用仿真軟件Multisim10仿真測試A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯功能-

實訓一、實訓目的了解A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理掌握A/D轉(zhuǎn)換器邏輯功能的仿真測試方法實訓器材實訓器材計算機仿真軟件Multisim10其他數(shù)量1臺1套三、實訓原理及操作（一）實訓原理A/D轉(zhuǎn)換器用來將模擬信號轉(zhuǎn)換成一組相應二進制數(shù)碼。由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入量是隨時間連續(xù)變化的模擬信號，而輸出是隨時間斷續(xù)變化的離散數(shù)字信號，因此在轉(zhuǎn)換過程中，首先要對模擬信號進行采樣、保持，再進行量化、編碼。所謂采樣，就是在一個微小時間內(nèi)對模擬信號進行取樣，把一個隨時間連續(xù)變化的信號變換為對時間離散的信號。采樣結(jié)束后，再將此取樣的模擬信號保持一段時間，使A/D轉(zhuǎn)換器有充分時間進行A/D轉(zhuǎn)換。這就是采樣、保持電路的基本原理。任何一個數(shù)量的大小都是以某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍來表示的。因此，在用數(shù)字量表示采樣電壓時，也必須把它轉(zhuǎn)化成這個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這個轉(zhuǎn)化過程就叫做量化。所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用△表示。顯然，數(shù)字信號最低有效位中的1所表示的數(shù)量大小，就等于^。一般被轉(zhuǎn)化的模擬電壓不可能被整除，這種因素引起的誤差稱為量化誤差。量化誤差又稱為分辨率。ADC輸出二進制位數(shù)越多，則分辨率越高，轉(zhuǎn)換精度也越高。分辨率常以數(shù)字信號最低有效位中的1所對應的電壓值表示。例如10位ADC，滿度輸入模擬電壓為5V，則最低有效位1所對應的輸入電壓為11…—x5V=4.88mV；8位ADC為一x5V=19.53mV。顯然10位ADC的分辨率比8位ADC21028高。把量化的數(shù)值用一組相應的二進制代碼表示出來，稱為編碼。這些代碼就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出數(shù)字量，而量化及編碼電路即為A/D轉(zhuǎn)換器電路。

輸出數(shù)字量與模擬量之間的關(guān)系為(D)=^1^^^^n2VREF下面以8位ADC進行仿真測試，來討論模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模擬輸入與數(shù)字輸出之間的關(guān)系。(二)實訓操作元件選取仿真電路所用元件及選取途徑如下：電源VCC：PlaceSource一POWER_SOURCES一VCC接地：PlaceSource一POWER_SOURCES一GROUND，選取電路中的接地。信號源V1的選取：PlaceSource一SIGNAL_VOLTAGE_SO…一CLOCK_VOLTAGE滑動變阻器R1的選?。篜laceBasic一POTENTIOMETER—1KQ8位ADC的選取：PlaceMixed一ADC_DAC一ADC,如圖6-27所示。ADC的種類很多，為了方便介紹，我們選取簡單的一種8位ADC。指示燈：PlaceIndicator一PROBE一PROBE_REDQsoitct[|恥b占會AD5KiO_g01fi如弦11_如1弓AD'ilflFP*5Sd?lailfanits|HINED^RTIWLE3TIMEREUadl_dajzK3^JALOS_5W1TCH^ICQsoitct[|恥b占會AD5KiO_g01fi如弦11_如1弓AD'ilflFP*5Sd?lailfanits|HINED^RTIWLE3TIMEREUadl_dajzK3^JALOS_5W1TCH^IC■S3^ALOE_5W1TCHjOHLL1MERA.TQRSADCjlBCIGADS眨CE8AD和322禪ADSH珈網(wǎng)￡78心F32DAC?G+WF您EMC0541lDA￡H故11如_卬49H^1131_FP43Mi4M11fl2_FP49?豚11$3_FP盼S5_FP48Nrt?；n95_ITiKLiAarZ1l07CDjfClFuiciarrHBit肖JoDFlwhCarmlerCwp-yneiit-s：3flSe-archLti<|匚X電路組成將各個元件及8位ADC在仿真工作窗口擺放好并連接，構(gòu)成8位ADC的模/數(shù)轉(zhuǎn)換仿真電路，如圖6-28所示。圖中，從Multisim10中調(diào)出的8位ADC上標注的含義為：Vref+和Vref-的電壓差是A/D轉(zhuǎn)換器的滿度電壓，Vin是通過電位器％來調(diào)節(jié)的模擬電壓；SOC是時鐘脈沖，OE是轉(zhuǎn)換使能。連接好電路后，將OE由低電平置高，發(fā)出轉(zhuǎn)換命令，就可以通過指示燈的亮滅看到轉(zhuǎn)換的數(shù)碼。圖6-288位ADC的模/數(shù)轉(zhuǎn)換仿真電路仿真分析打開仿真開關(guān)，仿真電路中的開關(guān)S1接高電平，調(diào)整滑動變阻器R1的阻值，改變的是輸入8位ADC的模擬電壓值，則輸出端以指示燈的亮滅表示轉(zhuǎn)換出的數(shù)碼，燈亮表示為1,燈滅表示為0。需要注意的是，二進制數(shù)碼的排列順序從D7?D0排列。舉例說明：圖示狀態(tài)為正在模/數(shù)轉(zhuǎn)換。當前輸入模擬電壓為4V，轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)碼結(jié)果如圖3-90中的指示燈指示所示。由于匕=J匕C其中，Vm代表滿度電壓5V，Vin代表輸入的模擬電壓（也就是需要轉(zhuǎn)換的模擬量），C/弋表該A/D轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換的最大數(shù)碼，Cin代表輸入電壓對應的轉(zhuǎn)換后的數(shù)碼。5_2554—~C~inC=204Cn=204，轉(zhuǎn)換成二進制為11001100，與圖6-28中的指示燈指示結(jié)果一致。調(diào)整數(shù)據(jù)并再次測試調(diào)整滑動變阻器R1的阻值，改變輸入電壓數(shù)值，再次仿真測試，并比較判斷結(jié)果。四、注意事項用輸出數(shù)字量與模擬量之間的關(guān)系式運算也可以得到結(jié)果

(D)=匕N*2n=4^28=0.8X256=204.8=(204)

n2V510和上面的運算結(jié)果是一致的。A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的大小不僅與輸入的模擬量有關(guān)，而且還與參考電壓有關(guān)。滿量程參考電壓越小，A/D轉(zhuǎn)換電路的分辨率就越高，但電路的工作范圍就越窄。五、實訓考核任務(wù)二仿真測試A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯功能班級姓名組號扣分記錄得分項目配分考核要求評分細則正確連接電路20分能使用仿真軟件，并能正確連接電路不會使用仿真軟件扣10分未能正確連接電路扣5分仿真測試A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯功能60分能正確進行仿真，并準確得出結(jié)果連接方法不正確，每處扣5分不能正確進行仿真，扣5分結(jié)果不準確，每次扣5分不會重新調(diào)整測量參數(shù)，扣10分重新測試后，不會比較測試數(shù)據(jù)?？?0分實訓總結(jié)10分能正確總結(jié)A/D轉(zhuǎn)換器的功能不熟悉A/D轉(zhuǎn)換器管腳功能，每處扣5分未掌握A/D轉(zhuǎn)換器的連接方法，扣5分安全文明操作10分①安全用電，無人為損壞儀器、元件1.違反操作規(guī)程.每次扣5分和設(shè)備；保持環(huán)境整潔，秩序井然，操作習慣良好；小組成員協(xié)作和諧，態(tài)度正確；不遲到、早退、曠課②工作場地不整潔.扣5分總分項目制作蔬菜大棚溫度報警電路的設(shè)計與調(diào)試一、項目制作目的了解并掌握蔬菜大棚溫度報警電路的設(shè)計與調(diào)試方法掌握使用仿真軟件Multisim10進行復雜應用電路仿真調(diào)試的方法二、項目要求設(shè)計電路應能完全滿足項目題目的要求。繪出蔬菜大棚溫度報警電路的邏輯圖完成蔬菜大棚溫度報警電路的仿真調(diào)試三、項目步驟（一）電路設(shè)計分析在圖6-1所示的8通道蔬菜大棚溫度報警系統(tǒng)中，蔬菜大棚不同位置傳感器檢測到的溫度信號，由多路模擬開關(guān)選擇其中的一路送人信號放大電路，信號經(jīng)放大電路放大后輸出到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，該數(shù)字量可通過數(shù)碼管顯示出被測通道的溫度值?？刂齐娐钒匆欢ǖ念l率輪流選通多路開關(guān)，可實現(xiàn)多路溫度信號的循環(huán)檢測。編碼電路對控制信號進行編碼，編碼輸出經(jīng)數(shù)碼管可顯示當前的檢測通道。數(shù)值比較電路將報警設(shè)定值和當前的溫度值進行比較，產(chǎn)生溫度超限報警，根據(jù)工作需要，設(shè)定了高溫報警以及低溫報警兩種溫度監(jiān)測模式。8路輸入電路8路輸入電路由計數(shù)器和模擬多路開關(guān)構(gòu)成，如圖6-29所示。由74LS161N和74LS10N構(gòu)成八進制計數(shù)器，計數(shù)器的輸出QQQ。接模擬開關(guān)ADG408TQ的地址碼輸入端AAA。當CBA210A2A1Ao分別為000?ll1時，模擬多路開關(guān)依次選通CH0?CH7八路輸入信號中的一路。多路輸入電路的封裝模塊X1,其輸入引腳CH0?CH7接溫度傳感器輸出信號，CLOCK外接時鐘脈沖，由時鐘脈沖的頻率控制八個通道溫度檢測轉(zhuǎn)換的快慢，其輸出OUT接信號放大電路的輸入端VIN，QCQBQA同時接通道顯示數(shù)碼管，用來顯示哪個通道被選中進行溫度檢測。An|￡EK1EHJG￡15CM-LM?OHOK*'g□D□nnnnnnnn圖6-298路輸入電路及電路封裝信號放大電路信號放大電路用來對輸入的模擬信號進行放大，如圖6-30所示。信號放大電路選用集成運放OP07，集成運放OP07為低溫漂高精度放大器。整個放大電路分兩級，第一級由電阻%和％等構(gòu)成比例放大電路，放大倍數(shù)5；第二級由電阻月和％等構(gòu)成比例放大電路，放大倍數(shù)5；這樣信號經(jīng)兩級放大電路放大以后，信號明顯的加強。信號放大電路的封裝模塊X3，其輸入引腳VIN接多路輸入電路的輸出引腳OUT，輸出引腳VOUT接A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入Vin，放大電路的輸出范圍在A/D轉(zhuǎn)換要求的范圍內(nèi)。圖中接的示波器是用來進行放大電路調(diào)試所用，電路調(diào)試好后即可去除。圖6-30信號放大電路及電路封裝A/D轉(zhuǎn)換電路Multisim10仿真軟件中，A/D轉(zhuǎn)換器件用的是虛擬器件，其引腳排列如圖6-31所示。Vin為模擬電壓輸入端子，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為8位的數(shù)字量輸出端為D7?D0；Vref+為參考電壓“+”輸入端子（直流參考電源的電壓），Vref-為參考電壓“一”端（通常接地）。Vref+的大小按量化精度而定°SOC是啟動轉(zhuǎn)換信號，它由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，轉(zhuǎn)換開始，轉(zhuǎn)換時間為1us，轉(zhuǎn)換期間EOC為低電平。EOC是轉(zhuǎn)換結(jié)束標志位，高電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束;OE為輸出允許端子，可與EOC接在一起。ADC轉(zhuǎn)換電路的關(guān)鍵是輸入信號的負極性要同參考電壓Vref-連在一起。ADC圖6-31A/D轉(zhuǎn)換電路報警設(shè)定電路報警設(shè)定電路由計數(shù)器和數(shù)值比較器構(gòu)成，能實現(xiàn)被測溫度的超限報警，如圖6-32所示。以高溫報警電路設(shè)計為例，使用兩片74LS160N組成2位計數(shù)器，設(shè)定報警值時，通過開關(guān)S產(chǎn)生脈沖信號，計數(shù)器對脈沖信號計數(shù)產(chǎn)生需要設(shè)定的溫度報警值。兩片74LS85N級聯(lián)組成8位二進制數(shù)值比較器，數(shù)值比較器將A/D轉(zhuǎn)換器傳來的溫度數(shù)字量和設(shè)定的報警值進行比較，當實測溫度值超過設(shè)定值時，產(chǎn)生報警輸出。同理，低溫報警電路的設(shè)計與此類似，只是在溫度比較環(huán)節(jié)進行了調(diào)整，將A/D轉(zhuǎn)換器傳來的溫度數(shù)字量和設(shè)定的報警值進行比較，當實測溫度值低于設(shè)定值時，產(chǎn)生報警輸出，進行低溫報警。報警設(shè)定電路的封裝模塊如圖所示，其輸入引腳B7?B0接A/D轉(zhuǎn)換器傳來的溫度數(shù)字量，HTSET1?HTSET3為高溫報警溫度設(shè)定開關(guān)，LTSET1?LTSET3為低溫報警溫度設(shè)定開關(guān)；A0?A7接高溫報警設(shè)定溫度顯示數(shù)碼管，A00?A07接低溫報警設(shè)定溫度顯示數(shù)碼管；HO接高溫報警指示燈，LO接低溫報警指示燈。

圖6-32報警設(shè)定電路低溫報警諼定電路HTSETLLT3ET2LT5ET1LT8ET3報警設(shè)定電路封裝圖6-33報警設(shè)定電路的封裝圖6-32報警設(shè)定電路低溫報警諼定電路HTSETLLT3ET2LT5ET1LT8ET3（二）電路組成萬案一：蔬菜大棚溫度報警電路的整體仿真電路如圖6-34所示。該圖全部采用元件單獨接線的方式進行導線的連接，可以看到，導線數(shù)量繁多，查線困難。圖6-34蔬菜大棚溫度報警電路的整體仿真電路（方案一）方案二針對蔬菜大棚溫度報警電路仿真調(diào)試時導線繁多的特點，方案二采用了總線式以及電路模塊封裝的方式，所謂封裝，可以理解為使用者自己將一大片電路組成一個集成塊的形式，該片電路需要與外部電路連接的導線，定義為該封裝模塊的管腳。這樣最后總調(diào)試的時候，只需將各個模塊連接調(diào)試就可以了，這也是仿真軟件的一大功能（這是一項虛擬的功能，實際電路是不可能有的，但CPLD借鑒了這個思路，可以自定義芯片的管腳），用好模塊化設(shè)計，會大大簡化電路的連接，提高總電路調(diào)試的效果。其他部件如顯示器件、LED數(shù)碼管等放在封裝電路外，以便觀察輸出結(jié)果。具體封裝的操作，以本項目中溫度檢測8路輸入電路為例說明如下：（1）添加模塊引腳對于溫度檢測系統(tǒng)8路輸入電路，選擇Place/Connectors/HB/SCConnector命令，放置模塊引腳并連接在電路的各個輸出端，并分別命名，如圖6-29所示。（2）存儲命名單擊存儲按鈕，將編輯的圖形文件存盤。文件名為“溫度檢測8路輸入電路封裝.ms10”，如圖6-35所示。圖6-35電路封裝存儲命名（3）模塊封裝模塊封裝在總體電路設(shè)計調(diào)試環(huán)境中進行，組成步驟如下:放置模塊電路。單擊放置模塊按鈕，如圖6-36所示。圖6-36單擊放置模塊按鈕在彈出的“打開”對話框（如圖6-37所示）中選擇要封裝的模塊電路文件。單擊“打開”按鈕，即可實現(xiàn)對電路文件的封裝，封裝模型如圖6-38所示。在模塊圖標上右擊，選擇EditSymbol命令，可編輯封裝模型的輸入輸出引腳，編輯時，通常將輸入引腳放在模型的左邊，將輸出引腳放在模型的右邊。在模塊圖標上雙擊，可對模塊內(nèi)部電路重新調(diào)整和編輯。本封裝模塊沒有進行管腳的調(diào)整。圖6-37要封裝的模塊電路文件對話框圖6-37要封裝的模塊電路文件對話框圖6-38電路封裝模型依次放置其他電路模塊，在元器件庫中選擇開關(guān)、數(shù)碼管和指示燈等其他需要的元器件，創(chuàng)建蔬菜大棚溫度報警電路，如圖6-39所示。本電路的組成中，使用了總線結(jié)構(gòu)，有關(guān)總線的放置，本書前面內(nèi)容已有介紹，不再贅述。U18V7

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vnT|JH3VV3?T—0.1V0.1V-ihF0.GVHk[?l|ZiCDHEX0.1Y溫度果集通道顯示MB10HZ□V1、咋C5Vn_i_vTcr—20VA1DCDHE實時溫度顯示OCDHEX高溫報警指示燈X3OK42.5V低溫報警指示燈■71心■DItt苦酸定電路甘瑯高、低溫報警設(shè)定電路DCDJdEKDCELHEXDCELHEXDCD_HEXX3XLi1U21U22U23U2J間溫溫度顯示低溫溫度呈不（三）仿真分析打開仿真開關(guān)，用開關(guān)設(shè)定報警所需溫度，高溫設(shè)為32°C，低溫設(shè)為15°C，仿真結(jié)果顯示，此時溫度檢測通道為6,測定溫度為6C，低于低溫報警溫度，所以低溫報警指示燈亮，該電路達到設(shè)計指標的要求。四、注意事項由于仿真軟件中不包含溫度傳感器元件，所以在電路的設(shè)計時傳感器的數(shù)據(jù)由小信號的電壓源代替，在實際電路的設(shè)計中要注意這里的區(qū)別。實際應用中，溫度傳感器種類繁多，功能強大，有的甚至已將報警溫度設(shè)定集成在傳