数电实验报告

1、北京交通大学电子信息工程学院国家电工电子实验教学中心数字电子技术基础实 验 报 告实验题目： 中频自动增益控制数字电路的研究 学 院：电子信息工程学院班 级：学生姓名： 学 号：任课教师：骆丽同组成员： 2015年11月 17日目录1 设计任务要求12 设计方案及论证12.1 任务分析12.2 方案比较32.3 系统结构设计42.4 具体电路设计73 制作及调试过程153.1.1 制作及调试过程153.1.2 遇到的问题和解决方法163.2.1 仿真过程173.2.2 制作及调试过程183.2.3 实验结果193.2.4 遇到的问题和解决方法204 实验研究与思考225总结235.1 本人所做

2、工作235.2 收获体会235.3 对本课程的建议 236 参考文献23241 设计任务要求【实验目的】1. 掌握中频自动增益数字电路设计可以提高学生系统地构思问题和解决问题的能力。2. 通过自动增益数字电路实验可以系统地归纳用加法器、A/D和D/A转换电路设计加法、减法、乘法、除法和数字控制模块电路技术 。3. 培养学生通过现象分析电路结构特点，进而改善电路的能力。【基础实验】（1） 用加法器实现2位乘法电路（2） 用4位加法器实现可控累加（加/减，-9到9，步长为3）电路。最大数字和为两位10进制数18。(要求二进制转化为十进制电路设计不能用模块74185)【发挥部分】（1）设计一个电路，

3、输入信号50mV到5V峰峰值，1KHZ10KHZ的正弦波信号，输出信号为3到4V的同频率，不失真的正弦波信号。精度为8位，负载500。（2）发挥部分中，若输出成为直流，电路如何更改。2 设计方案及论证2.1 任务分析【基础部分】用加法器实现2位乘法电路2位乘法电路是典型的组合电路。设两位二进制分别为A1，A0和B1，B0，输出为S3，S2，S1，S0。根据乘法展开式，如图2-1，要实现2位乘法电路，可以使用与门将两个信号相与来实现乘运算，再通过加法器实现加和运算。最后通过输入高低电平，在数码管上观察乘积结果进行验证。图2-1 2位乘法展开式【发挥部分】（1）设计一个电路，输入信号50mV到5V

4、峰峰值，1KHZ10KHZ的正弦波信号，输出信号为3到4V的同频率，不失真的正弦波信号。精度为8位，负载500。（2）发挥部分中，若输出成为直流，电路如何更改。中频自动增益数字电路：自动增益数字控制电路是一种在输入信号变化很大的情况下，输出信号保持恒定或在较小的范围内波动的电路。在通信设备中，特别是在通信接收设备中起着重要的作用。它能够保证接收机在接收弱信号时增益高，在接收强信号时增益低，使输出保持适当的低电平，不至于因为输入信号太小而无法正常工作，也不至于因为输入信号过大而使接收机发生堵塞或饱和。输入信号可由信号发生器输入模拟信号，通过转换后，输出信号可以用示波器显示出来，并测量参数。ADC

5、0809采集放大直流信号后，可以进行数字编码。输入直流信号越大，输出数字量越大。ADC0809输出数字量接在DAC0832的低8位数据输入端。集成DAC0832与运算放大器接成反相比例放大器。输入电压信号ui接至RFB，内部的反馈电阻R成为放大器的输入电阻。输出电压信号uO接至UREF，数字量控制的倒T电阻网络为反相比例放大器的反馈电阻。倒T电阻网络的等效电阻值受输入数字量的控制，即输入电阻不变，电阻网路的等效电阻变化，其反相比例放大器的增益也随之变化。设计理念是自动增益，也就是说大信号小增益、小信号大增益。 作为参考电压，整个 网络作为反馈网络。增益： 也即模拟输入大时，通过ADC0809转

6、换成的数字量就大，增益就小；模拟输入小时，通过ADC0809转换成的数字量就小，增益就大，及实现了自动增益。2.2 方案比较【基础部分】基础实验比较简单，在老师的提示下，采用的方案是利用与门和74283加法器。根据二进制数的乘法公式，设两位二进制分别为A1、A0和B1、B0，输出从高位到低位依次为S3、S2、S1、S0，其中S0=A0*B0，S1=A0*B1+A1*B0，S2=A1*B1+S1可能产生的进位，S3=S2可能产生的进位。其中两数相与可以用74LS08（两输入四与门）实现，而加法可以用74LS283（四位二进制超前进位全加器）实现。优点：只需要两个芯片，便于连接，节省成本，电路简单

7、，易于理解S3不需要再次连接电路，只需要进行空置，等待S2的进位，减少了问题产生的可能因素。无需使用CO和CI。 【发挥部分】（1） 方案一输出的频率1kHz10kHz正弦模拟信号转换成数字信号：比较器与计数器（74LS161）一起对输入锁存器的信号进行控制，其中，运用八个与门构成峰值异步清零模块，对ADC传输的信号进行周期性清零。当满足次态大于现态或完成一个周期时，一级锁存LE引脚输入高电平，允许数据通过，而此时二级锁存LE引脚输入低电平，处于保持状态。最后进行DAC转换，结合运放lm324构成除法电路和放大电路，实现将IOUT1端口输出以电流为模值（其值随DAC寄存器的内容线性变

8、化，也即是随着数据输入而变化 ）的正弦量转换为电压为模值的正弦量，并作为参考电压送回DAC输入端8号引脚，在反馈电阻RFB输出端加上交流输入信号，接地并接到运算放大器的同相输入端，接到运算放大器的反相输入端，则把R-2R网络型D/A转换器构成了运算放大器的反馈元件，用R-2R型电阻网络和运算放大器实现了模拟信号被数字D相除的除法器。经过运放输出，并在DAC和第一级运放间和电压跟随器的反馈端加了适当的反馈电阻对电压放大倍数进行调节并且对带负载能力进行提高。（2） 方案二利用检波电路，从调幅波中取出低频信号。为了取出低频有用信号，还必须使用滤波器滤除高频分量，所以检波电路通常包含非线性元器件和滤波

9、器两部分，再进行DAC转换，结合运放lm324构成除法电路，实现将IOUT1端口输出以电流为模值（其值随DAC寄存器的内容线性变化，也即是随着数据输入而变化 ）的正弦量转换为电压为模值的正弦量，并作为参考电压送回DAC输入端8号引脚，在反馈电阻RFB输出端加上交流输入信号，接地并接到运算放大器的同相输入端，接到运算放大器的反相输入端，则把R-2R网络型D/A转换器构成了运算放大器的反馈元件，用R-2R型电阻网络和运算放大器实现了模拟信号被数字D相除的除法器。经过运放输出，并在DAC和第一级运放间和电压跟随器的反馈端加了适当的反馈电阻对电压放大倍数进行调节并且对带负载能力进行提高。（3） 比较检

10、波电路作为模拟电路更复杂，可靠性不高。数字电路稳定性高，也更加符合要求。本实验设计方案采用方案一。（4） 方案一具体原理：该自动增益数字控制电路应分为五部分：第一部分是模数转换电路，它将输入的模拟信号按式2-1的方式转换成数字信号；第二部分为数值比较电路，该部分用于比较模数转换所产生的数字大小，当新输入的数值大于之前输入的数值时，将新数值存入锁存电路，即实现记录信号峰值的功能；第三部分为锁存电路，用于存放数字信号的峰值，由于信号峰值有可能从大变小，而此时再进行数值比较，新输入的信号始终会小于此时锁存器中的信号峰值，因此，考虑利用两片锁存芯片级联，第一片每隔一定时间自动清零，而第二片中始终存储来

11、自第一片锁存器所记录的信号的峰值；第四及第五部分为数模转换电路及放大电路，u0=K*ui/D,D为锁存器中所存储的输入信号的峰值,可得到电压增益的表达式如下:2.3 系统结构设计【基础部分】任意两个二进制数的乘运算通过与门实现，三个结果的求和通过将运算结果输入到加法器的不同位实现。所以共需要四个与门和一个四位加法器。本实验采用四位快速进位加法器74LS283和与门74LS08。图2-2 2位乘法展开式图2-3 74LS283芯片引脚图 图2-4 74L08芯片引脚图输入输出A1 ，A0 ，B1， B000000A1 ，A0 ，B1， B000010A1 ，A0 ，B1， B000100A1 ，

12、A0 ，B1， B000110A1 ，A0 ，B1， B001000A1 ，A0 ，B1， B001011A1 ，A0 ，B1， B001102A1 ，A0 ，B1， B001113A1 ，A0 ，B1， B010000A1 ，A0 ，B1， B010012A1 ，A0 ，B1， B010104A1 ，A0 ，B1， B010116A1 ，A0 ，B1， B011000A1 ，A0 ，B1， B011013A1 ，A0 ，B1， B011106A1 ，A0 ，B1， B011119表2-1 乘法器真值表图2-5 系统结构图【发挥部分】用ADC输出的正弦模拟信号转换成数字信号：比较器与计数器（7

13、4LS161）一起对输入锁存器的信号进行控制，其中，运用八个与门构成峰值异步清零模块，对ADC传输的信号进行周期性清零。当满足次态大于现态或完成一个周期时，一级锁存LE引脚输入高电平，允许数据通过，而此时二级锁存LE引脚输入低电平，处于保持状态。最后进行DAC转换，结合运放LM324构成除法电路，实现将IOUT1端口输出以电流为模值（其值随DAC寄存器的内容线性变化，也即是随着数据输入而变化 ）的正弦量转换为电压为模值的正弦量。系统框图如图2-6。图2-6 系统结构图2.4 具体电路设计【基础部分】图2-7 乘法器电路图设计采用含四个与门的74ls08和一个74ls283加法器，根据结构框图得

14、出仿真电路，如图2-7。依照电路图在实验箱上进行实际电路的链接，容易得到结果【发挥部分】（1）分频电路图2-8 74LS161管脚图74LS161管脚图如图2-8所示。当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161具有异步清零功能和同步置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。本实验中，我们将时钟信号16分频。创造两个16分频的电路可以很好地控制锁存器轮流使信号通过，起到缓存的作用。仿真分频部分电路图如图2-9。图2-9 74LS161管脚连接示意图（2）A/D转化电路图2-10 ADC0809管脚图多路开关可选通8个模拟通道, 地址

15、线为通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDCSTART是转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持 低电平。ALE信号与START信号接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。Vref参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V)图2-11 ADC0809管脚连接示意图（3）比较器电路两个8位数的比较是从A的最高位A7和B的

16、最高位B7进行比较，如果它们不相等，则该位的比较结果可以作为两数的比较结果。若最高位A7=B7，则再比较次高位A6和B6，余类推。显然，如果两数相等，那么，比较步骤必须进行到最低位才能得到结果。本方案需要比较8位二进制数的大小。我们采用两个74LS85级联组成。当新输入的数值大于之前输入的数值时，将新数值存入锁存器电路，实现记录信号峰值的功能。图2-12 74LS85管脚图图2-13 比较器电路连接仿真图（4）锁存器电路锁存器部分里有两个锁存器，用两个74ls373芯片共同构成了二级锁存。目的是避免信号直接输入到DAC芯片中。一级锁存和二级锁存的使能端由比较器和时序电路共同控制。比较器控制一级

17、锁存以保证捕获的数字量为当前数字量中最大值。只有当一级锁存输入端为当前最大值是，才是数据通过。二级锁存与一级锁存永远不同时开放，这是由时序电路控制的，以保证数据输出的同时和稳定。第一片每隔一定时间自动清零，第二片始终存储来自第一片锁存器所记录的信号的峰值。图2-14 74LS373管脚图图2-15 锁存器电路连接仿真图（5）D/A转化与除法电路图2-16 DAC0832管脚连接示意图所示电路中的接高电平、其余控制端、均接低电平，使两个锁存器处于常导通状态，输入的数据直接经过寄存器、D/A转换电路进行数/模转换，输出跟随数字输入变化而变化，所以电路处于透明工作方式。 当参考电压UREF为正时，电

18、流由UREF经支路电阻流入IOUT1或IOUT2。当参考电压UREF为负时，则电流由IOUT1或IOUT2经支路电阻流入UREF，从而在IOUT2接地情况下，输出电压： （式2-6）当参考电压UREF为正时，uo为负。当参考电压UREF为负时，uo为正。参考电压UREF既然可负可正，那么UREF端可以加一个交流电压ui，从而 （式2-7）简写为： （式2-8） 这里，K是系数，D是输入数字量。上式表明，uO正比于ui与D的乘积。称为乘法DAC，简写为MDAC。 如果将反馈电阻输出端加上交流输入信号ui, IOUT2接地并接到运算放大器的同相输入端, IOUT1接到运算放大器的反相输入端, 参考

19、电压UREF同时接到运算放大器的输出端, 则把倒T电阻网络构成了运算放大器的反馈元件，用倒T电阻网络和运算放大器实现了模拟信号被数字D相除的除法器。即 （式2-9）图2-17 DAC0832电路连接仿真图（6）运算放大器运算放大器我们使用通用运放LM324。电压跟随器驱动负载的能力很强，所以在本电路中，Iout1端口电流经过一级运算放大器转换为电压后，再连接一级运算放大器。电压跟随器同相输入端接上一级的输出端，反相输入端连接本级运放的输出端。这样可以提高驱动负载的能力。图2-18 运算放大器连接示意图（7）中频自动增益数字电路完整仿真电路图2-19中频自动增益数字电路完整仿真电路图3 制作及调

20、试过程【基础部分】3.1.1 制作及调试过程本实验我们在九教南502实验室的实验箱上进行搭建。实验箱上配有5v电源、高/低电平输出端和带译码器的数码管。将芯片插入芯片槽中，用线按照电路图将其对应管脚连起来，就能实现联通的功能。实际连接电路如图3-1：图3-1 【基础部分】实际电路连接好电路后，根据电路图，用四个开关控制实现A0,A1,B0,B1的0、1输入，用数码管将相乘结果显示出来。以检查电路是否成功实现。3.1.2 遇到的问题和解决方法开始没有将74283及7408的VCC和GND接地，数码管没有显示，是因为此时芯片本身没有工作，后来找到了问题，并顺利解决，此实验就较为顺利快速的完成了。这

21、个实验相对比较简单，有可能遇到实验箱上某个模块不能正常工作的情况。这是要分块测量查找错误，并且合理的利用电压表判断高低电平。【发挥部分】3.2.1 仿真过程由于在multisim中没有对应的ADC和DAC芯片，所以本次实验仿真采用库元件较全的proteus进行电路仿真。仿真结果如下图所示。图3-2 100mv，2kHz仿真结果图图3-3 50mv，5kHz仿真结果图图3-4 3v，2kHz仿真结果图3.2.2 制作及调试过程图3-5 电路连接示意图（1）ADC芯片检测将输入信号源由正弦信号转变为直流信号以便于电压表进行测量。高低电平满足TTL电平标准。只要8个输出端不是全部高电平就说明AD芯片

22、输出正常。由于START与ALE相连。模拟信号就会连续转换。（2）比较器检测首先确定低位比较器三个A>B、A=B、A<B的输入是0、1、0。再检测16个数据输入的高低电平情况。最后用万用表检查高位比较器的三个输出端是否只有一个高电平。（3）分频电路检测分别检查输入时钟信号是否为高电平5.0V低电平0V，再依次检测Q0、Q1、Q2、Q3以及进位端口。并用示波器对比输入波形看是否能实现16分频。将分频电路里A>B端口分别置于高电平和低电平，检查时序电路的两个输出端是否能分时使能。（4）缓存检测检查使能端口输出波形是否正确，每个周期都应有一段时间是高电平以使数据通过。再检测输入端口

23、的数据是否与前一级输出相同。缓存电路正常的标志是二级缓存数据输出端口正常。（5）DA检测检查DAC芯片的工作方式是否为直通，检测DAC芯片8个输入端数据是否正常。（6）运放检测将运算放大器与前一级断开，输入波形看其放大效果。3.2.3 实验结果大信号输入时： 小信号输入时信号放大倍数仅有2倍，没有达到预期效果3.2.4 遇到的问题和解决方法（1）数字电路74系列都满足TTL电平，在电路传输过程中，电平可能会微微跳变，但只要大体上不影响逻辑就可以，可以通过改变时钟频率进行优化（2）在上电之前要检查VCC与GND是否短路。（3）检测电路过程中可以先输入直流作为信号源，然后逐级检查信号的传输，判断电

24、路的故障点。（4）输入管脚不能悬空，在实际电路中，悬空的管脚有可能是零也有可能是一，会导致电路错误。（5）电路各个模块要分开测试。（6）电路板上GND都接的是同一个位置，而AD芯片的地管脚并不在相同的位置，所以实验时需要对PCB板进行分割走线，另外，有几个芯片只有14个引脚，而板子上做好的是16个脚的插座，需要注意将这些芯片的VCC和GND接入电路，以免影响电路功能。（7）Proteus的仿真能力不如multisim好，但本次实验所用芯片不包含于multisim的库里，所以只能使用proteus。实际搭接电路前也要注意检查芯片是否能正常工作，按照芯片引脚图连接，防止芯片不能正常工作。（8）实验

25、开始时插了一遍线，结果示波器输出的是杂波，后来将所有的线拔下来用万用表检查没有问题又重新插了一遍，终于出来的是正常的正弦波（9）输入信号较小时，输出没有达到要求在3-4V，而输入信号过大时，波形会出现失真现象，我们考虑是运放的连接没有设计的较为合理4 实验研究与思考（1）加法器实现2位乘法电路原理？ 利用的是2位二进制乘法的展开式来设计电路的，先用与门做二进制的与运算，再把与结果高位对高地址，低位对低地址相加就可以设计出电路。（2）4位可控加/减法电路控制模块关键是什么？关键模块在于BCD加法器，在利用补码进行累加计算的过程中需要修正电路。（3）DAC0832工作方式有哪些？直通型方式、单缓冲

26、方式和双缓冲方式。当ILE为高电平，CS和WR1位高电平时，LE1信号是的8位输入数据锁存器有效，输入的数据存入输入锁存器。当需要DA转换时，使WR2和XFER位高电平，LE2信号使得8位DA锁存器有效，将数据置入DA锁存器中，并进行DA转换，这是双缓冲工作方式。在DAC0832中，使两个锁存器中的一个常处于开通状态，只控制一个锁存器的锁存或者使两个锁存器同时工作，这是单缓冲工作方式。使两个锁存器完全处于开通状态，锁存器输出随数字变化而变化，称为直通工作方式。（4）引入竞争与冒险现象，探究其产生原因。在电路设计中使用多种逻辑门如：与非门、或非门等，将一个门电路多个输入端信号同时跳变，或者一个信

27、号经由不同的路径传到同一个门的输入端致使信号到达的时间不同，从而在电路输出端产生尖峰脉冲，这种现象称为竞争冒险。（5）测量输出信号失真方法有哪些？失真度是用一个未经放大器放大前的信号与放大后的信号作比较的差别，其单位为百分比，在这里表征一个信号偏离纯正弦信号的程度。信号处理方法大致可分为两类：模拟法和数字化方法。模拟法：指测量中直接应用模拟电路对信号处理测量失真度的方法。基于模拟法的失真度测量仪由于前级电路有源器件的非线形，因此对小信号的测量不够准确。具体包含基波抑制法和谐波分析法。数字化方法：是指首先通过数据采集卡将被测信号量化，再对测量数据处理计算出失真度的测量方法。按照量程分为一般失真度

28、测量01% 100% 、小失真度测量001% 30% 和超低失真度测量0001% 10%。按照自动化的程度可分为半自动失真度测量和自动失真度测量；信号处理方法大致可分为两类： （6）估算或测量【发挥部分】输入到输出的时间？ADC0809转换时间为130s（时钟为500KHz时）。74ls085二级由低到高传输时间位20ns，由高到低传输时间为26ns，平均值为23ns74ls161输入始终频率为10khz，时间为0.1ms。经过分频的设置，输出信号周期是1.6ms。74ls373由低到高传输时间位18ns，由高到低传输时间为18ns，平均值为18nsDAC0832电流稳定时间1us。Lm324时间2us。计算可得约为3.5毫秒。（7）A/D和D/A转换电路的参考电压和输出最大电压有什么关系？在A/D转换器中，参考电压作为模拟参考量，是模拟量的最大值，这样才能保证数字量D是不大于1的n进制数，同时也保证LSB