北京交通大学-数字电子技术实验报告

数字电子技术实验报告中频自动增益控制数字电路的研究姓名学号班级数电老师实验老师时间2014年11月目录1概述...........................................错误!未定义书签。2实验目的.......................................................33实验特点.......................................................34知识点和技术...................................................35实验内容.......................................................35.1基本实验...................................................35.1.1设计任务要求.........................................35.1.2设计方案及论证.......................................45.1.3实际电路连接.........................................65.1.4遇到的问题及注意事项.................错误!未定义书签。5.2发挥实验...................................................85.2.1设计任务要求.........................................85.2.2设计方案及论证.......................错误!未定义书签。5.2.3实际电路连接........................................156总结...........................................错误!未定义书签。7参考文献......................................................16概述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。2实验目的（1）掌握中频自动增益数字电路设计,提高实验者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,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）培养实验者通过现象分析电路结构特点，进而改善电路的能力。3实验特点（1）给出不同功能数字电路，设计数字控制电路，体现数字系统数字控制性能。（2）以模拟信号的输入和输出波形为条件，设计控制增益数字电路，展开思路，体现开放性。4知识点和技术（1）加法，乘法，除法，A/D转换电路，D/A转换电路，控制电路。（2）克服竞争冒险现象、失真现象，精度与速度矛盾，A/D转换和D/A技术等。5实验内容5.1基本实验5.1.1设计任务要求用加法器实现2位乘法电路，即实现以下等式：00X00=0000;00X01=0000;00X10=0000;00X11=0000;01X00=0000;01X01=0001;01X10=0010;01X11=0011;10X00=0000;10X01=0010;10X10=0100;10X11=0110;11X00=0000;11X01=0011;11X10=0110;11X11=1001.5.1.2设计方案及论证5.1.2.1任务分析通过以上计算可以看到，两位二进制的乘法运算，结果至多用4位二进制数表示即可。计算过程如下：图5-1乘法运算图5.1.2.2方案设计先通过与门进行与运算，再通过74LS283进行四位加法运算。5.1.2.3系统结构设计输入两个两位二进制数，通过逻辑门实现加法运算，然后用数码管显示计算结果。5.1.2.4具体电路设计采用四位快速进位加法器74LS283和与门74LS08。任意两个二进制数的乘运算通过与门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所示。图5-2与门74LS08引脚图三个结果的求和通过将运算结果输入到加法器74LS283的不同位实现，它是四位二进制全加器，其引脚图如图3所示。图5-3加法器74LS283引脚图仿真电路：图中先输入两位二进制数，其中74LS08是四个与门，分别实现的是A0B0、A0B1、A1B0、A1B1与运算；74LS283为带进位的四位二进制加法运算器，实现了加法运算，进位端接地即可。5.1.3实际电路连接实验箱电路连接如下：图5-3基本实验电路连接5.1.4遇到的问题第一次实验箱连接完电路之后，电路在计算3*3时数码管始终显示的是8，2*2的结果是3，其它情况下显示的结果都没错。我们认为是连接电路时某些引脚没有连对，导致了计算错误。经过讨论我们决定拆了，重新连一次电路，而且这次比第一次更加熟练，更加细致，第二次电路显示的结果没有错误。通过本次试验我们体会到了连接电路需要谨慎，谨慎再谨慎，因为一旦某些导线连接的引脚不对或者把芯片的引脚号码弄错了，会很难检查出来，最后只能重来一次，重新开始。第二次测试的结果A1（二进制）A0（二进制）B1（二进制）B0（二进制）理论结果（十进制）测试结果（十进制）111199111066110133110000101166101044100122100000011133011022010111010000001100001000000100000000由上表可知，实际测试结果与理论计算结果一致，此电路图是正确的。5.2发挥实验5.2.1设计任务要求（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。1.1.1（1）任务分析与方案设计题目的重点之一在于峰值捕获，如果能确定一个信号的峰值，那么就有多种方法实现信号增益的自动控制。我们的方案是创造一个不断升高的电压档位信号与输入信号作电压比较，将比较结果通过逻辑运算确定当前信号幅值的对应档位，再借此控制输入信号的乘除倍数来实现增益控制。在本方案中，档位信号是通过计数器控制一个参考电压稳定且大于信号最大可能幅值（实际取5V）的DAC的数据输入来实现的。档位信号在输入信号的一个周期内保持不变，因此总有与信号最大幅值作比较的机会，从而可以稳定捕获峰值，但是同时也要求档位信号的周期（2^n次电压递增，n位DAC的位数）必须大于输入信号最大周期的2^n倍。这种思路的优点是能稳定捕获峰值，可以处理有较大误差的信号，不会出现失真；缺点是捕获速度慢，如果输入信号的幅值正好是最大可能幅值，则需要经过2^n个最大周期才能捕获峰值，尤其是当要求精度很高即n值很大时，捕获时间会比较长。题目的重点之二在于自动增益，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。把信号ui进过A/D转换，得到的信号的数字量代入后的除法电路的D中求出增益71iii8fi0uD22RR-uuA很明显这个符合大信号小增益小信号大增益的要求，下面我们来定量的分析这个结果。当输入信号ui0时，输入信号经过ADC0809后的的的数字量为REFiUu255D再把我们的结果代入后得到REFfREFf8REFif8i0URRURR2552Uu2551RR2-uu可见当ui0的时候输出是一个定值，虽然符合了自动增益的要求，但是这已经不是正弦信号了。而且当ui0的时候D=0,这个时候显然是没有意义的，运放输出有限就变成矩形波了也不满足题目的要求。为了解决这两个问题，我们要求出在1s内求出D的最大值Dmax1s来作为除数。这样意义上式1-3就是一个幅度表达式了，而不是实时输出信号的值了。题目要求输入信号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。我们把UREF=2.5V，确保A/D转化的精度最高。因为内部权电阻R=10KΩ不能改变，所以反馈电阻Rf=15KΩ，确保输出信号在3到4V之间。1.1.2（2）系统结构设计首先对输出信号进行数模转换，然后用两个四位数值比较器74LS85（引脚图如图5所示）构成八位比较器，采用74LS08相结合周期清零构成峰值异步清零（引脚图如图2所示），对于周期性清零是用同步四位二进制计数器74LS161（引脚图如6所示）与双4输入与非门74LS22（引脚图如7所示）结合形成周期性清零,用集成数码锁存器74LS373（引脚图如8所示）完成第一锁存与第二锁存，最后通过D/AC0832整个过程完成除法器与数模转换，形成稳定信号。D/AC0832采样频率为八位的D/A转换芯片，它的引脚图如图9所示，其中IOUT1是电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化。DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。图5四位数值比较器74LS85图6同步四位二进制计数器74LS161图7双4输入与非门74LS22图8集成数码锁存器74LS373图9DAC0832引脚图1.1.3（3）具体电路设计各部分功能介绍如下：A/D转换：芯片ADC0809图5-7A/D转换部分比较器：芯片7485图5-8比较器部分两级锁存器：芯片74LS373图5-9锁存器部分计数器清零：计数器74LS161，与门74LS08，非门74LS04，与非门74LS00，或非门74LS02图5-10计数器清零仿真结果：黄色代表输入波形，绿色代表输出波形，一格表示1V输入峰峰值50mV，1000Hz，输出峰峰值接近4V，1000Hz（示波器仿真结果）输入峰峰值500mV，1000Hz，输出接近4V，1000Hz输入峰峰值2V，1000Hz，输出峰峰值接近3.40V，1000Hz输入峰峰值4V，1000Hz，输出峰峰值接近3.40V，1000Hz可以看出，仿真的结果符合题目的设计要求。5.2.3实际电路连接实验箱电路连接：实验过程：虽然我们得到的仿真效果很好，但是第一次连接的电路中示波器并没有输出正弦波，后来我们改了几根导线，打开电源之后把74LS373烧坏了，一言以蔽之，第一次实验很失败。下午我们分析了实验失败的原因，决定把实验步骤做的更仔细：检查每一根导线是否导通，每片芯片贴标签，电查网搜芯片的引脚图PDF，重要的导线也贴标签。按照电路图一步步连线，完成之后我们还检查了几遍，第二次结果比第一次好很多，输出了正弦波形，但正弦波还是存在失真，很不稳定。研究与思考：（1）测量输出信号失真方法有哪些？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。（2）估算或测量发挥部分（2）输入到输出的时间？输入输出时间差主要是由DAC0832造成的。（3）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？最大输出电压和参考电压的关系是：REFf0URRu。（4）当输出成为一条直线时，能否达到自动增益控制的目的？不能达到自动增益的目的，输出波形应为正弦波，直线不满足要求。（5）输出负载改为8Ω，应如何修改电路？修改驱动负载电路的电阻，使其能够驱动负载。6总结7参考文献[1]侯建军．数字电子技术基础[M]．北京：高等教育出版社，2007:357~360.[2]路勇．模拟电子技术基础[M]．北京：北京交