数字积分器

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1、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010V，积分时间110 秒，步距1 秒。 2.积分值为00009999。 3.误差小于1%1LSB 4.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 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

2、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 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

3、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

4、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，U

5、io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 o 1f1 ioURRRU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。0pniooUIII+-+RfR1RU+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，可达纳安量级；对 MOS 运放，可达皮安量级。ibIibI+-+RfR1RU+U-Uo图 2.6-3 测试失调电压的电路

6、（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 /j1jAUUUAT2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 1

7、61 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。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

8、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。 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=

9、R1+R2 , R3=R4 则有 1 711121 2121CUtRViRViCUtRVicc放放充充FCVUUcc81025 . 211放充Q 87810521 2110521放充tRViRVitRVi解得 77771101101RRRR VitViRt放充2777771011011 RRRViRRRRRVitttfT放充设 R7=5k, Vi=1V , 则输出频率 f 应为 100Hz代入可得 010510852RR解得 R(1)=5.278k R(2)= 94.72k(采用此值) 至此确定:R1为 100k 可调电阻, R2=51k, R1+R295kR3=R4=2.1k，R7=5KC1

10、=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: kRR51221(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221 7RRR0)(21 RRddf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 5 脚的电 压为 10V。因

11、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。12211.11C1 F R910k R C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四位十六进制计数器的电路原理图如下：在第一个 74L

12、S161 (U1)的 2 脚(clock)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：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

13、工作。继而将三个部分相互连接以完成整个电路。2、单稳电路调试： 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

14、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，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，