北交大2014数电实验报告

《数字电子技术》实验报告

中频自动增益数字

电路研究

姓名：

班级：

指导老师： 佟毅 时间：2014年11月5日

目录

一 设计任务要求 ........................................................................................................................... 1 二 设计方案及论证 ....................................................................................................................... 1

1 任务分析 ............................................................................................................................. 1 2 方案比较 ............................................................................................................................. 2 3 系统结构设计 ..................................................................................................................... 3 4 具体电路设计 ..................................................................................................................... 5 三 制作及调试过程 ..................................................................................................................... 13

1 制作过程 ........................................................................................................................... 14 2 遇到的问题和解决方法 ................................................................................................... 14 1 仿真过程 ........................................................................................................................... 15 2 调试过程 ........................................................................................................................... 17 3 实验过程 ........................................................................................................................... 19 4 遇到的问题和解决方法 ................................................................................................... 19 四 实验研究与思考 ..................................................................................................................... 20 五 总结 ......................................................................................................................................... 22

1 本人所做工作 ................................................................................................................. 22 2 心得体会 ......................................................................................................................... 22 3 对本课程的建议 ............................................................................................................. 23 六 参考文献 ................................................................................................................................. 24

1

一 设计任务要求

【基础部分】

用加法器实现2位乘法电路。 【发挥部分】

设计一个电路，输入信号50mV到5V峰峰值，1KHZ～10KHZ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500Ω。

二 设计方案及论证

1 任务分析

【基础部分】

2位乘法电路是典型的组合电路，通过用乘法展开式分析，使用与门实现两个信号的相与，再通过加法器实现加和来实现2位乘法电路。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。 【发挥部分】

ADC0809采集放大后直流信号，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，也就是说当大信号的时候电路的增益是小的，小信号的时候电路的增益是大的。如果我们先把信号ui进过A/D转换，得到的信号的数字量代入3.1中的除法电路的D中恰好符合大信号小增益，小信号大增益的特点。

Ui 作为参考电压，而整个R?2R 网络作为反馈网络。所以

1

I??IREF?D2ii=07i?8?U07ii?D2 8?R?2i?0(式0-1)

而

I?Ui Rf(式0-2)

所以

Ui?U07ii?D28?RfR?2i?0

?R?28U0?RfUi?D2ii?07iUi ?P?D(式0-3)

?R?28??28，(R?RREF?10K?)是除式的系数。 其中P?RfD是由ADC0809将模拟输入Ui转换成的数字量。

所以增益

D?D0?20?D1?21?D3?23?……?D7?27

(式0-4)

U0?28 G??0137UiD0?2?D1?2?D3?2?……?D7?2(式0-5)

也即模拟输入大时，通过ADC0809转换成的数字量D就大，增益G就小；模拟输入小时，通过ADC0809转换成的数字量D就小，增益G就大。从而验证了自动增益功能的正确性。

2 方案比较

【发挥部分】 （1） 方案一

输出的频率1k~10k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

2

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，并作为参考电压UREF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

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，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uo?Kui/D，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。检波过程也是一个频率变换过程，也要使用非线性元器件。常用的有二极管和三极管。另外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UREF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，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uo?Kui/D，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。

3 系统结构设计

【基础部分】

3

图3-6 ADC0809管脚图

多路开关可选通8个模拟通道, 地址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)

9

图3-7 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。

10

图3-8 ADC0809管脚连接示意图

（4）锁存器电路

锁存器部分里有两个锁存器，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。

（5）D/A转化与除法电路

DAC0830／0831／0832是8位分辩率的D／A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。 这个系列的芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用 这类D／A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、八位D／A转换电路及转换控制电路构成 。

11

图3-9 DAC0832管脚连接示意图

所示电路中的ILE接高电平、其余控制端CS、WRI、WRJ、XFER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：

?UREF212uo?iout1R?

?D2ii?011i （式5-1）

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

?ui212uo??D?2ii?011i （式5-2）

简写为：

uo?KuiD （式5-3）

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。因此，图2所示DAC电路称为乘法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

12

入端, IOUT1接到运算放大器的反相输入端, 参考电压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

uo?Kui/D（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3-10 运算放大器连接示意图

三 制作及调试过程

【基础部分】

13

1 制作过程

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，用线将其对应管脚连起来，就能实现联通的功能。 连接出来的电路如图：

图4-1 【基础部分】实验结果

2 遇到的问题和解决方法

加法器的进位端和没有输入的端口都需要接地，否则为高阻，会出现不可预知的错误。在TTL电路中，高阻状态就是0状态。而在仿真时，如果引脚悬空，各种仿真软件默认接高电平，

这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。

14

【发挥部分】

1 仿真过程

由于在multisim中没有对应的ADC和DAC芯片，所以我们采用库元件较全的proteus仿真。

图4-2 100mv，2kHz仿真结果图

图4-3 50mv，5kHz仿真结果图

15

图4-4 3v，2kHz仿真结果图

U4:AU2(A=B)132U15(IN0)U15(CLOCK)10121315911141234U2A0A1A2A3B0B1B2B3AB74LS85U4:B74LS086U8(VCC)4591012QAB765131245R315kU4:C74LS088U1526272812345VREF(+))252423221216IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ADD AADD BADD CALEVREF(+)VREF(-)ADC0808CLOCKSTARTEOCOUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7OUT81067212019188151417U4:D74LS0811U8U6347813141718111D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7256912151619347813141718111U14:A(V+)20191817161514131211U7D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7256912151619U5:A74LS083U5:B74LS08612345678910CSVCCWR1ILE(BY1/BY2)GNDWR2DI3XFERDI2DI4DI1DI5DI0DI6VREFDI7RFBIOUT2GNDIOUT1DAC0832U14:A43AU1:A41BCDR21k1232U5:C74LS08811U310121315911141234A0A1A2A3B0B1B2B3AB74LS85910121311R1LM324500LM324OE9U5:D74LS0811U14:A(V-)74LS08QAB765U93456U9(CLK)710291D0D1D2D3ENPENTCLKLOADMR74LS161Q0Q1Q2Q3RCO141312111512U11:A56U10:C674LS04U10:A174LS0424574LS22U13:A13274LS00U10:B374LS04421374LS02U9(MR)U12:A 图4-5 电路图设计

16

2 调试过程

图4-6 信号源连接示意图

图4-7 电压表检测示意图

（1）ADC芯片检测

17

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

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。

18

3 实验过程

图4-8 小信号输出波形

图4-9 大信号输出波形

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。

（2） 焊接过程中一定要保证焊接质量，仅仅到达蜂鸣器响的标准是不够的。 （3） 在上电之前要检查VCC与GND是否短路。

（4）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，判断电路的故障点。

（5）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。

（6）电路各个模块要分开测试。首先测试分频部分，这一部分与主体连接不太紧密，直接

19

用示波器看波形。

（7）从模拟电路的角度分析，500欧姆算比较大的负载，加一个电压跟随器可以提高驱动能力。运算放大器部分属于模拟部分，示波器的地应该接到模拟地，与芯片的地之间连一磁珠可以过滤高频分量。在VCC供电引脚附近接一个小电容可以有效的过滤掉电源的纹波。 （8）在最初焊接时发现从电路板背面焊接很容易把引脚数错，可以用标签纸标记。从背面引线容易造成短路，从正面引线影响美观，二者要达到一个平衡。

（9）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，

（10）之前还担心过分频信号的高电平时间持续不够，在老师的建议下查询芯片手册，发现74ls373的作用时间为ns级别，而我们输入的方波信号是10khz，因此不用担心。 （11）电压表检测数据过程中我们发现随之信号的传输数据端口的高电平越来越高，低电平越来越低，但是总体来说只要不影响芯片的逻辑即可。

（12）我们在74ls373这里遇到过困难，总体来说检查芯片各个引脚和各个输入，如果没有问题依然不能正常出结果则应该将它与前一级或者后一级断开，以避免受影响。

（13）示波器呈现高阻状态，信号源有高阻和50欧状态，在实验中如果出现失真则应该考虑整个电路板的阻抗与示波器、信号源阻抗的匹配问题、

四 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、单缓冲方式和双缓冲方式。

20

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。 （５）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。 （６）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测量0．1% ～ 100% 、小失真度测量0．01% ～ 30% 和超低失真度测量0．001% ～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： （７）估算或测量【发挥部分】输入到输出的时间？

ADC0809转换时间为130μs（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。

（８）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？

21

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最小。

D/A转换器中的模拟量输出都以电压形式出现，参考量也多为电压，最大输出电压是指输入数字量各位全为1时的输出电压。参考电压就是最大输出电压。 （９）当输出成为一条直线时，能否达到自动增益控制的目的？

不能

（10）输出负载改为8Ω，应如何修改电路？

负载变大，应该接电压跟随器或者射级跟随器进行缓冲，

五 总结

1 本人所做工作

我在这个实验过程中充当着组长的角色，做着每一个方案选择、调试过程的重要抉择。具体工作如下：

（1） 两种电路方案在multisim和proteus的仿真 （2） 资料的收集和整理

（3） 整个电路图的架构理解和优化

（4） 电路板模数转换、缓存区、数模转换的焊接、整个电路板的调试 （5） 运算放大器的设计与调试

2 心得体会

终于走到了今天，这个窗外银杏叶飞舞的季节，实验室里有个为数电实验日夜忐忑的姑娘。而我，也终于能够看着还算满意的波形，在旁边静静地写下我的心得体会。

我们班的实验是从10月25日开始的。由于我们选择自己焊电路，便多了一个星期的时间。第六周，我们数字电子技术课程刚刚讲到触发器，实验的大多数芯片都没有学过。在刚开始的4天里，我的大多数精力都放在了仿真和理解实验电路上。10月31日，我们班其他用实验箱搭电路的同学验收，结果大多都不好。也就是在这一天，我和我的组员开始动手焊

22

电路。心存敬畏，所以每一根线，每一个焊点都连得如临深渊如履薄冰。我用调温烙铁，比较好的焊锡，板内相连的导线。每连接一部分就用示波器的蜂鸣器当检测，并且要求自己和组员任何相连的两点蜂鸣器档示数必须小于0.02。电路一共焊了3天，中间凡是没有课的时候都在实验室。晚上九点以后实验室关门我们就继续商讨后续电路，互相讲解数电课程知识，查看芯片手册。

11月3日，焊接完工，正式开始调试电路。此刻我们的心情也变得波荡起伏。我们班和我们同焊板子的另外一组同学已经因为实在找不到错误放弃了，而我也在对未来完全未知的情况下变得暴躁和低沉。当初选择焊板子是自诩手工不错，也非常想在大学期间完成一个看上去十分伟大的作品。因此劝说同组两个成员同意我的决定。现在如果不能实现功能无法给组员一个交代，也无法再有强大的自信心。

调试板子的过程也是异常辛苦的，曾经因为粗心烧了两个芯片，然后养成了每接一次电压信号必先用万用表测量的习惯。不断地查找错误，不断地分块调试，不断地鼓励自己。也就是在这个过程中，我好像真正的明白了在大学里除了分数我们还能收获更多。我想最后之所以没放弃，是因为在最绝望的时候我们组三个人依然保持冷静，保持耐心，保持乐观，保持上进。中间遇到问题去求老师不厌其烦的为我解答，去找之前一起做智能车的伙伴，奔波各地借电阻电容??

我不去想是否能成功，既然选择了远方，便只顾风雨兼程。这句话应该是我们全组同学一个半星期内心的真实写照。到今天，我非常感谢永远支持我、包容我的队友，感谢我们的携手同行，感谢我们不计结果的付出。

非常感谢九教南502实验室的每一位老师，是你们的不厌其烦和辛劳付出才造就了我们的成长。同时也感谢《数字电子技术》课程的马庆龙老师，亦师亦友，感激涕零，不知所言。

交大的秋天很美，电路板上错综复杂的线也毫不逊色。希望之后的学弟学妹能够认认真真领悟到数电实验里的美丽，那平稳不变的正弦波，一定是你们最大的欣慰。

3 对本课程的建议

（1）延长实验时间

（2）想办法提高同学检测电路错误的能力

23

六 参考文献

【1】侯建军.数字电子技术.北京.科学出版社

24

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ubgg.html