《数字电子技术基础》技能实训制作6.docx

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1、【技能训练】用仿真软件Multisim 10仿真测试A/D转换器的逻辑功能一、实训目的1. 了解A/D转换器的工作原理2. 掌握A/D转换器逻辑功能的仿真测试方法二. 实训器材三、实训原理及操作实训器材计算机仿真软件Multisim 10其他数量1台1衮（一）实训原理1. A/D转换器用来将模拟信号转换成一组相应二进制数码。由于A/D转换器的输入 量是随时间连续变化的模拟信号，而输出是随时间断续变化的离散数字信号，因此在转换过 程中，首先要对模拟信号进行采样、保持，再进行量化、编码。2. 所谓采样，就是在一个微小时间内对模拟信号进行取样，把一个随时间连续变化的 信号变换为对时间离散的信号。采样

2、结束后，再将此取样的模拟信号保持一段时间，使A/ D转换器有充分时间进行A/D转换。这就是采样、保持电路的基本原理。3. 任何一个数量的大小都是以某个最小数量单位的整数倍来表示的。因此，在用数字 量表示采样电压时，也必须把它转化成这个最小数量单位的整数倍，这个转化过程就叫做量 化。所规定的最小数量单位叫做量化单位，用表示。显然，数字信号最低有效位中的1 所表示的数量大小，就等于一般被转化的模拟电压不可能被整除，这种因素引起的误差 称为量化误差。量化误差又称为分辨率。ADC输出二进制位数越多，则分辨率越高，转换精度也越高。分辨率常以数字信号最低有效位中的1所对应的电压值表示。例如10位ADC,满

3、度输入模拟电压为5V,则最低有效位1所对应的输入电压为* = 4.88* ； 8位ADC为弘5V = 19.53*显然1。位ADC的分辨率比8位ADC高。4. 把量化的数值用一组相应的二进制代码表示出来，称为编码。这些代码就是A/D转换的输出数字量，而量化及编码电路即为A / D转换器电路。5. 输出数字量与模拟量之间的关系为四）2四）2V x 2Vv REF2.方案二针对蔬菜大棚温度报警电路仿真调试时导线繁多的特点，方案二采用了总线式以及电路 模块封装的方式，所谓封装，可以理解为使用者自己将一大片电路组成一个集成块的形式, 该片电路需要与外部电路连接的导线，定义为该封装模块的管脚。这样最后总

4、调试的时候, 只需将各个模块连接调试就可以了，这也是仿真软件的一大功能（这是一项虚拟的功能，实 际电路是不可能有的，但CPLD借鉴了这个思路，可以自定义芯片的管脚），用好模块化设计, 会大大简化电路的连接，提高总电路调试的效果。其他部件如显示器件、LED数码管等放在 封装电路外，以便观察输出结果。具体封装的操作，以本项目中温度检测8路输入电路为例说明如下：（1）添加模块引脚对于温度检测系统8路输入电路，选择Place / Connectors / HB / SC Connector命令， 放置模块引脚并连接在电路的各个输出端，并分别命名，如图6-29所示。（2）存储命名单击存储按钮，将编辑的图

5、形文件存盘。文件名为“温度检测8路输入电路封装.mslO, 如图635所示。图6-35电路封装存储命名（3）模块封装模块封装在总体电路设计调试环境中进行，组成步骤如下: 放置模块电路。单击放置模块按钮，如图6-36所示。* * 耕 / A D 咨(Q 祈 E3 i 8 Y % J S改xk (Ctrl.H)|Phce Hefchical图6-36单击放置模块按钮 在弹出的“打开”对话框（如图6-37所示）中选择要封装的模块电路文件。 单击“打开”按钮，即可实现对电路文件的封装，封装模型如图6-38所示。 在模块图标上右击，选择Edit Symbol命令，可编辑封装模型的输入输出引脚，编辑 时，

6、通常将输入引脚放在模型的左边，将输出引脚放在模型的右边。在模块图标上双击，可 对模块内部电路重新调整和编辑。本封装模块没有进行管脚的调整。图6-37要封装的模块电路文件对话框QAQBCLOCKQCCH7CH6CH5CH4CH3CH2CH1CH0OUTXI温度检测系统8路输入电路封装图6-38电路封装模型 依次放置其他电路模块，在元器件库中选择开关、数码管和指示灯等其他需要的元器 件，创建蔬菜大棚温度报警电路，如图6-39所示。本电路的组成中，使用了总线结构，有 关总线的放置，本书前面内容己有介绍，不再赘述。V7L冲0.1 VV6J|l|0.2 VV5Tl0.1 VV40.3 VV3l|l10.

7、1 VV20.1 VV1H|lH0.6 VV00.1 VDCD HEX温度采集通道显示V810 Hz5 V1湿度检洌系绽哺输人电路封装。VC5VU19U20实时温度显示DCD HEXDCD HEX高温报警指示灯A1ADL：恨酋设定电路封装BusiDCD_HEX DCD_HEXU21DCD_HEX DCD_HEXU24X42.5 VV9/TBSn20 VX3 2 .5 VX2信号放大电路封乡）V5 V,5 msec 1msecHTSET-o o-Key= ASET1 o fE Key= BLTSETo o-低温报警指示灯Key= CSET2 -oKey= D局温温度显示低温温度显不高、低温报警设

8、定电路（三）仿真分析打开仿真开关，用开关设定报警所需温度，高温设为32C，低温设为15C，仿真结果 显示，此时温度检测通道为6,测定温度为6C，低于低温报警温度，所以低温报警指示灯 亮，该电路达到设计指标的要求。四、注意事项1. 由于仿真软件中不包含温度传感器元件，所以在电路的设计时传感器的数据由小信 号的电压源代替，在实际电路的设计中要注意这里的区别。2. 实际应用中，温度传感器种类繁多，功能强大，有的甚至已将报警温度设定集成在 传感器元件中，这样的设计大大减少了电路使用中的故障现象，代表了现代电路设计的发展 方向。3. 随着CPLD及单片机技术的发展，以及CPLD芯片价格的下降，很多复杂的

9、温度控制, 可以靠编程并灌入芯片的方式实现的，这样做的好处是电路大大简化，性能更加稳定，调试 更加方便，功能更加完善，所以，本项目从应用层面来讲，仅可做为学习数字电路的一种练 习。五、项目考核项目：蔬菜大棚温度报警电路的设计与调试班级姓名组号扣分记录得分项目配分考核要求评分细则多路输入电路10分能正确仿真调试8路输入电路1. 不能正确调试出结果扣10分2. 电路出现错误，每处扣5分信号放大电路10分能正确仿真调试信号放大电路1. 不能正确调试出结果扣10分2. 电路出现错误，每处扣5分A/D转换电路15分能正确仿真调试A/D转换电路1. 连接方法不正确，每处 扣5分2. 出现问题，不能调试，每

10、次扣5分报警设定电路15分能正确仿真调试报警设定电路1. 不能仿真调试高温报警电路出结果，扣10分2. 不能仿真调试低温报警 电路出结果，扣10分3. 出现问题，不能调试， 每次扣5分蔬菜大棚 温度报警 电路的整 体仿真电路40分能正确仿真调试蔬 菜大棚温度报警电 路的整体电路1. 不能按照方案一正确调 试出结果扣10分2. 不能按照方案二正确调 试出结果扣10分3. 不会使用电路的封装， 扣10分4. 不会使用总线式结构组 成电路，扣10分5. 电路接线错误，每处扣 5分安全文明操作10分(1) 安全用电，无人 为损坏仪器、元件 和设备；(2) 保持环境整洁， 秩序井然，操作习 惯良好；(3

11、) 小组成员协作 和谐，态度正确；(4) 不迟到、早退、 旷课1-违反操作规程.每次扣5分2.工作场地不整洁.扣5分总分下面以8位ADC进行仿真测试，来讨论模/数转换器模拟输入与数字输出之间的关系。（二）实训操作1. 元件选取仿真电路所用元件及选取途径如下：电源 VCC： Place Source-POWER_SOURCES一VCC接地：Place Source-POWER_SOURCES-GROUND,选取电路中的接地。信号源 VI 的选取：Place Source-SIGNAL_VOLTAGE_SO一CLOCK_VOLTAGE滑动变阻器 R1 的选取：Place Basic-POTENT

12、IOMETER 1KQ8位ADC的选取:Place Mixed-ADC_DAC-ADC,如图6-27所示。ADC的种类很多,为了 方便介绍，我们选取简单的一种8位ADC。指示灯：Place IndicatorPROBEPROBE_RED图6-278位ADC的选取2. 电路组成将各个元件及8位ADC在仿真工作窗口摆放好并连接，构成8位ADC的模/数转换仿真电路，如图6-28所示。图中，从Multisim 10中调出的8位ADC 标注的含义为：V*+和V”的电压差是A/D转换器的满度电压，V&是通过电位器&来调节的模拟电压；SOC是时钟脉冲，0E是转换使能。连接好电路后，将0E由低电平置高，发出转

13、换命令，就 可以通过指示灯的亮灭看到转换的数码。vcc图6-28 8位ADC的模/数转换仿真电路3 .仿真分析打开仿真开关，仿真电路中的开关S1接高电平，调整滑动变阻器R1的阻值，改变的是输入8位ADC的模拟电压值，则输出端以指示灯的亮灭表示转换出的数码，灯亮表示为1, 灯灭表示为0。需要注意的是，二进制数码的排列顺序从D7-D0排列。举例说明：图示状态为正在模/数转换。当前输入模拟电压为4V,转换输出的数码结果如图3-90中的指示灯指示所示。由于其中，樵代表满度电压5V, Vm代表输入的模拟电压（也就是需要转换的模拟量），G代表该A/D转换器能够转换的最大数码，*代表输入电压对应的转换后的数

14、码。5 2554 C-m以=204Cin = 204 ,转换成二进制为11001100,与图6-28中的指示灯指示结果一致。4 .调整数据并再次测试调整滑动变阻器R1的阻值，改变输入电压数值，再次仿真测试，并比较判断结果。四、注意事项1. 用输出数字量与模拟量之间的关系式运算也可以得到结果V x 24x28(D )2 = =0.8 x 256 = 204.8 a (204) 10VreF 5和上面的运算结果是一致的。2. A/D转换器输出数字量的大小不仅与输入的模拟量有关，而且还与参考电压有关。满量程参考电压越小，A/D转换电路的分辨率就越高，但电路的工作范围就越窄。五、实训考核任务二仿真测试

15、A/D转换器的逻辑功能班级姓名组号扣分记录得分项目配分考核要求评分细则正确连接电路20分能使用仿真软件，并能正确连接电路1. 不会使用仿真软件扣10分2. 未能正确连接电路扣5分仿真测试A/D转换 器的逻辑功能60分能正确进行仿真，并准确得出结果1. 连接方法不正确，每处 扣5分2. 不能正确进行仿真，扣5分3. 结果不准确，每次扣5分4. 不会重新调整测量参 数，扣10分5. 重新测试后，不会比较测试数据。扣10分实训总结10分能正确总结A/D转换器的功能1. 不熟悉A/D转换器管脚 功能，每处扣5分2. 未掌握A/D转换器的连 接方法，扣5分安全文明操作10分安全用电，无人为损坏仪器、元件

16、1.违反操作规程.每次扣5分和设备； 保持环境整洁，秩序井然，操作习惯良好； 小组成员协作和谐，态度正确； 不迟到、早退、旷课工作场地不整洁.扣5分总分项目制作 蔬菜大棚温度报警电路的设计与调试一、项目制作目的了解并掌握蔬菜大棚温度报警电路的设计与调试方法1. 掌握使用仿真软件Multisim 10进行复杂应用电路仿真调试的方法二、项目要求1. 设计电路应能完全满足项目题目的要求。2. 绘出蔬菜大棚温度报警电路的逻辑图完成蔬菜大棚温度报警电路的仿真调试三、项目步骤(-)电路设计分析在图6-1所示的8通道蔬菜大棚温度报警系统中，蔬菜大棚不同位置传感器检测到的温 度信号，由多路模拟开关选择其中的一

17、路送人信号放大电路，信号经放大电路放大后输出到 A/D转换器转变为数字量，该数字量可通过数码管显示出被测通道的温度值。控制电路按 一定的频率轮流选通多路开关，可实现多路温度信号的循环检测。编码电路对控制信号进行 编码，编码输出经数码管可显示当前的检测通道。数值比较电路将报警设定值和当前的温度 值进行比较，产生温度超限报警，根据工作需要，设定了高温报警以及低温报警两种温度监 测模式。1. 8路输入电路 8路输入电路由计数器和模拟多路开关构成，如图6-29所示。由74LS161N和74LS10N构成八进制计数器，计数器的输出QcQbQao接模拟开关ADG408TQ的地址码输入端ME 当AzAiAo

18、分别为000111时，模拟多路开关依次选通CH0-CH7八路输入信号中的一路。多路 输入电路的封装模块X】，其输入引脚CH0-CH7接温度传感器输出信号，CLOCK外接时钟脉 冲，由时钟脉冲的频率控制八个通道温度检测转换的快慢，其输出OUT接信号放大电路的输 入端VIN, Q（QbQa同时接通道显示数码管，用来显示哪个通道被选中进行温度检测。图6-29 8路输入电路及电路封装温度检测系统8路输入电路封装2 .信号放大电路图6-30信号放大电路及电路封装信号放大电路用来对输入的模拟信号进行放大，如图6-30所示。信号放大电路选用集 成运放0P07,集成运放0P07为低温漂高精度放大器。整个放大电

19、路分两级，第一级由电阻 Rs和R6等构成比例放大电路，放大倍数5；第二级由电阻R2和R3等构成比例放大电路，放 大倍数5；这样信号经两级放大电路放大以后，信号明显的加强。信号放大电路的封装模块 X3,其输入引脚VIN接多路输入电路的输出引脚OUT,输出引脚VOUT接A/D转换电路的输 入Vin,放大电路的输出范围在A/D转换要求的范围内。图中接的示波器是用来进行放大 电路调试所用，电路调试好后即可去除。X3信号放大电路封装信号放大电路封装VIN VOUT2. A/D转换电路Multisim 10仿真软件中,A/D转换器件用的是虚拟器件，其引脚排列如图6-31所示。 Vin为模拟电压输入端子，将

20、输入的模拟信号转换为8位的数字量输出端为D7Do； Vref+ 为参考电压“ + ”输入端子（直流参考电源的电压），Vref-为参考电压“一”端（通常接地）。Vref+的大小按量化精度而定。SOC是启动转换信号，它由低电平变为高电平时，转换开始, 转换时间为lus,转换期间EOC为低电平。EOC是转换结束标志位，高电平表示转换结束; 0E为输出允许端子，可与EOC接在一起。ADC转换电路的关键是输入信号的负极性要同参考 电压Vref-连在一起。A1VinDODID2D3D4D5 Vref+D6 Vref-D7SOCOEEOCADC图6-31 A/D转换电路3. 报警设定电路报警设定电路由计数器

21、和数值比较器构成，能实现被测温度的超限报警，如图6-32所 示。以高温报警电路设计为例，使用两片74LS160N组成2位计数器，设定报警值时，通过 开关S产生脉冲信号，计数器对脉冲信号计数产生需要设定的温度报警值。两片74LS85N 级联组成8位二进制数值比较器，数值比较器将A / D转换器传来的温度数字量和设定的报 警值进行比较，当实测温度值超过设定值时，产生报警输出。同理，低温报警电路的设计与 此类似，只是在温度比较环节进行了调整，将A/D转换器传来的温度数字量和设定的报警 值进行比较，当实测温度值低于设定值时，产生报警输出，进行低温报警。报警设定电路的封装模块如图所示，其输入引脚B7-B

22、0接A/D转换器传来的温度数字 量，I1TSET1-HTSET3为高温报警温度设定开关，LTSET1-LTSET3为低温报警温度设定开关; A0A7接高温报警设定温度显示数码管，A00-A07接低温报警设定温度显示数码管；H0接 高温报警指示灯，L0接低温报警指示灯。U5U高温报警设定电路低温报警设定电路图6-32报警设定电路X2n nT CMUAGOJ-jVHOAlBOA01BlA2B2A02B3A3B4AO 3B5MB6AO 4B7A5HTSET3AO 5LTSET3A6A06A7AO 7HTSET2HTSET11LTSET2LTSET1报警设定电路封装图6-33报警设定电路的封装（二）电路组成1.方案一：蔬菜大棚温度报警电路的整体仿真电路如图6-34所示。该图全部采用元件单独接线的方式进行导线的连接，可以看到，导线数量繁多，查线困难。高温报警设定电路低温报警设定电路