数字电子技术实验报告

中频自动增益数字电路研究

目录

一、设计任务要求--------------------------------------------------- 1

【基础部分】---------------------------------------------------- 1

【发挥部分】---------------------------------------------------- 2

二  设计方案及论证------------------------------------------------- 2

【基础部分】---------------------------------------------------- 2

1  任务分析------------------------------------------------- 2

2  方案及系统结构设计--------------------------------------- 2

3  具体电路设计--------------------------------------------- 4

【发挥部分】---------------------------------------------------- 5

1  任务分析------------------------------------------------- 5

2  方案比较------------------------------------------------- 6

3  系统结构设计--------------------------------------------- 7

4  具体电路设计--------------------------------------------- 7

三  制作及调试过程------------------------------------------------ 10

【基础部分】--------------------------------------------------- 10

【发挥部分】--------------------------------------------------- 11

1  连接示意图及显示结果------------------------------------ 11

2  遇到的问题和解决方法------------------------------------ 13

四  系统测试------------------------------------------------------ 13

【基础部分】--------------------------------------------------- 13

【发挥部分】--------------------------------------------------- 14

1  测试数据及数据分析-------------------------------------- 14

五、总结---------------------------------------------------------- 14

1  本人所做工作------------------------------------------------ 14

2  心得体会---------------------------------------------------- 14

3  对本课程的建议---------------------------------------------- 15

六  实验研究与思考------------------------------------------------ 15

七、参考文献------------------------------------------------------ 17

一、设计任务要求

【基础部分】

（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，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。

（2）发挥部分（1）中，若输出成为直流，电路如何更改。

二  设计方案及论证

【基础部分】

1  任务分析

设两位二进制分别为A1A0和B1B0，输出为S3S2S1S0 ，分析过程如下：

图2-1 二位乘法电路原理

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。

2  方案及系统结构设计

计算过程采用四位快速进位加法器74LS283和与门74LS08，其中任意两个二进制数的乘法运算通过与门74LS08实现，它由四组2输入端的与门（正逻辑）构成，其引脚图如图2-2所示。

图2-2 74LS08引脚图

三个乘法结果的求和是通过将运算结果依位次输入到加法器74LS283的不同位来实现的。该器件是四位二进制全加器，逻辑图与引脚图如图2-3所示。

图2-3 74LS283逻辑图与引脚图

电路原理框图如下图2-4所示。

图2-4 2位乘法器系统原理框图

3  具体电路设计

图2-5  2位乘法器电路设计图

    在此次实验操作的过程中，为使实验现象明显，还利用了实验箱上提供的74LS47。74LS47作为译码器与数码管连接，将结果从BCD码转换成数码管数字显示出来。如图2-5所示，两个2位二进制数A1A0,B1B0输入的A1，A0，B1，B0 经过74LS08，依次相与为A1B0，A0B0，A1B1，A0B1，通过二输入与门74LS08形成两个四位二进制新数，即0 0 A1B0 A0B0和0 A1B1 A0B1 0，将两数送入加法器74LS283中实现加法功能，得到相应的输出并且显示出来。

【发挥部分】

1  任务分析

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。

 作为参考电压，而整个 网络作为反馈网络。所以

                                      

而

                                                               

所以

                                           

其中，是除式的系数。

是由ADC0809将模拟输入转换成的数字量。

                               

所以增益

                         

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

2  方案比较

（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。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

图2-6 自动增益系统结构设计

根据上述所选择的较优实验方案，设计了图2-6的自动增益系统结构。由ADC获取输入信号峰值等级，与上一时刻不断比较，取较大值，根据比较结果和控制电路共同控制输入DAC的最佳等级数据，输入信号利用DAC与运算放大器构成的除法器，实现增益自动控制的功能。

4  具体电路设计

    此次实验所用到的芯片包括模数转换器ADC0809，用两片4位数值比较器74LS85级联构成8位数值比较器，四组二输入与门74LS08，两个8位锁存器74LS373，数模转换器DAC0832，计数器74LS161，四与非门74LS22（OC门），与非门74LS00，或非门74LS02。具体电路设计如图2-7所示。

图2-7 中频自动增益电路总体设计

图2-8  ADC引脚图

如图所示ADC0809为模数转换器，IN0~IN7为8个标准的CMOS模拟开关，ADDA~ADDC为3位地址锁存器，8个模拟通道一一对应3位地址锁存器所组成的8种状态，设计图中选择模拟通道IN0，所以ADDA~ADDC均接地置零。将U_REF设定为5V，将之送入比较器与输入模拟电压进行比较，结果送入8位比较寄存器，因为START与ALE、EOC相连，所以在通道选定的同时开始A/D转换，上一次转换结束就开始下一次转换，直到转到最低位为止。转换后输出数字信号低4位传送到8位比较器的低位片，高4位传送到高位片。

图2-9  74LS85引脚图

低位片对低4位进行比较，因为没有更低位比较结果输入，其级联输入端I_A》B、I_A=B、I_A《B应接0、0、1.高位片对高4位进行比较，级联输入端接低4位的比较器输出端。如果两个高4位数不等，则输出取决于高位片结果，否则取决于低4位。8位比较器输出结果用于协助控制门控信号，经模数转换器转换后的数字信号由8个与门74LS08传送到一级锁存器输入端。

锁存器由两级门控信号进行控制。第一个门控信号由计数器以及几个非门、与非门控制。计数器在自己时钟信号的控制下从0000开始进行计数。若要门控信号为1，则需过与非门两信号任一为1即可，即当计数器溢出（采样结果数据异步清零，锁存器通过此时数据）或A>B（比较出新的较大值，锁存器通过此时数据）时，满足任一条件时，数据可以通过第一级锁存器。不断更新使B一直为峰值，这就保证了将峰值输出至二级锁存输入端。

第二个门控信号由计数器、非门、与非门和或非门控制，若要门控信号为1，则需或非门所有输入数据均为0。当数据开始减小的瞬间（已经取到峰值），A>B输出为0，且计数器计到或即将计到7时（不选溢出作为判定的原因是，此时与门输出给第一级锁存器的数据异步清零，极有可能出现零值直接通过两级锁存器的现象），四与非输出为0，使数据可以通过第二级锁存器到达DAC。

DAC0832内部没有提供运算放大器，在设计时需要外接，外界放大电路在右下角。 电路图中ILE接高电平，其余控制端均接低电平，DAC0832中两个锁存器处于常开通状态，处于直通工作方式，输出随数字输入变化而变化。

当反馈电阻输出端加上交流输入信号U_i，I_OUT2接地并接到运算放大器的同相输入端，I_OUT1接到运算放大器的反相输入端，参考电压U_REF同时接到运算放大器的输出端，则把R-2R型电阻网络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。即，这里，K是系数，D是与数字量,公式表示在U_i变大的时候，D也变大，从而保证了商也就是输出结果保持稳定。当AD采样值比上一次小的时候，由于开关接地，锁存器不导通，会将之前的结果保存，这时候达不到D值变小的效果，所以这里需要手动的将开关接一下高电平，然后再接地，由于采样的频率很大，所以这段时间足够比较找出变小后的峰峰值，使D值与输入电压保持同步变化的效果，而达到输出结果保持不变的效果。

三  制作及调试过程

图3-1 制作与调试流程图

【基础部分】

    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。

【发挥部分】

1  连接示意图及显示结果

图3-2 连接示意图

图3-3 输入信号4V峰峰值

                             图3-4 输出信号

2  遇到的问题和解决方法

（1）LM324运放芯片的电源端一定注意不要接反，否则直接会烧掉芯片。

（2）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，直接用示波器看波形。

（3）输出端与运放组合的电阻可以根据最后电路输出的稳压数值做出调整，选择合适的电阻值。

四  系统测试

【基础部分】

   

表4-1 2位乘法器测试数据

    测试输入输出结果如表4-1所示，与理论计算相符合，所以此电路设计正确，实现了预计功能。

【发挥部分】

1  测试数据及数据分析

表4-2  中频增益测试数据

    （1）大信号可调测试中，在5V最大输入电压时所能达到的最大输出电压也只有2.28V，增益不是很理想。

    （2）小信号可调测试中，我们调节输入电压为1V以下的输入电压时，输出波形也随之变小，出现失真。

    （3）无论是大信号还是小信号，我们的输出波形都不纯净，可能是板子本身的问题也可能是电路连接的问题，高频噪声干扰严重。

五、总结

1  本人所做工作

（1）查阅书籍资料，分析讨论原理，参与设计电路。

（2）参与连接电路，连完电路之后在九教南502的示波器上进行调试，发现了一些存在的问题并对电路做出了一定程度的修改。

2  心得体会

我这次数电实验的过程中学到了很多东西，收获了很多。

这次数电实验的基础部分是乘法器，这部分是在实验箱上做的，这个实验从原理和结果要求上来讲比较简单，但是还是要连不少的线，容易出错，需要认真以及耐心。在设计之后，调试和仿真验证的时候也比较顺利，在实验室进行连接时也没有遇到太大的困难。

发挥部分是中频自动增益电路，刚开始做这个的时候毫无头绪，不知道从什么地方下手。根据老师提供的思路，我们在网上查阅了一些资料，并和小组另外两名成员一起对电路的设计进行了讨论，和其他组的同学一起研究电路图，基本搞清了自动增益的原理，以及如何用电路实现。之后我们就开始连接电路了。连接电路要求我们有足够的耐心和细心，稍不留神，就会把电路连错。然而，连接完之后，我们结果并未出现自动增益的效果，还出现了一定程度上的失真。然后我们逐个检查芯片是否正常工作，并没有发现什么问题。于是我们决定把线拆掉重新连一次，第二次连完之后测试出现了近似正常的波形，但是还存在一些问题：高频噪声严重，高频干扰较多，导致输出的波形不是很纯净，正弦波很粗，而且增益也不是很理想。我们组同学对出现的问题进行了讨论，也与其他组同学进行交流，但是由于时间关系，我们已经来不及修改，只好就这样上交结果了。

    在实验过程中，我们也查了很多的书籍和资料，在不断地解决问题中真正学到东西。虽然最后我们组的波形并不是十分理想，但是在实验的过程中我们发现问题、解决问题的能力得到提高，对数字电路中常用的元件也有了更深刻的认识。通过这次实验，我认识到研究电路需要非常严谨的心态，同时要有足够的耐心和信心，更要深入思考，只要这样，才能培养我们的动手能力和发现问题解决问题的能力。

3  对本课程的建议

（1）配备更多的实验仪器，如示波器、信号发生器等，以免同学们在调试板子时没有可用的仪器，造成时间上的浪费。

（2）建议能多给同学们一些实验的时间，即稍微晚一些进行验收，这样可以对电路有更加深刻的理解，并调试出更好的结果，因为根据大家的普遍反映，都认为数电实验时间有些仓促。

六  实验研究与思考

（1）加法器实现2位乘法电路原理？

答：两个二进制数（A1A0与B1B0）相乘，可得到四位二进制数分别相乘的积（A1B1，A1B0，A0B1，A0B0），令S2=A1B1，S1=A1B0+A0B1，S0=A0B0，则输出S2、S1、S0即可。

（2）操作中引入竞争与冒险现象，探究其产生原因。

答：在实际电路中，由于信号变化时的过渡过程不一致和门电路的传输延时的存在，会使电路产生竞争与冒险现象。其中，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的现象称为竞争，由于竞争而可能在电路输出端产生尖峰脉冲的现象称为冒险。

（3）D/AC0832工作方式有哪些？

答：根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。

（4）测量输出信号失真方法有哪些？

答：失真度测量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：模拟法和数字化方法；根据仪器可分为基波剔除法和频谱分析仪法。

（5）估算或测量发挥部分（2）输入到输出的时间？

答：ADC0908的转换时间是固定的128μs。DAC0832电流稳定时间为1μs。

（6）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？

答：最大输出电压和参考电压的关系是：

（7）当输出成为一条直线时，能否达到自动增益控制的目的？

答：不能达到自动增益的目地，我们所要的是找到合适的增益，并且使输出和输入波形变化一致。我们设计的电路就是改善输出是一条直线的情况的。

（8）输出负载改为8Ω，应如何修改电路？

答：修改驱动负载电路的电阻，使其能够驱动负载。

七、参考文献

[1]侯建军.数字电子技术基础（第二版）[M].北京:高等教育出版社,2007:12

[2]中频自动增益数字电路研究PPT

[3]相关芯片手册