畢業(yè)設(shè)計(jì)---multisim2001電子電路設(shè)計(jì)dac轉(zhuǎn)換

1、<p>　　Multisim2001電子電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　－DAC電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　在眾多的EDA設(shè)計(jì)和仿真軟件中，Multisim2001以其強(qiáng)大的仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用功能，在各高校電信類專業(yè)電子電路的仿真和設(shè)計(jì)中得到了較廣泛的應(yīng)用。Mu

2、ltisim2001及其相關(guān)庫(kù)包的應(yīng)用對(duì)提高學(xué)生的仿真設(shè)計(jì)能力，更新設(shè)計(jì)理念有較大的好處。</p><p>　　Multisim2001的前身EWB（電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）軟件，最突出的特點(diǎn)是用戶界面友好，各類器件和集成芯片豐富，尤其是其直觀的虛擬儀表是Multisim2001的一大特色。Multisim所包含的虛擬儀表有：示波器，萬(wàn)用表，函數(shù)發(fā)生器，波特圖圖示儀，失真度分析儀，頻譜分析儀，邏輯分析儀，網(wǎng)絡(luò)分析儀等。而通

3、常一個(gè)普通實(shí)驗(yàn)室是無(wú)法完全提供這些設(shè)備的。這些儀器的使用使仿真分析的操作更符合平時(shí)實(shí)驗(yàn)的習(xí)慣。</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用軟件Multisim2001來(lái)仿真和設(shè)計(jì)DAC電路。</p><p><b>　　DAC電路簡(jiǎn)介</b></p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換器大致可以粗分為兩大主流：一是多位元，另一個(gè)則是單位元。以發(fā)展時(shí)間的長(zhǎng)短

4、來(lái)說(shuō)，多位元是在CD唱盤問世時(shí)就出現(xiàn)的，而第一代的1bit產(chǎn)品則是約在1990代初期才在市場(chǎng)上出現(xiàn)，但是多bit和1bit以結(jié)構(gòu)上分析到底孰優(yōu)孰劣？就多bit而言，它的優(yōu)點(diǎn)是沒有所謂的再量化的過程，因此噪音較低；除此之外，亦有較佳的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)。但傳統(tǒng)的多bit在Low Level的情況有非線性失真人及過零失真（Zero Cross）的問題，若想克服需要使用非常復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，這就造成了多bitDAC晶片在追求高品質(zhì)的目標(biāo)下，同時(shí)也要負(fù)擔(dān)高

5、昂的代價(jià)。相對(duì)地以1 bitDAC它的優(yōu)點(diǎn)是先天上就不存在過零失真的問題，類比波形的線性良好，再則生產(chǎn)成本較低，這就是市場(chǎng)上中低價(jià)位的CD player大量使用1 bitDAC的原因。然而1 bit DAC需要更高的頻率的Clock，以及它在“再量化”的過程中會(huì)造成若干訊息失落，這也是它擠身Hi-End　的障礙。其實(shí)多bit DAC和1 bit DAC電路結(jié)構(gòu)上最大的差異，只是在于是不是有“再量化”的這一個(gè)過程，兩者之間的優(yōu)劣比較也集中

6、在這個(gè)問題上。</p><p>　　1.1 D/A的電路形式及工作原理</p><p>　　（1）權(quán)電阻DAC 權(quán)電阻DAC由基準(zhǔn)電壓、電子模擬開關(guān)、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)及求和放大器組成。權(quán)電阻DAC電路簡(jiǎn)單、直觀，便于理解DAC的原理，但電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻種類太多且范圍寬，這給保證轉(zhuǎn)換的精度帶來(lái)困難，同時(shí)集成也十分困難。因此目前單片集成DAC中，采用較為廣泛的是R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電路。&

7、lt;/p><p>　?。?）倒T型網(wǎng)絡(luò)DAC 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)是電阻種類少，只有R和2R兩種。因此，它可以提高制作精度，而且在動(dòng)態(tài)過程中對(duì)輸出不易產(chǎn)生尖峰脈沖干擾，有效地減小了動(dòng)態(tài)誤差，提高了轉(zhuǎn)換速度。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器是目前轉(zhuǎn)換速度較高且使用較多的一種。</p><p>　　由于模擬開關(guān)的存在，當(dāng)流過各支路的電流稍有變化，或由于模擬開關(guān)電壓降的差別，就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差。為進(jìn)一步提

8、高D/A轉(zhuǎn)換精度，可采用權(quán)電流型DAC。采用恒流源電路后，各支路權(quán)電流的大小均不受模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這就降低了對(duì)模擬開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。

9、 </p><p>　　1.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　轉(zhuǎn)換特性：輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)字信息B，輸出的是與輸入數(shù)字量成正比例的電壓或電流。</p><p>　　轉(zhuǎn)換時(shí)間：指數(shù)字量輸入到轉(zhuǎn)換輸出穩(wěn)定為止所需的時(shí)間。</p

10、><p>　　線性度：當(dāng)數(shù)字量變化時(shí)，D/A輸出的電模擬量按比例關(guān)系變化的程度。模擬量輸出偏離理想輸出的最大值稱為線性誤差。</p><p>　　分辨率：電路所能分辨的最小輸出電壓增量ULSB與滿刻度輸出電壓Um 之比。實(shí)際中有時(shí)也常常用位數(shù)來(lái)表示分辨率。</p><p>　　精度： 實(shí)際輸出值與理論計(jì)算值之差。這種差值是由轉(zhuǎn)換過程中的各種誤差引起的，主要指靜態(tài)誤差，它

11、包括以下幾種（1）非線性誤差（2）比例系數(shù)誤差（3）漂移誤差（4）轉(zhuǎn)換時(shí)間</p><p>　　此外，還有輸入低電平、電源電壓范圍、基準(zhǔn)電壓范圍、溫度系數(shù)等參數(shù)。</p><p>　　1.3 集成D/A轉(zhuǎn)換器典型芯片---DAC0832</p><p>　　常用的集成D/A轉(zhuǎn)換器有8位、10位、12位等，每種又可分為不同的型號(hào)。下面以DAC0832為例介紹集成D/A

12、轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部特性。</p><p>　?。?）主要性能       輸入的數(shù)字量為8位；  采用CMOS工藝，所有引腳的邏輯電平與TTL兼容；   數(shù)字了輸入可以采用雙緩沖，單緩沖或直通方式； 轉(zhuǎn)換時(shí)間：1us ；精度：±1LSB；分辨率：8位；單一電源，5V～15V，功耗20m

13、W；參考電壓：+10V～-10V。</p><p>　?。?）DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能    DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和外部引腳參見圖1。 </p><p>　?、?#160;內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8位輸入寄存器：可作為輸入數(shù)據(jù)第一級(jí)緩沖；8位DAC寄存器：可作為輸入數(shù)據(jù)第二級(jí)緩沖；8位D/A轉(zhuǎn)換器：將DAC寄存器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成具有一定比例的直流電流；邏輯控制部

14、分：0832芯片內(nèi)部有兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器，分別由兩組控制信號(hào)控制，當(dāng)ILE=1∩ =0∩ =0時(shí)，D7～D0上的數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器中。當(dāng) =0∩ =0時(shí)，輸入寄存器中的數(shù)據(jù)被鎖存到DAC寄存器中。</p><p>　?、?#160;   引腳功能 7～D0：8位數(shù)據(jù)量輸入；ILE：數(shù)據(jù)輸入鎖存允許，高電平有效； ：片選； ：輸入寄存器寫信號(hào)，當(dāng)ILE、 、 同時(shí)有效，數(shù)據(jù)裝入輸入寄存器，實(shí)現(xiàn)

15、輸入數(shù)據(jù)的第一級(jí)緩沖；：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)，控制從輸入寄存器到DAC寄存器的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送； </p><p>　?。篋AC寄存器寫信號(hào)，當(dāng) 和 均有效時(shí)，將輸入寄存器中的數(shù)據(jù)裝入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的第二級(jí)緩沖； VREF：參考電壓源，電壓范圍為-10V～+10V。 Rfb：內(nèi)部反饋電阻接線端； IOUT1：DAC電流輸出1。其值隨輸入數(shù)字量線性變化； IOUT2：DAC電流輸出2。 當(dāng)DAC

16、寄存器內(nèi)容全為1時(shí)，IOUT1最大，IOUT2=0； </p><p>　　當(dāng)DAC寄存器內(nèi)容全為0時(shí)，IOUT1=0，IOUT2=最大；當(dāng)DAC寄存器內(nèi)容為N時(shí)，IOUT1=VREF×N/（256×Rfb），IOUT2= VREF/Rfb- IOUT1， 無(wú)論N值多大：IOUT1+IOUT2= VREF/Rfb（1-28）=常數(shù)≌VREF/Rfb。 Vcc：工作電源，其值范圍為+5V～15

17、V，典型值為+15V； AGND：模擬信號(hào)地線； DGND：數(shù)字信號(hào)地線。③工作方式 DAC0832有雙緩沖、單緩沖和直通三種方式：雙緩沖工作方式：進(jìn)行兩級(jí)緩沖； 單緩沖工作方式：只進(jìn)行一級(jí)緩沖； 直通工作方式：不進(jìn)行緩沖。適用于比較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。 ④接口電路 DAC0832為電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換芯片，使用時(shí)，Rfb、IOUT1、IOUT2 3個(gè)引腳外接運(yùn)算放大器，以便將轉(zhuǎn)換后的電流變換成電壓輸出。若外接一個(gè)運(yùn)算放大器為單極性輸出，

18、如圖2VOUT1 輸出；若使用了兩個(gè)運(yùn)算放大器為雙極性輸出，如圖2VOUT2輸出。 </p><p>　　圖2中，VOUT1＝-IOUT1×Rfb＝-VREF×N/(256×Rfb)×Rfb ＝-N/256×VREF,VOUT1模擬輸出電壓的極性總是與VREF極性相反,為單極性輸出。VOUT2模擬輸出電壓可利用基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流定律列出方程: VOUT2/15+

19、VREF/15+VOUT1/7.5＝0，代入VOUT1＝-N/256×VREF,求解得: VOUT2＝(N-128)/128×VREF.當(dāng)FFH≥N＞80H時(shí), VOUT2模擬輸出電壓的極性和VREF相同;當(dāng)80H＞N≥0時(shí),VOUT2模擬輸出電壓的極性和VREF相反;當(dāng)N＝80H時(shí),VOUT2＝0V. VOUT2為雙極性輸出.可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需要,將D/A轉(zhuǎn)換接口芯片接成單極性輸出或雙極性輸出。當(dāng)要監(jiān)視的物理量

20、有方向性時(shí),例如角度的正向與反向,速度的增大與減小等,與此相適應(yīng),要求D/A轉(zhuǎn)換的輸出必須是雙極性的。</p><p>　　Multisim2001的應(yīng)用簡(jiǎn)介</p><p>　　Multisim2001作為大學(xué)課程中常見的電子設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件，是每個(gè)電子類的學(xué)生必然接觸到的。</p><p>　　Multisim2001（前身EWB）最突出的特點(diǎn)是用戶界面友好，尤其是

21、其直觀的虛擬儀表是Multisim2001的一大特色。Multisim所包含的虛擬儀表有：示波器，萬(wàn)用表，函數(shù)發(fā)生器，波特圖圖示儀，失真度分析儀，頻譜分析儀，邏輯分析儀，網(wǎng)絡(luò)分析儀等。而通常一個(gè)普通實(shí)驗(yàn)室是無(wú)法完全提供這些設(shè)備的。這些儀器的使用使仿真分析的操作更符合平時(shí)實(shí)驗(yàn)的習(xí)慣。</p><p>　　2.1 Multisim2001軟件的介紹</p><p>　　Multisim200

22、1是IIT公司于2001年推出的最新版EDA軟件，該軟件以前的版本就是著名的EWB軟件。Multisim2001分為多個(gè)版本，有Student（學(xué)生版）、Personal（個(gè)人版）、Education（教育版）、Professional（專業(yè)版）和Power Professional（增強(qiáng)專業(yè)版），本書介紹的Multisim2001是其功能最強(qiáng)大的增強(qiáng)專業(yè)版。 Multisim2001是一個(gè)功能強(qiáng)大的EDA系統(tǒng)，提供了一個(gè)非常大

23、的元件數(shù)據(jù)庫(kù)，并且可以在線更新，同時(shí)擁有VHDL和Verilog設(shè)計(jì)接口與仿真功能、FPGA和CPLD綜合、RF設(shè)計(jì)能力和后處理功能，還可以導(dǎo)出制作PCB版的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與PCB制作軟件的無(wú)縫數(shù)據(jù)傳輸。2.2 Multisim2001軟件的功能特點(diǎn)（1） 集成環(huán)境，簡(jiǎn)潔易用 在Multisim2001中，只有一個(gè)程序界面，但在該界面中，集成了從電路創(chuàng)建、修改到仿真及數(shù)據(jù)后處理的EDA設(shè)計(jì)的主要流程，不僅有利于對(duì)該軟件的學(xué)

24、習(xí)，也大大方便了設(shè)計(jì)人員的操作，極大地提高了工作效率。（2） 虛擬實(shí)驗(yàn)儀器豐富 作為一個(gè)</p><p>　　除了上述的特點(diǎn)外，Multisim2001還支持 VHDL 和 Verilog 語(yǔ)言的電路仿真與設(shè)計(jì)。 </p><p>　　圖3 Multisim2001主窗口</p><p>　　3 基于Multisim2001的DAC電路的設(shè)計(jì)仿真<

25、;/p><p>　　3.1 設(shè)計(jì)仿真的基本原理</p><p>　　DAC(又稱D/A)是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的電路。描述它的主要技術(shù)指標(biāo)有：分辨率、輸出建立時(shí)間、轉(zhuǎn)換誤差、非線性誤差、溫度系數(shù)、電源抑制比。集成的D/A轉(zhuǎn)換電路很多，其中DAC0832是一種常用的8位CMOS型的D/A轉(zhuǎn)換電路。</p><p>　　DAC電路輸入的數(shù)字信號(hào)是一種二進(jìn)制編碼，通過轉(zhuǎn)

26、換，按每位權(quán)的大小換算成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的和就是與輸入的數(shù)字量成正比的模擬量。</p><p>　　3.2 仿真設(shè)計(jì)電路</p><p>　?。?）該電路采用總線方式進(jìn)行連接。</p><p>　?。?）74LS161D是4位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，2片74LS161D通過圖（略）的級(jí)聯(lián)后構(gòu)成8位二進(jìn)制（模為256）加法計(jì)數(shù)器，V1為該計(jì)數(shù)

27、器的時(shí)鐘信號(hào)源。U3、U4屬于本身帶譯碼的數(shù)碼顯示器。</p><p>　　（3）VDAC將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成與其大小成比例的模擬信號(hào)，“+”端接參考電壓VDD,“-”端接地，則輸出電壓VO為</p><p>　　VO=(VDD*D)/256。</p><p>　　其中，D表示輸出二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。</p><p>　?。?）具體其他涉及到

28、軟件布線的過程描述（略） </p><p><b>　　圖4 </b></p><p>　　3.3 設(shè)計(jì)仿真步驟</p><p>　?。?）連接電路。（如圖4）</p><p>　?。?）觀察數(shù)碼管U3、U4顯示的VDAC輸出數(shù)字信號(hào)（模為256的計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)）與VDAC輸出模擬信號(hào)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)輸出模擬信號(hào)的幅度

29、與數(shù)碼管U3、U4顯示的數(shù)碼大小成正比。驗(yàn)證VDAC輸出電壓公式VO=(VDD*D)/256(其中D表示輸入二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，VDD為參考電壓)是否與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。</p><p>　　（3）分別調(diào)整參考電壓。VDD為6伏、10伏和12伏，利用示波器觀察VDAC輸出模擬信號(hào)的變化規(guī)律。</p><p>　?。?）調(diào)整8位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)源V1的頻率，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示速度發(fā)

30、生變化，單VDAC輸出模擬信號(hào)形狀不變。調(diào)整8位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)源V1的幅度，觀察數(shù)碼管顯示速度和VDAC輸出模擬信號(hào)的變化情況。仿真結(jié)果如圖5、圖6、圖7。</p><p>　　圖5 </p><p><b>　　圖6 </b></p><p><b>　　圖7&l

31、t;/b></p><p>　　3.4 仿真設(shè)計(jì)結(jié)果分析</p><p>　　通過分析具體驗(yàn)證了DAC芯片的工作過程，具體各項(xiàng)參數(shù)也達(dá)到了電路應(yīng)用設(shè)計(jì)的預(yù)期要求。</p><p>　　DAC硬件應(yīng)用實(shí)驗(yàn)調(diào)試</p><p>　　4.1實(shí)驗(yàn)電路及連線</p><p><b>　　圖8 實(shí)驗(yàn)電路</b

32、></p><p>　　實(shí)驗(yàn)過程中：DAC0832的片選CS0832孔接譯碼處228H孔。</p><p>　　4.2實(shí)驗(yàn)說(shuō)明及實(shí)驗(yàn)程序框圖</p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換是把數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量的過程，本實(shí)驗(yàn)輸出為模擬電壓信號(hào)，本次實(shí)驗(yàn)生成的波形較為簡(jiǎn)單，有興趣者可試編程序生成各種波形，如方波，正弦波等，也可與鍵盤顯示模塊結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的波形發(fā)生器，通

33、過鍵盤輸入各種參數(shù)，如頻率，振（小于＋5V），方波的占空比等。</p><p><b>　　4.3示例程序略。</b></p><p>　　通過分析具體驗(yàn)證了DAC芯片的過做過程，具體各項(xiàng)參數(shù)也達(dá)到了電路應(yīng)用設(shè)計(jì)的預(yù)期要求。實(shí)驗(yàn)程序與硬件電路連接調(diào)試的結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)和理論的要求。</p><p><b>　　5 感謝</b>

34、;</p><p>　　感謝xx電子信息學(xué)院為我提供了這次實(shí)踐機(jī)會(huì)；感謝xx老師為我提供仿真實(shí)驗(yàn)條件和指導(dǎo)；同時(shí)感謝xx老師的意見和指導(dǎo)；再次感謝xx老師對(duì)仿真項(xiàng)目和論文的意見；感謝所有實(shí)驗(yàn)室老師給予的幫助，是你們使我成長(zhǎng)，從幼稚到逐漸成熟。感謝寢室同學(xué)提供ADC相關(guān)的資料，雖然論文沒有使用，但我也學(xué)了不少；感謝電信系老師的幫助和關(guān)心。</p><p><b>　　6 后記&l

35、t;/b></p><p>　　1）由于畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間倉(cāng)促以及個(gè)方面條件的限制，具體硬件電路的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試沒有能夠正常的進(jìn)行，覺得十分可惜。希望再有機(jī)會(huì)能過完成調(diào)試。</p><p>　　2）通過這次實(shí)踐，我接觸到了許多軟件，包括Protel99SE/DXP，Multisim2001，EWB5.0，Matlab6.5等，學(xué)會(huì)了一些軟件的使用和設(shè)計(jì)。在學(xué)習(xí)和實(shí)踐的過程中我也結(jié)識(shí)了不少朋友,

36、 有老師也有和我一樣的學(xué)生，還有一些電子工程師。這對(duì)于我以后的工作和學(xué)習(xí)是很有幫助的，也為以后的工作積累了經(jīng)驗(yàn)。</p><p><b>　　6 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教程.朱力恒 .主編人民郵電出版社.1987</p><p>　　Multisim2001電路設(shè)計(jì)及仿真.電子工業(yè)出版社.朱單.2002<