数字积分器

数字积分器一、设计题目数字积分器二、设计任务和要求1.模拟输入信号0~10V，积分时间1~10秒，步距1秒。2.积分值为0000~9999。3.误差小于1%±1LSB4.应具有微调措施，以便校正精度。三、设计方案1、通过数字积分器，对输入模拟量进行积分，将积分值转化为数字量并显示。输入与输出的对应关系为：输入1V，转化为频率100Hz，计数器计数为100，积分时间为1S，积分10次，输出为1000。输入模拟量的范围为0~10V，通过10次积分，输出积分值为0000~9999。误差要求小于1%±1LSB。数字积分器应具有微调措施，对于由元件参数引起的误差，可以通过微调进行调节，使其达到误差精度。微调的设置应尽可能使电路简单，并使测量时便于调节，能提供微小调节，尽快达到要求，完成微调的任务。2、原理电路设计：：V/F转换器数字显示单稳电路积分电路与门四位16进制计数器Vi四所用元器件：组件：4片741603片74062片74LS081片7406N1片OPAMP7412片LM556CM1片75LS08电阻和电容若干调零电位器：100KΩ五、电路工作原理按照设计方案的要求可以将整个电路分为五个部分，分别为：V/F压频转换器、时间积分电路、门电路、计数器电路。整体的实验思路是：通过V/F压频转换器将某一电压转换为相应频率的方波，同时和由时间积分电路输出一秒钟的高电平，通过与门电路后，生成时间为一秒钟频率固定的矩形脉冲。然后将此脉冲接入由四片十进制计数器74160的CLK输入端，便可记录一秒钟内脉冲的数量。于4片74160输出端相连接的是4片数码管，计数的结果就会在数码管上显示出来，由此就得到数字积分器的功能。总之，整体设计实验的思路是输入一个模拟信号，由V/F压频转换器将电压信号转化为频率信号，再与积分器进行逻辑与运算，最后通过计数器将频率信号的数值由数码管显示出来。六、单元电路设计（一）基本运算电路原理与说明：1．运算放大器的主要技术参数双输入、单输出运算放大器的符号如图1所示，各端子相对于地的电压及端子电流如图中所示。在实际中，运算放大器有上千种型号，描述其性能的技术参数如下：+-+U+U-upunipinuiuoio+-+uoU-U++-Uio图1运算放大器的符号图2运算放大器的输入失调电压LM358管角图（1）输入失调电压Uio实际运放由于制造工艺问题，两个输入通路不可能完全匹配，当输入电压Ui为零时，输出电压Uo并不为零。这相当于在两输入通路完全匹配运放的输入端串有一电压源Uio，如图2所示。显然，当Ui=Uio时，输出电压Uo=0。Uio称为运放的输入失调电压。对超低失调运放，Uio可低于20V。输入失调电压的一种测试电路如图3所示，R'=R1//Rf，可求得o1f1ioURRRU按上式用电压表测得输出电压Uo后，可计算出输入失调电压Uio。（2）输入失调电流Iio运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的差值定义为输入失调电流。0pniooUIII+-+RfR1R'U+U-Uo图3测试失调电压的电路（3）输入偏置电流Iib运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的平均值定义为输入偏置电流。0npibo)(21UIII对双极型运放，ibI可达纳安量级；对MOS运放，ibI可达皮安量级。+-+RfR1R'U+U-Uo图2.6-3测试失调电压的电路（4）开环电压增益A0运放的电压传递函数与频率有关，在一定频率范围内近似为00npo/j1jAUUUA式中：A0为直流增益；0=2f0为3dB角频率，f0通常在10Hz以下。在无外部反馈条件下，给运放施加一小信号，使运放工作在线性区，且信号频率很低，低于运放的3dB带宽，输出信号电压与输入差分信号电压的比值称为开环电压增益。其值A0可超过100dB。对设计良好的运放或内部补偿运放，开环电压增益与3dB带宽频率的乘积近似等于单位增益频率（增益为1时的频率），它是有源滤波器设计中一个很重要的参数。对A741型运放，其典型值为1MHz。（5）转换速率SR（也称压摆率）在阶跃电压输入下，运放输出电压的最大变化速率称为转换速率。maxoRddtuS在运放参数手册中，通常以单位V/(s)表示。当输入信号频率比较高时，由于运放内部电容的电流受晶体管可提供电流的限制，因而电压的变化率不能超过某一最大值。受转换速率影响，当信号频率高于一定值时（取决于运放增益，电路的闭环增益等因素），会引起输出信号的失真。2．基本运算电路（1）反相比例运算电路电路如图2.6-4所示，理想电压传递比为1finoRRuu+-+RfR1R'U+U-uouin图2.6-4反相比例运算电路在电路设计时，电阻的取值应在合适的范围之内，除应满足电压传递比要求外，还要考虑运放输出电流的限制，并使运放非理想因素的影响尽可能地小。此外，电阻本身的功耗不能超过其额定值。对图2.6-4电路，Rf的取值应使运放的输出电流小于其最大值。设运放输出端与地间不接负载，则运放的输出电流fooRUI设运放的最大输出电压为Uom，最大输出电流为Iom，则Rf的值一般应满足omomfIURRf取值也不能过大，否则流过Rf的电流则比较小，运放输入失调电流的影响变大。阻值过大的电阻稳定性差，精度低，噪声也大。通常Rf的取值在数千欧到数百千欧之间。Rf确定后，再根据电压传递比确定R1的值。此外，Rf、R1的值还应尽可能属于标称系列，一般要避免使用串并联形式匹配其值。（2）同相比例运算电路电路如图2.6-5所示，理想电压传递比为1fino1RRUU+-+RfR1R'uouin图2.6-5同相比例运算电路3、积分电路如图4所示，设V0)0(ou，运放是理想的，则txxuRCtu0inod)(1)(如果输入电压为阶跃信号，)(ε)(inintUtu，上式积分为tURCtuino1式中：RC为积分时间常数。在一定时间后，运放进入负饱和区。如果输入为正弦电压，ttUtuε)(cos)(min，则积分器的输出为)90cos()sin()(mmotRCUtRCUtu输出电压的幅值与频率成反比，相位超前输入电压90°。在理想情况下，只要输入信号为足够小的正弦函数，输出电压也为正弦函数。+-+RfRR'=RuouinC图4积分电路当考虑运放失调因素的影响时，即使输入电压uin=0，输出仍有一定数值的零漂电压，这个电压随时间变化，该现象称为积分漂移。为了减小积分漂移，实际中给积分电容还并接一比较大的反馈电阻Rf，如图4所示。为了减小由Rf引起的积分误差，一般取Rf10R。（二）555构成的比较电路一、555简介1、关于脉冲信号狭义：持续时间极短的电压或电流信号广义：凡不具有连续正弦形状的信号2、关于脉冲单元电路用来产生、变换、真心脉冲信号的电路3、脉冲单元电路的主要形式(1)施密特触发器(2)单稳态触发器(3)多谐振荡器(4)555定时器4、555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，只要在外部配上适当的阻容元件，就可以方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。在工业自动控制、定时、仿声、电子乐器、防盗报警等方面得到广泛应用。二、555芯片说明（1）NE555定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。组成的施密特触发器可用于脉冲的整形，单稳态触发器可用于调整脉冲的宽度，多谐振荡器可用于提供方波信号。因而NE555广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。其工作原理如下：555电路的内部电路方框图如右图所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3CCV和1/3CCV。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过2/3CCV时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3CCV时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。DR是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。Vc是控制电压端（5脚），平时输出2/3CCV作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。①组成施密特触发器电路如图3-1所示，只要将脚2和6连在一起作为信号输入端，即得到施密特触发器。图3-2画出了SV、Vi和Vo的波形图。设被整形变换的电压为正弦波SV，其正半波通过二极管D同时加到555定时器的2脚和六脚，得到的Vi为半波整流波形。当Vi上升到2/3CCV时，Vo从高电平转换为低电平；当Vi下降到1/3CCV时，Vo又从低电平转换为高电平。回差电压：△V=VCCVCCVCC313132图3-1555构成施密特触发器图3-2555构成施密特触发器的波形图②构成单稳态触发器如右图为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。并使2端电位瞬时低于1/3CCV，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。当Vc充电到2/3CCV时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。波形图如下：暂稳态的持续时间Tw（即为延时时间）决定于外接元件R、C的大小，Tw=1.1RC。通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。三、555构成的电压频率转换电路电路中，NE555的振荡频率由VT2进行控制，其3脚输出波形的低电平期间(输出波形的T1期间)，由于VTI截止，VT2导通有电流Ic2流通，其大小受Al输出电压的控制。C2的放电时间T1=C2U2/（2Ic2),，式中，Uz为VD1的稳定电压。NE555输出高电平时，电流由其3脚经VD3.R2与C2流通。这时VTl转为饱和导通，VT2的基极相当于短路，因此VT2截止，其集电极电流Ic2为零。C2的充电时间T2由R2阻值决定。VT2的发射极输出的脉冲波形如图中所示。T1期间的电压等于Ic2xRl;T2期间电压为零。VT2的发射极脉冲电压的平均值等于输入电压Ui时，电路达到平衡状态，即由此可知，输出频率fo与输入电压Ui成比例。电路中，VTl对恒流晶体管VT2进行通断控制，并对Al的反馈电压进行补偿，防止T2(它与输人电压无关)产生的非线性。T1时间比T2短时，电路迸人饱和状态，因此振荡频率的上限由T2的长短决定，即f(omax)=l/(2T2)。改变R2阻值可调整刀的长短，这样f(omax)可达2OkH，电路能稳定工作。（三）由四片161构成0~9999范围的计数器使用4片74LS161十进制计数器串行连接，构成65536进制的数，然后整体置数制成10000进制的数。七、整体实验方案(一)V/F转换器最终确定的电压-频率转换器电路的原理图如下图所示(R1为可调电阻):在该电路中，通用运算放大器uA741被接成了积分器的形式。输入电压经R3、R4分压后送入uA741的3脚作为参考电压。假设Q1管截止，那么就有IR1R2=IC1，Vi给C1充电，uA741的6脚的电压不断下降。当uA741的6脚的电压下降到NE555的5脚的电压的