北交 數(shù)電實驗

1、數(shù)字電子技術(shù)實驗報告中頻自動增益控制數(shù)字電路的研究姓 名 學(xué) 號 小組成員 數(shù)電老師 時 間 2014年11月6日 目錄一、實驗?zāi)康?二、技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計要求11、基本要求12、發(fā)揮部分1三、設(shè)計方案及論證11、基本要求用加法器實現(xiàn)2位乘法電路1（1）任務(wù)分析1（2）方案及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計2（3）具體電路設(shè)計3（4）測試結(jié)果及分析32、發(fā)揮部分恒定電壓輸出4（1）任務(wù)分析與方案設(shè)計4（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計5（3）具體電路設(shè)計6（4）測試結(jié)果及分析6四、實驗研究與思考9五、心得體會10六、參考文獻(xiàn)10摘 要：自動增益數(shù)字控制電路是一種在輸入信號變化很大的情況下，輸出信號保持恒定或在較小的范圍內(nèi)波動的電路。

2、在通信設(shè)備中，特別是在通信接收設(shè)備中起著重要的作用。它能夠保證接收機(jī)在接收弱信號時增益高，在接收強(qiáng)信號時增益低，使輸出保持適當(dāng)?shù)牡碗娖?，不至于因為輸入信號太小而無法正常工作，也不至于因為輸入信號過大而使接收機(jī)發(fā)生堵塞或飽和。關(guān)鍵詞：自動增益 數(shù)字電路一、實驗?zāi)康?、掌握中頻自動增益數(shù)字電路設(shè)計可以提高學(xué)生系統(tǒng)地構(gòu)思問題和解決問題的能力。2、通過自動增益數(shù)字電路實驗可以系統(tǒng)地歸納用加法器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計加法、減法、乘法、除法和數(shù)字控制模塊電路技術(shù)。3、培養(yǎng)學(xué)生通過現(xiàn)象分析電路結(jié)構(gòu)特點，進(jìn)而改善電路的能力。二、技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計要求1、基本要求（1）用加法器實現(xiàn)2位乘法電路。（2）用2片4

3、位加法器實現(xiàn)可控累加（加/減，-9到9，步長為3）電路。最大數(shù)字和為兩位10進(jìn)制數(shù)18。(要求二進(jìn)制轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制電路設(shè)計不能用模塊74185)2、發(fā)揮部分（1）設(shè)計一個電路，輸入信號50mV到5V峰峰值，1KHZ10KHZ的正弦波信號，輸出信號為3到4V的同頻率，不失真的正弦波信號。精度為8位，負(fù)載500。（2）發(fā)揮部分（1）中，若輸出成為直流，電路如何更改。三、設(shè)計方案及論證1、基本要求用加法器實現(xiàn)2位乘法電路（1）任務(wù)分析題目要求實現(xiàn)2位乘法，我們假設(shè)兩個乘數(shù)用二進(jìn)制分別為A1A0和B1B0，具體的乘法展開見圖1。圖1 2位乘法展開式從二位乘法展開式中可以看到，如果實現(xiàn)乘法的話要用到與門運(yùn)

4、算和加法運(yùn)算：四位二進(jìn)制數(shù)分別相乘的積為A1B1、A1B0、A0B1、A0B0，令S2=A1B1，S1=A1B0+A0B1，S0=A0B0，則輸出S2、S1、S0即可。（2）方案及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計采用四位快速進(jìn)位加法器74LS283和與門74LS08。任意兩個二進(jìn)制數(shù)的乘運(yùn)算通過與門74LS08實現(xiàn)，它由四組2輸入端的與門（正邏輯）構(gòu)成，其引腳圖如圖2所示。圖2 與門74LS08引腳圖三個結(jié)果的求和通過將運(yùn)算結(jié)果輸入到加法器74LS283的不同位實現(xiàn)，它是四位二進(jìn)制全加器，其引腳圖如圖3所示。圖3 加法器74LS283引腳圖（3）具體電路設(shè)計 圖4 用加法器實現(xiàn)2位乘法電路圖如圖4所示，用加法器實

5、現(xiàn)2位乘法電路的電路圖由兩個芯片構(gòu)成，分別是74LS08與74LS283。兩個兩位二進(jìn)制數(shù)A1A0與B1B0在74LS08中進(jìn)行了與運(yùn)算，即相乘后產(chǎn)生四個二進(jìn)制數(shù)A1B1、A1B0、A0B1、A0B0，進(jìn)入了74LS283中，經(jīng)過全加器的運(yùn)算產(chǎn)生S3S2S1S0，其中S3=0，S2=A1B1,S1=A1B0+A0B1,S0=A0B0，分別與數(shù)碼管的4、3、2、1端口連接后，即可輸出計算結(jié)果。（4）測試結(jié)果及分析A1（二進(jìn)制）A0（二進(jìn)制）B1（二進(jìn)制）B0（二進(jìn)制）理論結(jié)果（十進(jìn)制）測試結(jié)果（十進(jìn)制）11119911106611013311000010116610104410012210000

6、0011133011022010111010000001100001000000100000000由上表可知，實際測試結(jié)果與理論計算結(jié)果一致，此電路圖是正確的。2、發(fā)揮部分恒定電壓輸出（1）任務(wù)分析與方案設(shè)計題目的重點之一在于峰值捕獲，如果能確定一個信號的峰值，那么就有多種方法實現(xiàn)信號增益的自動控制。我們的方案是創(chuàng)造一個不斷升高的電壓檔位信號與輸入信號作電壓比較，將比較結(jié)果通過邏輯運(yùn)算確定當(dāng)前信號幅值的對應(yīng)檔位，再借此控制輸入信號的乘除倍數(shù)來實現(xiàn)增益控制。在本方案中，檔位信號是通過計數(shù)器控制一個參考電壓穩(wěn)定且大于信號最大可能幅值（實際取5V）的DAC的數(shù)據(jù)輸入來實現(xiàn)的。檔位信號在輸入信號的一個

7、周期內(nèi)保持不變，因此總有與信號最大幅值作比較的機(jī)會，從而可以穩(wěn)定捕獲峰值，但是同時也要求檔位信號的周期（2n次電壓遞增，n位DAC的位數(shù)）必須大于輸入信號最大周期的2n倍。這種思路的優(yōu)點是能穩(wěn)定捕獲峰值，可以處理有較大誤差的信號，不會出現(xiàn)失真；缺點是捕獲速度慢，如果輸入信號的幅值正好是最大可能幅值，則需要經(jīng)過2n個最大周期才能捕獲峰值，尤其是當(dāng)要求精度很高即n值很大時，捕獲時間會比較長。題目的重點之二在于自動增益，也就是說當(dāng)大信號的時候電路的增益是小的，小信號的時候電路的增益是大的。把信號ui進(jìn)過A/D轉(zhuǎn)換，得到的信號的數(shù)字量代入后的除法電路的D中求出增益很明顯這個符合大信號小增益小信號大增益

8、的要求，下面我們來定量的分析這個結(jié)果。當(dāng)輸入信號ui>0時，輸入信號經(jīng)過ADC0809后的的的數(shù)字量為再把我們的結(jié)果代入后得到可見當(dāng)ui>0的時候輸出是一個定值，雖然符合了自動增益的要求，但是這已經(jīng)不是正弦信號了。而且當(dāng)ui<0的時候D=0,這個時候顯然是沒有意義的，運(yùn)放輸出有限就變成矩形波了也不滿足題目的要求。為了解決這兩個問題，我們要求出在1s內(nèi)求出D的最大值Dmax1s來作為除數(shù)。這樣意義上式1-3就是一個幅度表達(dá)式了，而不是實時輸出信號的值了。題目要求輸入信號50mV到5V峰峰值，1KHZ10KHZ的正弦波信號，輸出 信號為3到4V的同頻率，不失真的正弦波信號。我們把

9、UREF=2.5V，確保A/D轉(zhuǎn)化的精度最高。因為內(nèi)部權(quán)電阻R=10K不能改變，所以反饋電阻Rf=15K，確保輸出信號在3到4V之間。（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計首先對輸出信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后用兩個四位數(shù)值比較器74LS85（引腳圖如圖5所示）構(gòu)成八位比較器，采用74LS08相結(jié)合周期清零構(gòu)成峰值異步清零（引腳圖如圖2所示），對于周期性清零是用同步四位二進(jìn)制計數(shù)器74LS161（引腳圖如6所示）與雙4輸入與非門74LS22（引腳圖如7所示）結(jié)合形成周期性清零,用集成數(shù)碼鎖存器74LS373（引腳圖如8所示）完成第一鎖存與第二鎖存，最后通過D/AC0832整個過程完成除法器與數(shù)模轉(zhuǎn)換，形成穩(wěn)定信號。D/

10、AC0832采樣頻率為八位的D/A轉(zhuǎn)換芯片，它的引腳圖如圖9所示，其中 IOUT1是電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化。DAC0832輸出的是電流，一般要求輸出是電壓，所以還必須經(jīng)過一個外接的運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓。 圖5 四位數(shù)值比較器74LS85 圖6 同步四位二進(jìn)制計數(shù)器74LS161 圖7 雙4輸入與非門74LS22 圖8 集成數(shù)碼鎖存器74LS373圖9 DAC0832引腳圖（3）具體電路設(shè)計圖10中頻自動增益數(shù)字電路圖（大圖見附錄）D/AC0832由倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、運(yùn)算放大器和參考電壓VREF四大部分組成。運(yùn)算放大器輸出的模擬量u0為：uo=-

11、iRf=-uREFRf2nRi=0n-1Di2i可以看出輸出的模擬量uo與數(shù)字量（i=0n-1Di2i）成線性關(guān)系。即可實現(xiàn)可控的乘/除法。（4）測試結(jié)果及分析仿真結(jié)果如圖：圖11 50mV仿真結(jié)果圖12 5V仿真結(jié)果由此可見，仿真完全正常，輸出信號沒有產(chǎn)生失真，幅值范圍成功控制在3-4V之間，此電路圖是正確的。實物連接圖如下：圖13 電箱實物圖圖14 示波器顯示圖四、實驗研究與思考（1）加法器實現(xiàn)2位乘法電路原理？兩個二進(jìn)制數(shù)（A1A0與B1B0）相乘，可得到四位二進(jìn)制數(shù)分別相乘的積（A1B1，A1B0，A0B1，A0B0），令S2=A1B1，S1=A1B0+A0B1，S0=A0B0，則輸出

12、S2、S1、S0即可。（2）操作中引入競爭與冒險現(xiàn)象，探究其產(chǎn)生原因。在實際電路中，由于信號變化時的過渡過程不一致和門電路的傳輸延時的存在，會使電路產(chǎn)生競爭與冒險現(xiàn)象。其中，將一個門電路多個輸入端信號同時跳變，或者一個信號經(jīng)由不同的路徑傳到同一個門的輸入端致使信號到達(dá)的時間不同的現(xiàn)象稱為競爭，由于競爭而可能在電路輸出端產(chǎn)生尖峰脈沖的現(xiàn)象稱為冒險。（3）D/AC0832工作方式有哪些？D/AC0832工作方式包括雙緩沖工作方式、單緩沖工作方式和直通型工作方式。（4）測量輸出信號失真方法有哪些？測量輸出信號失真有直接測量和間接測量兩種方法。直接測量法：失真度儀由輸入電平調(diào)整電路、基波抑制電路和電子

13、毫伏表等三部分組成。被測信號輸入電平調(diào)整電路后,將開關(guān)置于“1”位置，電子毫伏表指示在滿度(1伏)。將開關(guān)撥向“2”，調(diào)整基波抑制電路使基波抑制到最低限度。這時毫伏表的刻度即為基波與諧波電壓有效值之比，直接指示失真度。間接測量法:被測信號通過開關(guān)S的“1”位置，經(jīng)基波抑制電路調(diào)諧后，由毫伏表指示全部諧波電壓值；然后將開關(guān)S接至“2”，并調(diào)整衰減器使毫伏表指示原來位置。從衰減器度盤上讀出失真度。此法操作復(fù)雜，但測量精確度較高。（5）估算或測量發(fā)揮部分（2）輸入到輸出的時間？ 輸入輸出時間差主要是在DAC0832造成的。（6）A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路的參考電壓和輸出最大電壓有什么關(guān)系？最大輸出電壓和

14、參考電壓的關(guān)系是：（7）當(dāng)輸出成為一條直線時，能否達(dá)到自動增益控制的目的？不能達(dá)到自動增益的目地，我們所要的是找到合適的增益，并且使輸出和輸入波形變化一致。（8）輸出負(fù)載改為8，應(yīng)如何修改電路？修改驅(qū)動負(fù)載電路的電阻，使其能夠驅(qū)動負(fù)載。五、心得體會在本次數(shù)電實驗中，我們做了兩個實驗，一個是基礎(chǔ)實驗用加法器實現(xiàn)2位乘法電路，一個是發(fā)揮實驗中頻自動增益數(shù)字電路。第一個實驗比較簡單，上午的時候老師在課上講解了實驗的原理，然后我認(rèn)真看了發(fā)的學(xué)習(xí)資料并查閱了相關(guān)資料，下午做實驗的時候很快就做完了，因為是2位乘法電路不用考慮進(jìn)位，就比較簡單，用加法器74LS283和與門74LS08實現(xiàn)。第二個實驗就比較麻

15、煩了，電路圖復(fù)雜，元器件很多，所以我們分小組完成，3人一組進(jìn)行合作。在正式做實驗之前，我們首先對老師給的電路圖進(jìn)行了仿真，但是效果并不理想，為此我們查閱資料、詢問大神并請教了我們的數(shù)電老師，然后我們對電路進(jìn)行了改進(jìn)，得到了比較滿意的仿真。而在正式搭箱子的時候我們又遇到了一些麻煩。首先是對芯片不了解，為此我們特意把每一個要用到的芯片的引腳圖下載下來做成文檔打印出來，一邊動手一邊查看，由此我認(rèn)識到了芯片手冊的重要性。其次，線路檢查也是一項浩大的工程，搭完箱子第一次測試的時候示波器輸出的是雜波，為此我們只能借助萬用表將我們的電路一一進(jìn)行檢查，真的發(fā)現(xiàn)我們的接地有問題，經(jīng)過改正最終結(jié)果比較理想，由此我明白了做事情要認(rèn)真仔細(xì)。最后是對示波器不了解，調(diào)不出波形，后來是詢問了周圍的大神才將示波器調(diào)好，由此我明白了合作的重