基于數(shù)字電子技術的A/D轉換器的設計與實現(xiàn)

高玉凱，肖 瑋，李榮海

(大慶師范學院 物理與電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163712)

0 引言

隨著數(shù)字信號處理系統(tǒng)的飛速發(fā)展和電子產業(yè)數(shù)字化程度的不斷提高，逐漸形成了以數(shù)字系統(tǒng)為主體的格局[1-2]。但隨著A/D轉換技術的不斷成熟，全國各大A/D轉換器生產廠家在急于追逐其轉換速度和轉換精度的提高，卻忽略了A/D轉換器外圍電路的設計與制作，使A/D轉換器的功能不盡齊全，其中就包括信號的存儲功能[3-6]。本課題就是基于數(shù)字電子技術，實現(xiàn)了A/D轉換的外部顯示和數(shù)據(jù)存儲功能。不僅實現(xiàn)了數(shù)字顯示，更實現(xiàn)了數(shù)據(jù)測試后的回放功能，為試驗數(shù)據(jù)的分析和處理提供了方便。

1 電路設計思想及測試方法

1.1 電路設計思想

圖1 A/D轉換存儲與顯示原理框圖

電路由圖1所示的五個部分組成：轉換電路、數(shù)據(jù)存儲單元、地址存儲單元、顯示電路和脈沖發(fā)生電路。總體思想是把A/D轉換的二進制數(shù)據(jù)，作為地址碼存儲在靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器中，同時訪問電信號擦除的可編程只讀存儲器，輸出與A/D轉換結果相對應的8421BCD碼，供動態(tài)掃描顯示數(shù)據(jù)結果使用。脈沖發(fā)生電路是給每個部分提供芯片所需的時鐘信號。

1.2 測試方法

1)A/D轉換的存儲和顯示實驗在數(shù)字試驗臺上進行。所有數(shù)字芯片供電電源均為直流電5V，時鐘脈沖取自試驗臺脈沖發(fā)生器，ADC0809工作頻率為26214Hz；轉換及存儲頻率為13Hz。分時選通頻率為406Hz。在實驗臺上按照圖1連接各芯片。

2)儀器設備：ADC0809模數(shù)轉換芯片一片，電信號擦除的可編程只讀存儲芯片2816一片，靜態(tài)存儲芯片6116一片，十六進制計數(shù)器74LS163三片，74LS373鎖存器兩片，內置驅動七段譯碼器CD4511三片，共陰數(shù)碼管三個。

首先使輸入的模擬量在0V～5V之間均勻變化，A/D轉換的同時進行數(shù)據(jù)存儲，并將當前的測量數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上，用實驗臺上的數(shù)字電壓表測量模擬輸入端輸入電壓值，并進行記錄，將其與輸出顯示在數(shù)碼管上的數(shù)字量進行對比。轉換全部完成后，在不掉電的情況下，通過控制計數(shù)器和存儲器將存儲數(shù)據(jù)進行回放顯示，記錄顯示數(shù)據(jù)，并將其與實驗臺上的數(shù)字電壓表測量的輸入電壓值進行比較，以便觀察測量結果。

2 硬件電路實現(xiàn)

2.1 轉換和存儲部分

轉換和存儲原理圖如圖2所示，由模數(shù)轉換芯片ADC0809，靜態(tài)存儲器6116，動態(tài)存儲器2816和16進制74LS163組成。

圖2 轉換和存儲原理圖

模數(shù)轉換芯片ADC0809是將輸入的模擬量轉換為數(shù)字量，輸出為八位二進制數(shù)，分辨率S由公式(1)可得到：

S=UREF(+)/28

(1)

其中UREF(+)是ADC0809的對比電壓，這里我們輸入的是5V，經計算得：

S≈0.01953

(2)

靜態(tài)存儲器6116用作地址存儲器，將讀寫控制端WE置為低電位，使6116工作于寫數(shù)據(jù)狀態(tài)，可以將ADC0809轉換的二進制數(shù)作為地址存入到6116內。兩片74LS163級聯(lián)組成一個256位的計數(shù)器，輸出分別接到存儲器6116的地址端的低四位和高四位，既可以對存儲器6116內256個地址進行選擇(如果用三片74LS163級聯(lián)可以擴展地址存儲量)。計數(shù)器74LS163的CP1脈沖與ADC08009的轉換START的CP2脈沖是同步的，就是說0809每轉換一次，74LS163計數(shù)器加一位，存儲器6116的地址就變化一次。存儲器2816的地址端與ADC0809的輸出相連，對應0809轉換的二進制數(shù)選擇地址，在對應的地址里預存二進制到8421BCD碼轉換數(shù)據(jù)，預存數(shù)據(jù)就是事先把0V～5V之間的電壓轉換成相應的8421BCD碼，使數(shù)碼管顯示輸入電壓值的數(shù)據(jù)。電信號擦除的可編程只讀存儲器2816的A8地址端由CP3控制與鎖存器74LS373(U105)共用一個脈沖。CP3脈沖送入低電平時，即存儲器2816的A8腳為0時，假設打開存儲器內部的第一個256位存儲模塊，當CP3為高電平時A8腳為1時，打開存儲器內部的第二個256位存儲模塊。例如：輸入的信號是3.75V，這時ADC0809的START由CP2來臨一個脈沖開始轉換，轉換后的二進制數(shù)經過計算是11000000，由于脈沖CP1與CP2同步，74LS163計數(shù)器加一，在轉換前先將計數(shù)器清零，所以將數(shù)據(jù)11000000存到6116內的00000000地址內，同時送到2816選擇第一個和第二個存儲模塊的11000000地址，之前我們必須先在此地址內存入是數(shù)碼管顯示3.75V的8421BCD數(shù)據(jù)。

2.2 顯示部分

顯示部分原理圖如圖3所示，顯示電路由鎖存器74LS373、內部自帶驅動的七段譯碼器CD4511和七段數(shù)碼管組成。

從存儲器2816取出的數(shù)據(jù)，送到兩個鎖存器74LS373，兩片鎖存器的選通狀態(tài)和鎖存狀態(tài)是由同一個脈沖控制的，前面提到的存儲器2816的A8腳與鎖存器74LS373(U105)的LE端同用CP3，而另一個鎖存器74LS373(U104)的LE端是與CP3取反脈沖接到一起，使兩個鎖存器分時導通，實現(xiàn)了動態(tài)掃描。要保證控制分時顯示的脈沖CP3的頻率f1為控制ADC0809的START腳的轉換脈沖CP2頻率f2的2倍，即：

f1≥2f2

(3)

鎖存器的輸出接到了譯碼器CD4511上，CD4511將送來的數(shù)據(jù)進行譯碼，編譯為數(shù)碼可以顯示的數(shù)字。例如：從存儲器2816取出3.75V的數(shù)據(jù)，這時脈沖CP3的低電平使存儲器2816的A8腳接收為0，選通第一個存儲模塊從存儲器2816的高四位輸出3的8421BCD碼0011，從低四位輸出7的8421BCD碼0111，這時鎖存器U104是導通狀態(tài)，U105處于鎖存狀態(tài)，數(shù)據(jù)通過鎖存器U104送到4511(U106和U107)，在數(shù)碼管顯示3.7V，在脈沖CP3為高電平時2816的A8腳接收到高電平，打開了第2個存儲模塊。從2816取出5V的8421BCD碼從低四位輸出，這時鎖存器U105處于導通狀態(tài)，U104將上前面的數(shù)據(jù)所存在輸出端，U105將數(shù)據(jù)送到第3個4511驅動數(shù)碼管顯示5V，以此來實現(xiàn)動態(tài)掃描顯示A/D轉換結果。

圖3 顯示電路原理圖

2.3 數(shù)據(jù)回放

當轉換結束后，如需重放轉換的數(shù)據(jù)，需要將ADC0809停止工作，將計數(shù)器74LS163清零，存儲器6116將讀寫控制端WE置為高電平選到讀狀態(tài)，通過手動或自動控制產生計數(shù)脈沖來再現(xiàn)A/D轉換結果。當進行下次轉換時只要將存儲器6116讀寫控制端選到寫輸入狀態(tài)，計數(shù)器置零，即可重新存儲新的數(shù)據(jù)，使用起來很方便。整個A/D轉換器的原理如圖4所示：

圖4 A/D轉換的存儲與顯示總電路原理圖

3 計算結果與比較

在測量過程中，隨機改變輸入的模擬電壓值，其值如表1的實際輸入電壓；同時記錄顯示在數(shù)碼管上的電壓值，其值如表1的實際存儲電壓；將“實際輸入電壓”與“實際存儲電壓”進行比較，結果最大誤差為0.02V，在允許誤差范圍內。

表1 A/D轉換存儲顯示結果與實際電壓值的比較

注：時鐘頻率26214HZ；選通頻率406HZ；轉換頻率13HZ

4 結論

本文介紹了在已有的A/D轉換器的基礎上，借助于通用的數(shù)字芯片，通過構建A/D轉換器外圍電路的方法，不僅實現(xiàn)了測量過程中的實時顯示和數(shù)據(jù)存儲功能，而且由于這里所使用的存儲芯片是靜態(tài)存儲器6116，就是說每次測量的數(shù)據(jù)在使用完之后，斷電會自動消失，無需進行下次存儲前的擦除工作，使用起來非常方便，為便攜式A/D轉換器數(shù)據(jù)處理分析設計增添了新內容。

[參考文獻]

[1] 李素芬,李剛,孫景,等.模數(shù)轉換技術及其發(fā)展[J].電子技術應用,2002(4):72-75.

[2] 柴寶玉,林曉鵬,郭東輝.模數(shù)轉換(A/D)集成電路設計原理及其應用技術[J].西安石油大學學報:自然科學版,2006,21(3):94-99.

[3] 吳春娥,魏廷存.關于模數(shù)轉換(A/D)的討論[J].科學技術與工程,2007,7(9):1882-1886.

[4] 李京翠,劉立山,王光,等.一種低成本、高精度模數(shù)轉換電路的設計[J].青島農業(yè)大學學報:自然科學版,2007,24(2):136-139.

[5] 申小海,李俊莉.基于ADC0809的模數(shù)轉換應用舉隅[J].河南師范大學學報:自然科學版,2008,36(4):166-167.

[6] 李顯輝.一種基于可編程器件的模數(shù)轉換接口電路的設計[J].電氣自動化,2005,27(5):28-30.