基于数字电子技术的A/D转换器的设计与实现

高玉凯，肖 玮，李荣海

(大庆师范学院 物理与电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163712)

0 引言

随着数字信号处理系统的飞速发展和电子产业数字化程度的不断提高，逐渐形成了以数字系统为主体的格局[1-2]。但随着A/D转换技术的不断成熟，全国各大A/D转换器生产厂家在急于追逐其转换速度和转换精度的提高，却忽略了A/D转换器外围电路的设计与制作，使A/D转换器的功能不尽齐全，其中就包括信号的存储功能[3-6]。本课题就是基于数字电子技术，实现了A/D转换的外部显示和数据存储功能。不仅实现了数字显示，更实现了数据测试后的回放功能，为试验数据的分析和处理提供了方便。

1 电路设计思想及测试方法

1.1 电路设计思想

图1 A/D转换存储与显示原理框图

电路由图1所示的五个部分组成：转换电路、数据存储单元、地址存储单元、显示电路和脉冲发生电路。总体思想是把A/D转换的二进制数据，作为地址码存储在静态数据存储器中，同时访问电信号擦除的可编程只读存储器，输出与A/D转换结果相对应的8421BCD码，供动态扫描显示数据结果使用。脉冲发生电路是给每个部分提供芯片所需的时钟信号。

1.2 测试方法

1)A/D转换的存储和显示实验在数字试验台上进行。所有数字芯片供电电源均为直流电5V，时钟脉冲取自试验台脉冲发生器，ADC0809工作频率为26214Hz；转换及存储频率为13Hz。分时选通频率为406Hz。在实验台上按照图1连接各芯片。

2)仪器设备：ADC0809模数转换芯片一片，电信号擦除的可编程只读存储芯片2816一片，静态存储芯片6116一片，十六进制计数器74LS163三片，74LS373锁存器两片，内置驱动七段译码器CD4511三片，共阴数码管三个。

首先使输入的模拟量在0V～5V之间均匀变化，A/D转换的同时进行数据存储，并将当前的测量数据显示在数码管上，用实验台上的数字电压表测量模拟输入端输入电压值，并进行记录，将其与输出显示在数码管上的数字量进行对比。转换全部完成后，在不掉电的情况下，通过控制计数器和存储器将存储数据进行回放显示，记录显示数据，并将其与实验台上的数字电压表测量的输入电压值进行比较，以便观察测量结果。

2 硬件电路实现

2.1 转换和存储部分

转换和存储原理图如图2所示，由模数转换芯片ADC0809，静态存储器6116，动态存储器2816和16进制74LS163组成。

图2 转换和存储原理图

模数转换芯片ADC0809是将输入的模拟量转换为数字量，输出为八位二进制数，分辨率S由公式(1)可得到：

S=UREF(+)/28

(1)

其中UREF(+)是ADC0809的对比电压，这里我们输入的是5V，经计算得：

S≈0.01953

(2)

静态存储器6116用作地址存储器，将读写控制端WE置为低电位，使6116工作于写数据状态，可以将ADC0809转换的二进制数作为地址存入到6116内。两片74LS163级联组成一个256位的计数器，输出分别接到存储器6116的地址端的低四位和高四位，既可以对存储器6116内256个地址进行选择(如果用三片74LS163级联可以扩展地址存储量)。计数器74LS163的CP1脉冲与ADC08009的转换START的CP2脉冲是同步的，就是说0809每转换一次，74LS163计数器加一位，存储器6116的地址就变化一次。存储器2816的地址端与ADC0809的输出相连，对应0809转换的二进制数选择地址，在对应的地址里预存二进制到8421BCD码转换数据，预存数据就是事先把0V～5V之间的电压转换成相应的8421BCD码，使数码管显示输入电压值的数据。电信号擦除的可编程只读存储器2816的A8地址端由CP3控制与锁存器74LS373(U105)共用一个脉冲。CP3脉冲送入低电平时，即存储器2816的A8脚为0时，假设打开存储器内部的第一个256位存储模块，当CP3为高电平时A8脚为1时，打开存储器内部的第二个256位存储模块。例如：输入的信号是3.75V，这时ADC0809的START由CP2来临一个脉冲开始转换，转换后的二进制数经过计算是11000000，由于脉冲CP1与CP2同步，74LS163计数器加一，在转换前先将计数器清零，所以将数据11000000存到6116内的00000000地址内，同时送到2816选择第一个和第二个存储模块的11000000地址，之前我们必须先在此地址内存入是数码管显示3.75V的8421BCD数据。

2.2 显示部分

显示部分原理图如图3所示，显示电路由锁存器74LS373、内部自带驱动的七段译码器CD4511和七段数码管组成。

从存储器2816取出的数据，送到两个锁存器74LS373，两片锁存器的选通状态和锁存状态是由同一个脉冲控制的，前面提到的存储器2816的A8脚与锁存器74LS373(U105)的LE端同用CP3，而另一个锁存器74LS373(U104)的LE端是与CP3取反脉冲接到一起，使两个锁存器分时导通，实现了动态扫描。要保证控制分时显示的脉冲CP3的频率f1为控制ADC0809的START脚的转换脉冲CP2频率f2的2倍，即：

f1≥2f2

(3)

锁存器的输出接到了译码器CD4511上，CD4511将送来的数据进行译码，编译为数码可以显示的数字。例如：从存储器2816取出3.75V的数据，这时脉冲CP3的低电平使存储器2816的A8脚接收为0，选通第一个存储模块从存储器2816的高四位输出3的8421BCD码0011，从低四位输出7的8421BCD码0111，这时锁存器U104是导通状态，U105处于锁存状态，数据通过锁存器U104送到4511(U106和U107)，在数码管显示3.7V，在脉冲CP3为高电平时2816的A8脚接收到高电平，打开了第2个存储模块。从2816取出5V的8421BCD码从低四位输出，这时锁存器U105处于导通状态，U104将上前面的数据所存在输出端，U105将数据送到第3个4511驱动数码管显示5V，以此来实现动态扫描显示A/D转换结果。

图3 显示电路原理图

2.3 数据回放

当转换结束后，如需重放转换的数据，需要将ADC0809停止工作，将计数器74LS163清零，存储器6116将读写控制端WE置为高电平选到读状态，通过手动或自动控制产生计数脉冲来再现A/D转换结果。当进行下次转换时只要将存储器6116读写控制端选到写输入状态，计数器置零，即可重新存储新的数据，使用起来很方便。整个A/D转换器的原理如图4所示：

图4 A/D转换的存储与显示总电路原理图

3 计算结果与比较

在测量过程中，随机改变输入的模拟电压值，其值如表1的实际输入电压；同时记录显示在数码管上的电压值，其值如表1的实际存储电压；将“实际输入电压”与“实际存储电压”进行比较，结果最大误差为0.02V，在允许误差范围内。

表1 A/D转换存储显示结果与实际电压值的比较

注：时钟频率26214HZ；选通频率406HZ；转换频率13HZ

4 结论

本文介绍了在已有的A/D转换器的基础上，借助于通用的数字芯片，通过构建A/D转换器外围电路的方法，不仅实现了测量过程中的实时显示和数据存储功能，而且由于这里所使用的存储芯片是静态存储器6116，就是说每次测量的数据在使用完之后，断电会自动消失，无需进行下次存储前的擦除工作，使用起来非常方便，为便携式A/D转换器数据处理分析设计增添了新内容。

[参考文献]

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