数字积分器.doc

1、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 010V， 积 分 时 间 110 秒 ， 步 距 1 秒 。2.积 分 值 为 00009999。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 1

2、0 次 ， 输 出 为1000。 输 入 模 拟 量 的 范 围 为 010V， 通 过 10 次 积 分 ， 输 出 积 分 值 为 00009999。 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

3、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 74160 3 片 7406 2 片 74LS08 1 片 7406N 1 片OPAMP741 2 片 LM556CM 1 片 75LS08 电阻和电容若干 调零电位器：100K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 741

4、60 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-upun ipinui uo

5、io +-+ 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 o1fio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 I

6、io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。0pniooUII+-+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)(21UII对双极型运放， 可达纳安量级；对 MOS 运放， 可达皮安量级。ibI ibI+-+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 0npo/j1j AU式中： A0为直流增益； 0=2 f0为 3dB 角频率， f0通常在 10Hz 以下。在无

7、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。 maxoRdtuS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

8、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 1finoRu+-+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

9、电流 foRUI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omfRf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 1finoRU+-+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 ，运放是理想的，则V0)(outxuR

10、Ct0inod)(1)(如果输入电压为阶跃信号， ，上式积分为initUtutino1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， ，则积分器的输出为ttu)(cs)(min)90cos(io tRCUtt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=R uouin C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

11、，如图 4 所示。为了减小由 Rf引起的积分误差，一般取 Rf 10R。（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

12、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 5K 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和 。A1 和 A2 的输出端控制 RS 触发器状态和放电管开关状态。2/3CV1/C当输入

13、信号输入并超过 时，触发器复位，555 的输出端 3 脚输出低电2/3CV平，同时放电，开关管导通；当输入信号自 2 脚输入并低于 时，触发1/CV器置位，555 的 3 脚输出高电平，同时放电，开关管截止。是复位端，当其为 0 时，555 输出低电平。平时该端开路或接 VCC。DRVc 是控制电压端（5 脚） ，平时输出 作为比较器 A1 的参考电平，2/3CV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

14、7 的电容器提供低阻放电电路。 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 、Vi 和 Vo 的波形图。SV设被整形变换的电压为正弦波 ，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 上升到时，Vo 从高电平转换为低电平；当 Vi 下降到 时，Vo 又从低2/3CV 1/3CV电平转换为高电平。 回差电压：V= VC3132图 3-1 555 构成施密特触发器 图 3-2 555 构成施密特触发器的波形图 构成单稳态触发器 如右图为由 555 定时器和外接

15、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 ，低电平比较器动作，单1/3CV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 时，高电平比较器动作，比较器 A1 翻转，输出 Vo/3CV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

16、、C 的大小，T w=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。NE

17、555 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，

18、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 09999 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。

19、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 脚的电压的一半也就是 2.5V 时 NE555 状态翻转，3 脚输出高电平 15V，Q1 导通，C1 放电，uA741的 6 脚的电压上升。当该电压上升至 NE555 的 5 脚的电压 5V 时 NE555 的状态再次翻转，Q1 截止，电容 C1 再次被充电。电路输出一个周期的脉冲方波振荡信号。 NE555 的 7 脚是集电极开路输出，R6 为上拉电阻，其上端接至 +5V 从而使得电压 -频率转换器的输出与TTL 电平相匹配。

20、NE555 的 7 脚是集电极开路输出， R6 为上拉电阻，其上端接至+5V 从而使得电压-频率转换器的输出与 TTL 电平相匹配。 下面计算确定 R1、R2 和 C1 的值：设 R=R 1+R2 , R3=R4 则有 17121CUtRViticc放放充充FCcc81025.21放充87810521放充 tRViti解得 7710RVit放充 277101 RViittfT 放充设 R 7=5k, Vi=1V , 则输出频率 f 应为 100Hz代入可得 015082R解得 R (1)=5.278kR(2)= 94.72k(采用此值)至此确定:R1为 100k 可调电阻, R 2=51k,

21、R 1+R295kR3=R4=2.1k，R 7=5KC1=0.02F该电压-频率转换器电路各点的波形如下图所示。波形左边的字符串为网络标号，它们已在上面的电路原理图的相应位置被标出。该波形为计算机仿真的结果，下同。上面所述电压-频率转换器电路为最终确定的方案。在最初的设计中：(1)R7的值为 ，这就使得: k5121(a)晶体管 Q1 的 ce 间的压降对电路线性的影响比较大。(b)计算可知，当 时， 。因此微调多圈可调217R0)(21df电阻 R1起不到调整输出频率的作用。因此，将 R7的值改为 5k 左右。(2) NE555 的 5 脚仅接有小电容而不接到+5V，这将使得 NE555 的

22、 5 脚的电压为 10V。因此，uA741 的输出电压就会在 5V-10V 间振荡。uA741 在输出为 5V-10V 时的输入电阻等的线性程度没有在其输出为 2.5V-5V 时好。故将 NE555 的5 脚接到电源+5V。不过这样做是否会使电路的精度有可以测量到的改善尚待计算和实验证实。(二) 单稳电路(积分时间)用于控制积分时间的单稳态电路的原理图如下：该电路为 555 时基集成块组成非可重复触发单稳态电路时的标准电路。12. CF R90k秒当 时该单稳态电路各点的波形如下图所示：(三)四位十六进制计数器四位十六进制计数器的电路原理图如下：在第一个 74LS161 (U1)的 2 脚(c

23、lock)输入计数脉冲。当计数进行到 9 (1001B)时与该 74LS161 输出相连的与非门输出低电平。这样当下一个计数脉冲到来的时候，由于 74LS161 的 为低电平，故 74LS161 被置数为 0。这样LD就把 16 进制计数器改为了十进制计数器。同时，与非门的输出还可以作为下一片 74LS161 的时钟信号。(四)设计方案整体 整个数字积分器电路各点的波形如下整个数字积分器的电路原理图如下：八、电路调试主要步骤：1、分块连接最后完成整个电路：分别单独连接好电压-频率转换电路、单稳电路、四位十六进制计数器的电路，分别确认它们可以正常工作。继而将三个部分相互连接以完成整个电路。2、单

24、稳电路调试：将单稳的 555 电路的输出端接到示波器上，调整决定单稳态电路稳定时间的电阻，使得单稳电路的稳定时间在 1 秒左右。3、四位十六进制计数器电路调试：将面包板上的固定脉冲接到低位 161 的 CP 端，测试计数器是否正常计数。4、压频转换电路调试：将面包板上的可调电压调至整数接到压频转换的输入端，施密特 555 的输出端连接到示波器上，观察所得波形与所需波形是否一致，对电路中的电位器进行微调已得到所需的准确的波形。5、完成整个电路：将分别调试好的三块电路彼此连接，最终完成所需电路。虽然计数器高位还有进位的问题，但是其他模块已经基本成功了，耐心的调试推理，发现原来是与非门的一个管脚折了

25、，而我们恰恰是使用了这个管脚用来向高位进位。最后在调试压频转换那部分电路时，发现积分的数据总是相差 190 左右，无论如何拧滑动变阻器的螺丝，都无济于事，经计算，只有将和电位器串联的电阻更换一个阻值更大的，才能达到按目的积分的效果，预是我们更换了一个 300 千欧的大电阻，通过电压的转换，每个情况下积分数据合格，达到了目的。九、心得体会本次课程设计对比与上次更难一些，很多原理都是课本上没有的，需要上网查找，然后去进一步理解，弄明白它的原理。特别是它所使用的积分器，555定时器，以及 16 进制计数器，虽然我们都学过，但是想把它们，合起来使用特别困难，它的使用方法，不想课本上的那样简单。所以这些都要花很长时间去理解它的方法，终于明白理论与实际的差别。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程.”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础.总之，课程设计带给我的收获与喜悦，