工程系 专业： 应用物理学 学生姓名 朱毅 指导教师 孙利平，刘亮，张海涛 课题名称 模 拟 数 字 转 换 器 设 计 要 求 及 设 计 参 数 设 计 工 作 量 主 要 参 考 资 料 进 度 安 排 1．熟悉 MultiSim9 软件的工作界面，会使用其相关功能进行一般的设计仿真工作； 2. 熟悉 MultiSim9 软件提供的元器件的种类、调用、基本参数设置、常用虚拟仪器 的使用等； 3. 给出 A1 集成电路的主要技术参数，熟悉 IC 芯片各引脚的功能，逐个说明； 4.通过实际测试，给出 A/D 转换的对应关系表，并分析其转换精度； 5.LED 显示器采用 7 段共阳极显示器，改动线路并画出原理图； 6．按标准格式及内容设计说明书。 1 周：根据要求的格式写出理论设计方案的全过程，实验操作的步骤、数据以及结论。 计算机模拟的全部数据和输出图纸。 [1] 秦曾煌.电工学 下册：电子技术（第五版）.高等教育出版社 1999 年 [2] 康华光.电子技术基础 数字部分（第五版）.高等教育出版社 2006 年 [3] 张毅刚.单片机原理及应用.高等教育出版社 2007 年 [4] 21s 相关网站 起止日期 工作内容 备注 12 月 24 日—12 月 24 日 软件应用：学习 MultiSim9 软件的操作 选择课题，查阅相关书籍、网站弄懂原理并形 成大概设计框架 12 月 25 日—12 月 26 日 应用 MultiSim9 软件完成模拟图 12 月 27 日—12 月 28 日 通过模拟电路测量相关数据 生成电子课程设计说明书 12 月 29 日 经过老师审查，生成纸质课程设计说明书，完 成课程设计 由于只 有 1 周 时间， 因此没 有答辩 环节 2
    长沙学院电子与通信工程系 2005 级应用物理专业数字电子技术课程设计 长沙学院课程设计鉴定表 姓名 朱毅 学号 2005041121 专业 应用物理学 班级 1 设计题目 模拟数字转换器 指导教师 孙利平，刘亮，张海涛 指导教师意见： 评定等级： 教研室意见： 教师签名： 日期： 教研室主任签名： 日期： 系（部）意见： 系主任签名： 日期： 说明 课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四类； 3
    长沙学院电子与通信工程系 2005 级应用物理专业数字电子技术课程设计 目录 摘 要................................................................................................................................................... 5 一、设计任务与目的......................................................................................................................... 5 二、设计内容与要求......................................................................................................................... 5 三、基本原理..................................................................................................................................... 5 1．模拟数字转换基本概念 .........................................................................................................................................5 1）、模拟信号........................................................................................................................................................... 5 2）、数字信号........................................................................................................................................................... 5 3）、模拟量的数字表示........................................................................................................................................... 5 4）、数字信号的描述............................................................................................................................................... 6 2． 模拟数字转换器原理.........................................................................................................................................7 四、主要技术参数....................................................................................................................................................... 9 1、分辨率 ................................................................................................................................................................9 2、转换精度 ............................................................................................................................................................9 3、转换时间............................................................................................................................................................9 五、系统原理图............................................................................................................................................................9 六、元器件的选用..................................................................................................................................................... 10 七、实测数据及分析................................................................................................................................................ 10 1、准确度分析 ......................................................................................................................................................10 2、分辨率、转换精度分析 ..................................................................................................................................11 3、转换时间分析..................................................................................................................................................11 八、重要芯片引脚图与引脚功能........................................................................................................................ 12 九、7 段共阳极显示的模拟数字转换器原理图.............................................................................................13 十、总结与体会..........................................................................................................................................................14 参考文献........................................................................................................................................................................ 14 4
    长沙学院电子与通信工程系 2005 级应用物理专业数字电子技术课程设计 课题：模拟数字转换器 摘 要 A/D 转换器的作用就是把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。A/D 转换器按其工作原理不 同分为直接 A/D 转换器和间接 A/D 转换器两种, 这里讨论逐次比较 A/D 转换器,属于直接 A/D 转换器。 本文介绍了 A/D 转换电路原理、设计和 Multisim9 软件进行实现与仿真的设计思路与过程。本次课程 设计中通过可调电阻来达到改变输入的模拟量（电压）的目的，并选用了基础的 ADC 芯片来实现模数转换。 关键词：模拟量；数字量；模数转换；模拟量的数字表示；逐次比较;ADC 芯片； 一、 设计任务与目的 1．熟悉 MultiSim9 软件的工作界面，会使用其相关功能进行一般的设计仿真工作； 2．熟悉 MultiSim9 软件提供的元器件的种类，基本参数设置常用虚拟仪器的使用等； 3. 通过 MultiSim9 软件仿真加深对模拟数字转换及相关元件功能的理解. 4. 基本达到文章的自洽，即仅通过本文就能基本清晰理解所讨论的课题。 二、 设计内容与要求 1． 说明模拟数字转换的基本概念和原理； 2． 给出 A1 集成电路的主要技术参数，熟悉 IC 芯片（ADC）各引脚的功能，逐个说明； 3． 通过实际测试，给出 A/D 转换的对应关系表，并分析计算其转换精度； 4． LED 显示器采用 7 段共阳极显示器，改动线路并画出原理图； 5．写出设计心得。 三、 基本原理 1． 模拟数字转换基本概念 1）、模拟信号 人们在自然界感知的许多物理量中,有一些物理量如速度,压力,温度,声音,质量以及位置等都一个共 同的特点,即它们在时间上是连续变化的,幅值上也是连续取值的. 这种连续变化的物理量称为模拟量,表 示模拟量的信号称为模拟信号。 2）、数字信号 与模拟量相对应的另一类物理量称为数字量. 它们是一系列离散的时刻取值,数值的大小和每次的增 减都是量化单位的整数倍,即它们是一系列时间离散, 数值也是离散的信号. 表示数字量的信号称为数字 信号。 随着计算机的广泛应用,绝大多数电子系统都采用计算机来对信号进行处理.由于计算机无法直接处 理模拟信号,所以需要将模拟信号转换为数字信号。 3）、模拟量的数字表示 a.取样与保持：图（1）所示为模拟电压信号.首先对模拟信号取样.合理的取样频率由取样定理确定。 if ，则 sf 与 取样定理：设取样信号 S(t)的频率为 sf ,输入模拟信号 v1(t)的最高频率分量的频率为 max if 必须满足下面的关系 max 5
    长沙学院电子与通信工程系 2005 级应用物理专业数字电子技术课程设计 一般取 sf > max if 。 sf ≥ max if 将取样所得信号转换为数字信号往往需要一定的时间，为了给后续的量化编码电路提供一个稳定值， 取样电路输出还需要保持一段时间。一般取样与保持过程都是同时完成的。 b.量化：图（2）所示为模拟信号通过取样电路后,变为时间离散, 幅值连续的取样信号,t0,t1,t2… 为取样时间. 这里幅值连续是指各取样点的幅值没有量化,仍然与对应的模拟信号的幅值相同.然后对取 样信号进行量化即数字化. 最小数量单位△称为量化单位，量化单位△是数字信号最低位为 1 时所对应的 模拟量，即 1LSB。选取一个量化单位,将取样信号除以量化单位并取整数结果,得到时间离散, 数值也是离 散的数字量。由于被取样电压是连续的，它的值不一定都能被△整除，所以在量化过程中，不可避免地存 在误差，称为量化误差，用表示。属于原理误差，无法消除。A/D 转换器的位数越多，1LSB 所对应的 △值越小，量化误差的绝对值也越小。 量化的方法，一般有舍尾取整法和四舍五入法两种。舍尾取整法是：如果输入电压 v1 在两个相邻的 量化值之间时，即（n-1）△
    长沙学院电子与通信工程系 2005 级应用物理专业数字电子技术课程设计 如，是与非，真与假，开与关，低与高，通与断等等，这里的 0 和 1 不是数值，而是逻辑 0 和逻辑 1。这 种只有两种对立逻辑状态的逻辑关系称为二值数字逻辑或简称数字逻辑。 在电路中，可以很方便地用电子器件的开关来实现二值数字逻辑，也就是以高低电平分别表示逻辑 1 和 0 两种状态。在分析实际数字电路时，考虑的是信号之间的逻辑关系，只要能区别出表示逻辑状态的高， 低电平，可以忽略高，低电平的具体数值。表 1 所示为一类 CMOS 器件的电压范围与逻辑电平之间的关系。 当信号电压在 3.5~5V 范围内，都表示高电平；在 0~1.5 范围内， 表 1 （ 电压范围与逻辑电平的关系） 都表示低电平。这些表示数字电压的高，低电平通常称为逻辑电 平。应当注意，逻辑电平不是物理量，而是物理量的相对表示。 （a）图所示为用逻辑电平表示的数字波形，逻辑 0 表示低电 平，逻辑 1 表示高电平。（b）图所示为 16 位数据的波形。 电压 二值逻辑 电平 3.5~5V 0~1.5 1 0 H（高电平） L(低电平) 用逻辑电平表示数字波形 16 位数据的图形表示 2． 模拟数字转换器原理 A/D 转换器按其工作原理不同分为直接 A/D 转换器和间接 A/D 转换器两种。直接 A/D 转换器将模拟信 号直接转换为数字信号，这类 A/D 转换器具有较快的转换速度，典型电路有并行比较 A/D 转换器，逐次比 较 A/D 转换器。而间接 A/D 转换器则先将模拟信号转换为某一中间量（时间或频率），然后再将中间量转 换为数字量输出。此类 A/D 转换器速度较慢，典型电路有双积分 A/D 转换器，电压频率转换型 A/D 转换器。 这里为逐次比较 A/D 转换器。什么是逐次比较？好比天平秤重，其过程是，从最重的砝码开始试放， 与被秤物体进行比较，若物体重于砝码，则该砝码保留，否则移去。再加上第二个次重砝码……照此进行， 一直加到最小一个砝码。将所有留下的砝码重量相加，就得物体重量。例如用四个分别重 8g,4g,2g,1g 的 砝码秤重 13g 的物体，顺序如表 2： 表 2：逐次比较被秤物体一例 顺 序 砝 码 重 量 比 较 判 别 该砝码是否留或去 1 2 3 4 8g 8g+4g 8g+4g+2g 8g+4g+1g 8g<13g 12g<13g 14g>13g 13g=13g 留 留 去 留 逐次比较 A/D 转换器工作过程与上述秤物过程十分相似，就是将输入模拟信号与不同的参考电压做多 次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量。 这里采用的 8 位逐次比较 A/D 转换器框图如图 4 所示。它由控制电路，数据寄存器，位移寄存器，D/A 转换器及电压比较器组成。 7
    长沙学院电子与通信工程系 2005 级应用物理专业数字电子技术课程设计 电路启动后，第一个 CP 将位移寄存器置为 10000000，该数字经数据寄存器送入 D/A 转换器。输入模 拟电压 v1 首先与 10000000 所对应的电压 V(REP)/2 相比较，如果 v1>=[V(REP)/2],z 则比较器输出为 0， 此结果存于数据寄存器的 D7 位；第二个 CP 使位移寄存器置为 01000000。如果最高位已存 1，则此时 D/A 转换器的输出电压 v′=3V(REF)/4,v1 再与 3V(REF)/4 相比较,如果 v1>=[3V(REF)/4],则次高位 D6 存 1， 否则 D6=0；如果最高位为 0，则 v′=V(REF)/4，v1 与 v′比较，如果 v1>=[ V(REF)/4]，则数据寄存器的 D6 存 1，否则存 0……依次类推，逐次比较得到输出数字量。 设图 4 所示电路为 8 位逐次比较 A/D 转换器，输入模拟量 v1=6.84,D/A 转换器的基准电压 V(REF)=-10V。 根据逐次比较 A/D 转换器的工作原理，可画出在转换过程中 CP，启动脉冲，D7~D0 及 D/A 转换器输出 电压 v′的波形，如图 A 所示。可见，启动脉冲低电平到来后转换开始。第一个 CP，数据寄存器将 D7~D0=10000000 送入 D/A 转换器，其输入电压 v′=5V，v1 与 v′比较，v1> v′,D7 存 1；第二个 CP 到来 时，寄存器输出 D7~D0=11000000, v′=7.5V,v1 再与 7.5V 比较，因为 v1<7.5V,所以 D6 存 0；输入第三个 CP 时，D7~D0=10100000, v′=6.25V； v1 再与 v′……如此重复下去，经过 8 个时钟周期，转换结束。由 v′的波形可见，在转换过程中，输出数字量对应的模拟电压 v′逐次逼近 v1 值，最后的转换结果 D7~D0=10101111。该数字量所对应的模拟电压为 6.835937V,与实际输入的模拟电压 6.84V 的相对误差仅为 0.06%。 8
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