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.