1、北京交通大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中頻自動(dòng)增益數(shù)字電路研究i數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中頻自動(dòng)增益數(shù)字電路的研究學(xué)院:專業(yè):學(xué)號(hào):學(xué)生:小組成員電子信息工程學(xué)院通信工程13211110北京交通大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中頻自動(dòng)增益數(shù)字電路研究目錄第一章 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述及目的 41.1實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述41.2實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.3實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)4第二章設(shè)計(jì)任務(wù)要求42.1 基本要求422發(fā)揮部分5第三章設(shè)計(jì)方案及論證53.1 基本部分53.1.1 任務(wù)分析53.1.2 實(shí)驗(yàn)方案63.1.3 方案及系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 73.1.4 具體電路設(shè)計(jì) 93.1.5 測(cè)試結(jié)果及分析 103.2 發(fā)揮部分113.2.1 任務(wù)分析及方案比較 113.2.2

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12323 具體電路設(shè)計(jì) 14324 仿真結(jié)果及分析 153.2.5 實(shí)物電路圖17第四章實(shí)驗(yàn)思考與總結(jié)194.1 研究與思考194.2 實(shí)驗(yàn)總結(jié)204.3 參考文獻(xiàn)217第一章實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述及目的1.1實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述自動(dòng)增益數(shù)字控制電路是一種在輸入信號(hào)變化很大的情況下，輸出信號(hào)保持恒定或在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)的電路。 在通信設(shè)備中，特別是在通信接收設(shè)備中起著重要的作用。它能夠保證接收機(jī)在接收弱信號(hào)時(shí)增益高，在接收強(qiáng)信號(hào)時(shí)增益低，使輸出保持適當(dāng)?shù)碾娖剑恢劣谝驗(yàn)檩斎胄盘?hào)太小而無法正常工作，也不至于因?yàn)檩斎胄盘?hào)過大而使接收機(jī)發(fā)生堵塞或飽和。1.2實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握中頻自動(dòng)增益數(shù)字電路設(shè)計(jì)可以提高學(xué)生

3、系統(tǒng)地構(gòu)思問題和解決問題的能力。2. 通過自動(dòng)增益數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)可以系統(tǒng)地歸納用加法器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)加法、減法、乘法、除法和數(shù)字控制模塊電路技術(shù)。3. 培養(yǎng)學(xué)生通過現(xiàn)象分析電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而改善電路的能力。1.3實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)1. 給出不同功能數(shù)字電路，設(shè)計(jì)數(shù)字控制電路，體現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字控制性能。2. 用模擬信號(hào)的輸入和輸出波形，設(shè)計(jì)控制增益數(shù)字電路，展開思路，體現(xiàn)開放性。第二章設(shè)計(jì)任務(wù)要求2.1 基本要求(1)用加法器實(shí)現(xiàn) 2位乘法電路。2.2 發(fā)揮部分(1) 設(shè)計(jì)一個(gè)電路，輸入信號(hào)50mV到5V峰峰值，1KHZ- 10KHZ的正弦波信號(hào)，輸出信號(hào)為3到4V的同頻率，不失真的正弦波信號(hào)

4、。精度為 8位，負(fù)載500Qo(2) 發(fā)揮部分(1 )中，若輸出成為直流，電路如何更改。第三章設(shè)計(jì)方案及論證3.1 基本部分3.1.1 任務(wù)分析(1)用加法器實(shí)現(xiàn) 2位乘法電路。用加法器實(shí)現(xiàn)兩位乘法，可考慮利用乘法電路的乘法公式，將相應(yīng)數(shù)的高位和低位依次對(duì)應(yīng)相乘，將乘得的結(jié)果按照乘法公式依次送入74LS283的輸入端。由計(jì)算公式3-1可知，兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)(A1A0與B1B0)相乘，可得到四位二進(jìn)制數(shù)分別相乘的積(A1B1, A1B0, A0B1, A0B0),令 S2=A1B1, S1= A1B0+A0B1, S0=A0B0,則輸出 S2、S1、S0即可。,4i Bo+ Ai Bi Aq BiS

5、2 Si Aq Eq式3-13.1.2 實(shí)驗(yàn)方案方案一根據(jù)二進(jìn)制數(shù)的乘法公式，設(shè)兩位二進(jìn)制分別為A1、A0和B1、B0,輸出從高位到低位依次為 S3 S2、S1、SO,其中 S0=A0*B0, S仁A0*B1+A1*B0, S2=A1*B1+S1 可能產(chǎn)生的進(jìn)位，S3=S2可能產(chǎn)生的進(jìn)位。其中兩數(shù)相與可以用 74LS08（兩輸入四與門）實(shí)現(xiàn)，而加法可以用 74LS283 （四位二進(jìn)制超前進(jìn)位全加器）實(shí)現(xiàn)。方案二用74LS138的譯碼功能，將相與的兩位數(shù)送入地址選入端A、B,輸出端Y3為所得的結(jié)果，只有當(dāng)A、B處的數(shù)全為1時(shí)，輸出Y3才為1,否則為0，這樣就達(dá)到了用 74LS138代 替與門74

6、LS08的效果。剩下的加法功能與方案一樣。方案比較：第一個(gè)方案用一個(gè)74LS08就可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)與門的功能，而第二種方案需要4個(gè)74LS138,顯然方案一更好，所以選方案一，但是方案二所采取的思想有較大的參考意義。3.1.3 方案及系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用四位快速進(jìn)位加法器74LS283和與門74LS08,其中任意兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)的乘運(yùn)算通過與門74LS08實(shí)現(xiàn)，它由四組2輸入端的與門（正邏輯）構(gòu)成，其引腳圖如圖3-1所示。Va 4A 4B 4Y 3A 3B 3Y廠1口門口口門口14 131211109TIET1234!；7LJ U LJ LJ LJ U U1A IB 1Y 2A 2B 2Y GND圖3-1

7、 74LS08弓I腳圖三個(gè)結(jié)果的求和通過將運(yùn)算結(jié)果輸入到加法器74LS283的不同位實(shí)現(xiàn)，它是四位二進(jìn)制全加器，其邏輯圖與引腳圖如圖3-2所示。5,.爪s.mB打GGUOD1B圖3-2 74LS23邏輯圖與引腳圖電路的結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。北京交通大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中頻自動(dòng)增益數(shù)字電路研究輸入A代與BBqABAB0AfjBj全抓牌1s.S2Ss0圖3-3乘法器電路結(jié)構(gòu)圖3.1.4 具體電路設(shè)計(jì)DCD HEX 7ELL0如圖3-4所示，用加法器實(shí)現(xiàn) 2位乘法電路的電路圖由兩個(gè)芯片構(gòu)成，分別是 74LS08 與74LS283。兩個(gè)兩位二進(jìn)制數(shù) A1A0與B1B0在74LS08中進(jìn)行了與運(yùn)算，即相

8、乘后產(chǎn)生四個(gè)二進(jìn)制數(shù) A1B1、A1B0 A0B1、AOBO,進(jìn)入了 74LS283中，經(jīng)過全加器的運(yùn)算產(chǎn)生 S3S2S1SQ 其中S3=Q, S2=A1B1,S仁A1BQ+AQB1,SQ=AQBQ連接數(shù)碼管后即可輸出計(jì)算結(jié)果。3.1.5 測(cè)試結(jié)果及分析表格3-1理論與測(cè)試結(jié)果A）（二進(jìn)制）Aq（二進(jìn)制）B1 （二進(jìn)制）Bo（T# 制）理論結(jié)麋（十進(jìn)制）測(cè)試結(jié)果 （十進(jìn)制）1111991110661101331100001011661010斗4100121000000111011020101110100000011P 00001000000100P 00P 0000實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一

9、致，此電路圖是正確的。3.2 發(fā)揮部分3.2.1任務(wù)分析及方案比較本題的關(guān)鍵在于峰值捕獲，如果能確定一個(gè)信號(hào)的峰值，那么就有多種方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)增 益的自動(dòng)控制，以下是我們?cè)诜治鰧?shí)驗(yàn)時(shí)的兩種方案。方案一：將信號(hào)通過其峰值作為的參考電壓的ADC獲得該信號(hào)每時(shí)每刻對(duì)峰值的占比，再將該比值通過不同參考電壓的DAC來恢復(fù)出頻率、波形一致，振幅穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)的輸出信號(hào)。這種思路的優(yōu)點(diǎn)是精度比較高，而且ADC和DAC都可以作為理想元件處理，不需要考慮實(shí)際元件的各種特性，只要能夠達(dá)到理想元件的要求即可實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是ADC只能處理正信號(hào)，因此一個(gè)正弦信號(hào)必須通過全波整流，或者分出一路信號(hào)經(jīng)反相器來分別處理，其對(duì)應(yīng)

10、DAC的結(jié)果再次過反相器來還原， 最終通過模擬加法器來恢復(fù)整個(gè)信號(hào)，需要元件多，電路復(fù)雜；方案二：直接將峰值經(jīng)過要求的輸出電壓為參考電壓的ADC獲得一個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的線性變化系數(shù)，再將輸入信號(hào)通過一個(gè)以此變化系數(shù)作為數(shù)據(jù)輸入的非理想DAC也即是通過調(diào)整DAC芯片的接法（乘、除）和反饋電阻大小來與此系數(shù)配合，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的幅值控制。這種思路的優(yōu)點(diǎn)是需要元件少，電路簡(jiǎn)單，不需要對(duì)輸入信號(hào)分正負(fù)處理；缺點(diǎn)是需要考慮模擬因素，需要通過計(jì)算來確定反饋電阻的大小，從而造成精度比較低。以上兩種方案是獲取峰值之后的對(duì)信號(hào)的處理方法，下面兩種方案是捕獲一個(gè)正弦信號(hào)的峰值的方法。方案一是純數(shù)字比較。具體實(shí)現(xiàn)是將原信號(hào)

11、通過一個(gè)參考電壓大于其最大可能幅值的ADC獲得一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù) Dn,并通過一個(gè)與ADC共時(shí)鐘的寄存器M將其保存下來，那么每 一時(shí)刻都有ADC的輸出數(shù)據(jù)Dn和M保存的上一時(shí)鐘周期的 ADC數(shù)據(jù)Dn-1。將Dn和Dn-1通 過一個(gè)數(shù)據(jù)比較器進(jìn)行比較，將比較器的輸出端通過JK觸發(fā)器進(jìn)行邏輯運(yùn)算，使得當(dāng)ADC11北京交通大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中頻自動(dòng)增益數(shù)字電路研究的數(shù)據(jù)增大時(shí)JK觸發(fā)器輸出0，ADC數(shù)據(jù)減小時(shí)JK觸發(fā)器輸出1。至此，以JK觸發(fā)器的輸 出作為另一個(gè)輸入連接 M輸出的寄存器N的時(shí)鐘信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)將任意ADC數(shù)據(jù)波形的峰值 數(shù)據(jù)保存下來。將此峰值數(shù)據(jù)通過一個(gè)參考電壓與ADC相同的DAC即可將

12、信號(hào)的峰值準(zhǔn)確恢復(fù)出來。這種思路優(yōu)點(diǎn)是速度快， 理論上可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)捕獲信號(hào)峰值，而且比較部分通過數(shù)字實(shí)現(xiàn)，精度高；而缺點(diǎn)也很明顯，就是受誤差影響很大，尤其在波形不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn) 抖動(dòng)、毛刺的情況下會(huì)導(dǎo)致捕獲到錯(cuò)誤的峰值，而且對(duì)ADC的采樣速度有較高要求，如果ADC采樣速度低則會(huì)導(dǎo)致峰值有偏差，因此實(shí)際電路中我們并未采取這種方法。方案二是創(chuàng)造一個(gè)不斷升高的電壓檔位信號(hào)與輸入信號(hào)作電壓比較，將比較結(jié)果通過邏輯運(yùn)算確定當(dāng)前信號(hào)幅值的對(duì)應(yīng)檔位，再借此控制輸入信號(hào)的乘除倍數(shù)來實(shí)現(xiàn)增益控制。在本方案中，檔位信號(hào)是通過計(jì)數(shù)器控制一個(gè)參考電壓穩(wěn)定且大于信號(hào)最大可能幅值（實(shí)際取5V）的DAC的數(shù)據(jù)輸入來實(shí)

13、現(xiàn)的。 檔位信號(hào)在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)保持不變，因此總有與信號(hào)最大幅值作比較的機(jī)會(huì)， 從而可以穩(wěn)定捕獲峰值， 但是同時(shí)也要求檔位信號(hào)的周期（2M次電壓遞增，n位DAC勺位數(shù)）必須大于輸入信號(hào)最大周期的2An倍。這種思路的優(yōu)點(diǎn)是能穩(wěn)定捕獲峰值，可以處理有較大誤差的信號(hào)，不會(huì)出現(xiàn)失真；缺點(diǎn)是捕獲速度慢，如果輸入信號(hào)的幅值正好是最大可能幅值，則需要經(jīng)過2An個(gè)最大周期才能捕獲峰值，尤其是當(dāng)要求精度很高即 n值很大時(shí)，捕獲時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)。 考慮到題目要求并不 十分嚴(yán)格，所以我們最終采取了基于這種思路的方案二。3.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換”然后用兩個(gè)74LS85構(gòu)成八位比較器，748

14、5管腳圖如圖3-5所示，采用74LS08相結(jié)合周期清零構(gòu)成峰值異步清零，74LS08管腳圖如圖3-1所示，對(duì)于周期性清零是用74LS161與74LS22結(jié)合形成周期性清零，用74LS373 （管腳圖如3-6所示）完成第一鎖存與第二鎖存，最后通過D/AC0832整個(gè)過程完成除法器與數(shù)模轉(zhuǎn)換，形成穩(wěn)定信號(hào)。835：VCCABki1413 .A2AetC$ 12aiABouiC6U：biiA Bovt LMgndCs 9-bo-CQDDQQDDQD-Q 1223344mGS 987654 321Mt fl 1 *1 4 -liu12 3-4 567 ccrHccruccErLrvcaDDQCDDQ.

15、#V 8 8 7 7 6 6 5 5c圖3-5 7485管腳圖圖3-6 74LS373管腳圖D/AC0832采樣頻率為八位的 D/A轉(zhuǎn)換芯片，它的管腳圖及內(nèi)部電路圖如圖 3-7所示, 其中I0UT1是電流輸出端1,其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化。DAC0832輸出的是電流， 一般要求輸出是電壓，所以還必須經(jīng)過一個(gè)外接的運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓。|23圖3-7 D/AC0832的管腳圖及內(nèi)部電路圖323具體電路設(shè)計(jì)圖3-8中頻自動(dòng)增益數(shù)字電路D/AC0832由倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、運(yùn)算放大器和參考電壓VREF四大部分組成。運(yùn)算放大器輸出的模擬量uO為：n-1= -Rf =-Dj2nRL

16、=0（式 3-2）（n-i 由式3-2可以看出輸出的模擬量 uo與數(shù)字量 S 成線性關(guān)系。即可實(shí)現(xiàn)可 控的乘/除法。324仿真結(jié)果及分析Digital (lwillnsffMy*圖3-9 50mv仿真結(jié)果卜” .1 T i + E 5二囂畧* 一益M二切 亠士3;|:春圖3-10 5v仿真結(jié)果3-4V之間，此電路圖是正仿真完全正常，輸出信號(hào)沒有產(chǎn)生失真，幅值范圍成功控制在 確的。325實(shí)物電路圖我們連的電路圖:第一次出來的圖形:經(jīng)過第二次重新連線，調(diào)試，出來的圖形就正常了，如下:第四章實(shí)驗(yàn)思考與總結(jié)4.1 研究與思考（1）加法器實(shí)現(xiàn)2位乘法電路原理？?jī)蓚€(gè)二進(jìn)制數(shù)（A1A0與B1B0）相乘，可得

17、到四位二進(jìn)制數(shù)分別相乘的積（A1B1, A1B0,A0B1, AOB0）,令 S2=A1B1, S仁A1B0+A0B1 SO=AOBQ 則輸出 S2、S1、SO 即可。（2）D/AC0832工作方式有哪些？D/AC0832工作方式包括雙緩沖工作方式、單緩沖工作方式和直通型工作方式。（3）操作中引入競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)現(xiàn)象，探究其產(chǎn)生原因。在實(shí)際電路中，由于信號(hào)變化時(shí)的過渡過程不一致和門電路的傳輸延時(shí)的存在，會(huì)使電路產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)現(xiàn)象。其中，將一個(gè)門電路多個(gè)輸入端信號(hào)同時(shí)跳變，或者一個(gè)信號(hào)經(jīng)由不同的路徑傳到同一個(gè)門的輸入端致使信號(hào)到達(dá)的時(shí)間不同的現(xiàn)象稱為競(jìng)爭(zhēng)，由于競(jìng)爭(zhēng)而可能在電路輸出端產(chǎn)生尖峰脈沖的現(xiàn)象稱

18、為冒險(xiǎn)。（4）測(cè)量輸出信號(hào)失真方法有哪些？測(cè)量輸出信號(hào)失真有直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N方法。直接測(cè)量法：失真度儀由輸入電平調(diào)整電路、基波抑制電路和電子毫伏表等三部分組成。被測(cè)信號(hào)輸入電平調(diào)整電路后，將開關(guān)置于“1”位置，電子毫伏表指示在滿度（1伏）。將開關(guān)撥向“ 2”，調(diào)整基波抑制電路使基波抑制到最低限度。這時(shí)毫伏表的刻度即為基波與諧波電壓有效值之比，直接指示失真度。間接測(cè)量法：被測(cè)信號(hào)通過開關(guān) S的“1”位置，經(jīng)基波抑制電路調(diào)諧后，由毫伏表指 示全部諧波電壓值； 然后將開關(guān)S接至“ 2”，并調(diào)整衰減器使毫伏表指示原來位置。從衰減 器度盤上讀出失真度。此法操作復(fù)雜，但測(cè)量精確度較高。（5）估算或測(cè)

19、量發(fā)揮部分（2）輸入到輸出的時(shí)間？輸入輸出時(shí)間差主要是在DAC0832造成的。（6）A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路的參考電壓和輸出最大電壓有什么關(guān)系？R “L KEF最大輸出電壓和參考電壓的關(guān)系是：（7 ）當(dāng)輸出成為一條直線時(shí)，能否達(dá)到自動(dòng)增益控制的目的？不能達(dá)到自動(dòng)增益的目地，我們所要的是找到合適的增益，并且使輸出和輸入波形變化一致。（8）輸出負(fù)載改為8 Q,應(yīng)如何修改電路？修改驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路的電阻，使其能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載。4.2 實(shí)驗(yàn)總結(jié)在本次數(shù)電實(shí)驗(yàn)中， 我們主要做了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)， 一個(gè)是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)用加法器實(shí)現(xiàn) 2位乘法電 路，一個(gè)是發(fā)揮實(shí)驗(yàn)中頻自動(dòng)增益數(shù)字電路。其中第一個(gè)電路是自己做的，通過老師上課講解的大體原理，用加法器 74LS283和與門7