计数式8位A/D转换器的设计与制作
1、设计目的：
1.1 培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产
实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。
1.2 学习较复杂的电子系统设计的一般方法，提高基于模拟、数字电路等知识
解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自
行调试。
1.3 进行基本技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、
熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。
1.4 培养学生的创新能力。
2、设计要求：
2.1 电源外接±5V；
2.2 输出数字量8位；
2.3 误差1LSB；
2.4 带转换开始控制；
2.5 输入电压直流电压0~4V；
2.6 主要单元电路和元器件参数计算、选择；
2.7 画出总体电路图；
2.8 安装自己设计的电路，按照自己设计的电路，在通用板上焊接。焊接完毕
后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象；
2.9 调试电路；
2.10 电路性能指标测试；
2.11 提交格式上符合要求，内容完整的设计报告；
元器件列表：555定时器、100欧电阻*2、C473、74161*2、74LS00、DAC0832、LM324、20K电SM410363 、474 电容、MC4553 、4511 、LM324 、1k欧电阻*3、
2k 欧电阻、
6.2k 欧电阻、双向开关一个、导线若干。
3、 设计内容
3.1 总体设计
3.1.1 总体原理
计数式8位A/D 转换器是由555定时器构成的多谐振荡器，产生的方波信号通过74LS00与非门电路将信号与比较器中输出信号处理后送往由两个74161构成的计数器构成的控制电路,方波出现一次上升沿,计数器由零开始向上计数，再由控制电路将信号发送至DAC0832数模转换器,数摸转换器连续的将计数值转换为电压信号，输出的信号再通过LM324构成的比较器与20K 的电位器产生的输入电压进行比较,当输入电压大于数模输出电压时，计数器继续计数，直到两者相等的瞬间才停止计数，保存在计数器内的数即代表输入电压值。
3.2部分设计
3.2.1信号发生器
信号发生器原理图如下图所示，它是由555定时器构成的多谐振荡器，电源接通瞬间，电容充电，当电容C473充电到两端电压为2/3的Vcc 时，触发器复位，Vo 为低电平，电容C473放电，，当两端电压下降到1/3的Vcc 时，触发输入直
流电压 比较器 D/A 转换
计数脉冲
产生电路 控制 电路 二进制 计数器
十进制
计数器 译码显示电路
器又被复位，Vo 翻转为高电平。从而使信号发生器产生方波信号。
555定时器它是一种时基电路，它是一种应用极为广泛的中规模集成电路。
(a ) (b) 该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密
特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。由于555内部的 比较器灵敏度较高,而且采用差分电路方式,他的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。以下是555定时器的原理图和引脚图：
图三 555计时器的管脚图
3.2.2 74LS00
74LS00的管脚图如下图所示：
图四 74LS00管脚图
产生的方波与比较器输出的电压再经过74LS00的一个与非门，输出的信号再输入控制电路。
将另两个与非门开关与74LS00中的两个与非门以及两个10k 欧电阻构成基本RS 触发器，用于x 输入，主要起清零作用。结构图如下图所示：
图五基本RS触发器
3.2.3控制电路
控制电路是由两个74161计数器串联构成的,以串行进位的方式连接，其中，片1的进位输出信号RCO直接作为片2的计数脉冲CP,显然这是一个异步计数器。片1片2的使能端ET=EP=1,因而它们总是处于计数状态，随着方波脉冲的输入，逐渐向上计数。控制电路的原理图如下图所示：
图六
图七
上图为 TTL 集成同步 4 位二进制递增计数器 74161 的引脚排列和逻辑功能示意图。 74161 是模 2 4 （四位二进制）同步计数器，具有计数、保持、预置、清 0 功能。它由四个 JK 触发器和一些控制门组成，其中 CP 是计数输入脉冲，上升沿有效； Q 0 ~Q 3 是计数输出端， Q 3 为最高位； CO 是进位信号输出端； D 0 ~D 3 为预置数并行输入端； CT T 和 CT P 是工作状态控制端。
3.2.4 D / A转换器DAC0832
DAC0832 是采用CMOS 工艺制成的单片电流输出型8 位数 / 模转换器。它将输入的八位电平信号转换为电压信号输出，下图是DAC0832 的逻辑框图及引脚排列。
图八
芯片DAC0832的数字电压输入端口（DI7～DI0）与两个74161的8位输出端相连；两个电流输出接入比较器LM324。
3.2.5 LM324比较器
LM324是四运放集成电路。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见下图中的图2。
图 1 图 2
图九 由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大，此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。明白原理之后，按照原理图将元器件焊接在电路板上。注意一定要焊好一部分调试一部分，即分部调试。
3.2.6 CD4553
电路采用CD4553作为计数器。CD4553有两个特点：是三位10进制计数器，但只有一位输出端（输出BCD 码），要完成三位输出，采用扫描方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制三位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。CD4553由三个BCD 计数器级联而成，因而可以用个位、十位、百位进行计数，计数值从0—999。由于它的计数输出端只有一个，而要完成三个计数器的输出，故采用3扫描输出的方法，逐个输出3个计数器的计数值，扫描频率由3、4脚的分时扫描振荡器外接电容的容量确定。由于扫描频率较高故不影响计数输出的准确性。与3个计数器输出相对应，还有3个相应的计数器输出选择端1DS 、2DS 、3DS ，低电平有效。如当第一个计数器输出时，1DS 为低电平，2DS 、3DS 均为高电平；当第二个计数器输出时，2DS 为低电平，其余为高电平；第三个计数器输出时，3DS 为低电平。这样可以通过1DS 、2DS 、3DS 与数码管配合实现分时显示。引脚图如下：
图3 CD4553组成方框图图4 CD4533管脚
CD4553的组成方框图及管脚排列如图3、图4所示。
3.2.7 CD4511
CD4511是常用的BCD码——七段显示译码器，它本身由译码器有输出缓冲器组成，具有锁存、译码、和驱动等功能，其输出最大电流可达25mA，可直接驱动共阴极LED数码管。本文采用CD4511作为译码器。CD4511有四个输入端A，B，C，D和七个输出端a～g,它还具有输入BCD码锁存、灯测试和熄灭显示控制功能，分别由锁存端LE、灯测试端/LT、熄灭/BI。当锁存允许端LE=“0”时，锁存器直通，译码器输出端a～g随输入A～D端而变化，当LE=“1”时，锁存器锁定，输出端保持不变。熄灭控制端/BI=“0”时，译码器输出全“0”，
因此，正常工作时应使/BI为高电平。另外灯测试端/LT=“0”时，译码器输出全“1”，数码管各段均亮，即显示8，用来检测数码管是否正常。当输入BCD码大于1001时，七段显示输出全“0”，各段均不亮。下图是管脚排列和真值表：
3.2.8 三位LED数码管
三位LED ，所有位的七段码线都并联在一起，而各位数码管的共阴极（对共阴LED数码管）D1，D2，D3分别被计数器CD4553输出的扫描时序脉冲DS1，DS2，DS3控制（本设计电路中DS1～DS3经三极管BG1～BG3控制D1～D3），
从而实现各位的分时选通显示。但要注意为了显示稳定，应使扫描时序脉冲的频率合适，频率过低将会使显示产生闪烁，而频率过高将会使显示产生余辉。扫描频率与显示数码管的位数有关，位数越多扫描频率应越高，通常可取扫描频率为几百赫兹，可由CD4553接入的电容C S值调整来决定。
4、调试
4.1 信号发生器的调试
4端、8端接上+5V电压，将3端口接上示波器，调出波形，看是否出现周期性的方波波形，其频率是f=1/(Tph+Tpl)。
4.2 74LS00的调试
将1、2分别接电平输入，将8端接电平显示。测试是否符合当1为低电平，2为低电平时输出为低电平；1为低电平，2为高电平是输出低电平；1为高电平，2为低电平时输出为低电平；只有1、2均为高电平时输出才为高电平。
4.3 74161的调试
两个计数器的清零端都接高电平, CP端接上实验箱上的单次脉冲,八个输出端分别按顺序接在八个电平显示上,按单次脉冲按钮,观察8位电平显示的输出是否为逐个增大的二进制数,达到同步加计数器功能的目的。扳动开关，看各显
示电平是否被能被清零，如能，则证明触发器连接正确。
4.4 DAC0832的调试
八个输入端接实验箱上的电平输入，接上电源和地线，用万用表测量观察输出端的电压变化情况，如电压随输入二进制数的增大而增大，则正确。
4.5 LM324的调试
与已经调试好的DAC0832相连，在DAC0832的输入端接电平输入，接上电源和地线，用万用表测LM324输出端的电压，如随电平增大而增大，则正确。4.6计数电路与译码显示电路部分的调试
1.4511芯片的测试
将高低电平控制开关接到BCD码输入端，通过高低电平的变化及BCD码编码的原则即可显示出0-9。然后在数码管上看是否出现对应的数字，芯片功能正常。
2.4553芯片的测试
按“芯片资料”中所提供的测试电路连好后，对照真值表测试，芯片功能正常。
3.拔掉芯片，用万用表测试电路是否已正确连接，线路接线无错误。
4.将计数部分的电路接上电源，插上三位数码管，并确保其他接线均正确，用低频脉冲信号发生器的输出信号作为计数器的输入，从三位共阴数码管上去读数字，观察个、十、百位计数器是否都能完成逢十进一的功能。然后按下清零按钮，使两个计数器均清零，重新开始计数，数码管应能反映这一状态。对应，它们应分别对应个、十、百位才对，连线不要搞错。另外，应检查译码器各输出端与数码管相应引脚是否正确。
4.7 联调
将所有设备全部接入电路，接通电源，调动10k电位器的阻值以改变10K电位器输出的电压，八位输出端口接电平显示，看电平显示是否随其缓慢改变。用万用表检查线路是否短路、断路或者虚焊。按原理图，接上所有元器件，接通电源。匀速调节电位器，从而改变输出电压。观察三位共阴数码管是否正常显示，
观察是否计数。
5、设计总结
通过本次课程设计，掌握了计数式8位A/D转换器的原理，更深层次的了解
了555定时器、74LS00、74161以及DAC0832、LM324等元器件的使用，画原理图时最好要仔细标明元器件的引脚及其他接口，方便焊接。
在焊接时，要注意各引脚的作用，不能焊错，也要注意因为相邻两个焊口间距较小，要随时用万用表测一下是否短路。焊接时，把各元器件从插座上拔下，以免电烙铁加热时将元器件烧坏，要保证各接口都接触稳定。
调试时要注意先单个调试，最好是焊好一个调一个，以免整体调试会发生烧坏元器件，同时要注意输入输出关系，测试实验值与计算值是否一致。
要特别注意各个+5v接口，接地端口都确保都连接好，用万用表测量就可以。
本次课程设计也锻炼了我们的实践动手能力，提高了自己学习的主动性和自主性，学会了在老师略微指导下自己独立完成一段学习的满足感，感受到了大学中忙碌的充实感，为以后的毕业设计打下基础。
6、参考文献
电子资源网
标准数字电路4000 CMOS全系列数据手册
康华光，电子技术基础模拟部分，北京：高等教育出版社，2000
康华光，电子技术基础数字部分，北京：高等教育出版社，2000
何希才，常用集成电路简明速查手册，北京：国防工业出版社，2006
杨刚，周群，电子系统设计与实践，北京：电子工业出版社，2005