中频自动增益数字电路研究

中频自动增益数字电路研究姓名XX学号122110XX同组成员OO122110OO数电教师郭勇时间2014/11/3目录一实验目的........................................................1二技术指标及设计要求..............................................11基本要求.....................................................12发挥部分.....................................................1三设计方案及论证..................................................21基本要求.....................................................2（1）任务分析................................................2（2）方案及系统结构设计......................................2（3）具体电路设计............................................3（4）测试结果及分析..........................................42发挥部分.....................................................5（1）任务分析及方案比较......................................5（2）系统结构设计............................................6（3）具体电路设计............................................8（4）仿真结果及分析..........................................8四实验研究与思考.................................................10五心得体会.......................................................11六参考文献.......................................................121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。一实验目的及实验特点1实验目的：1、掌握中频自动增益数字电路设计可以提高学生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可以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、培养学生通过现象分析电路结构特点，进而改善电路的能力。2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.用模拟信号的输入和输出波形，设计控制增益数字电路，展开思路，体现开放性。二、技术指标及设计要求1基本要求（1）用加法器实现2位乘法电路。（2）用4位加法器实现可控累加（加/减，-9到9，步长为3）电路。最大数字和为两位10进制数18。(要求二进制转化为十进制电路设计不能用模块74185)2发挥部分（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。3实验研究（1）加法器实现2位乘法电路原理？2（2）D/AC0832工作方式有哪些？（3）引入竞争与冒险现象，探究其产生原因。（4）测量输出信号失真方法有哪些？（5）估算或测量发挥部分（2）输入到输出的时间？（6）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？（7）当输出成为一条直线时，能否达到自动增益控制的目的？（8）输出负载改为8Ω，应如何修改电路？三设计方案及论证1基本要求（1）任务分析由计算公式1-1可知，两个二进制数（A1A0与B1B0）相乘，可得到四位二进制数分别相乘的积（A1B1，A1B0，A0B1，A0B0），令S2=A1B1，S1=A1B0+A0B1，S0=A0B0，则输出S2、S1、S0即可。公式1-1（2）方案及系统结构设计采用四位快速进位加法器74LS283和与门74LS08，其中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1-1所示。3图1-174LS08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，其逻辑图与引脚图如图1-2所示。图1-274LS238逻辑图与引脚图电路的结构图如图1-3所示。4图1-3乘法器电路结构图（3）具体电路设计图1-4用加法器实现2位乘法电路图如图1-4所示，用加法器实现2位乘法电路的电路图由两个芯片构成，分别是74LS08与74LS283。两个两位二进制数A1A0与B1B0在74LS08中进行了与运算，即相乘后产生四个二进制数A1B1、A1B0、A0B1、A0B0，进入了74LS283中，经过全加器的运算产生S3S2S1S0，其中S3=0，S2=A1B1,S1=A1B0+A0B1,S0=A0B0，连接数码管后即可输出计算结果。（4）测试结果及分析表格1-1理论与测试结果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）111199111066110133VCC5VS1U1A74LS08DU1B74LS08DU1C74LS08DU1D74LS08DU274LS283DSUM_410SUM_313SUM_14SUM_21C49B411A412B315A314B22A23B16A15C07U3DCD_HEX_YELLOW5110000101166101044100122100000011133011022010111010000001100001000000100000000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。2发挥部分（1）任务分析及方案比较本题的关键在于峰值捕获，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，以下是我们在分析实验时的两种方案。方案一：将信号通过其峰值作为的参考电压的ADC获得该信号每时每刻对峰值的占比，再将该比值通过不同参考电压的DAC来恢复出频率、波形一致，振幅稳定在一定范围内的输出信号。这种思路的优点是精度比较高，而且ADC和DAC都可以作为理想元件处理，不需要考虑实际元件的各种特性，只要能够达到理想元件的要求即可实现。缺点是ADC只能处理正信号，因此一个正弦信号必须通过全波整流，或者分出一路信号经反相器来分别处理，其对应DAC的结果再次过反相器来还原，最终通过模拟加法器来恢复整个信号，需要元件多，电路复杂；方案二：直接将峰值经过要求的输出电压为参考电压的ADC，获得一个信号对应的线性变化系数，再将输入信号通过一个以此变化系数作为数据输入的非理想DAC，也即是通过调整DAC芯片的接法（乘、除）和反馈电阻大小来与此系数配合，实现输入信号的幅值控制。这种思路的优点是需要元件少，电路简单，不需要对输入信号分正负处理；缺点是需要考虑模拟因素，需要通过计算来确定反馈电阻的大小，从而造成精度比较低。6以上两种方案是获取峰值之后的对信号的处理方法，下面两种方案是捕获一个正弦信号的峰值的方法。方案一是纯数字比较。具体实现是将原信号通过一个参考电压大于其最大可能幅值的ADC，获得一个二进制数据Dn，并通过一个与ADC共时钟的寄存器M将其保存下来，那么每一时刻都有ADC的输出数据Dn和M保存的上一时钟周期的ADC数据Dn-1。将Dn和Dn-1通过一个数据比较器进行比较，将比较器的输出端通过JK触发器进行逻辑运算，使得当ADC的数据增大时JK触发器输出0，ADC数据减小时JK触发器输出1。至此，以JK触发器的输出作为另一个输入连接M输出的寄存器N的时钟信号，即可实现将任意ADC数据波形的峰值数据保存下来。将此峰值数据通过一个参考电压与ADC相同的DAC，即可将信号的峰值准确恢复出来。这种思路优点是速度快，理论上可以实现一个周期内捕获信号峰值，而且比较部分通过数字实现，精度高；而缺点也很明显，就是受误差影响很大，尤其在波形不稳定，经常出现抖动、毛刺的情况下会导致捕获到错误的峰值，而且对ADC的采样速度有较高要求，如果ADC采样速度低则会导致峰值有偏差，因此实际电路中我们并未采取这种方法。方案二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。考虑到题目要求并不十分严格，所以我们最终采取了基于这种思路的方案二。（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74LS85构成八位比较器，7485管脚图如图2-1所示，采用74LS08相结合周期清零构成峰值异步清零，74LS08管脚图如图1-1所示，对于周期性清零是用74LS161与74LS22结合形成周期性清零,用74LS373（管脚图如2-2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。7图2-17485引脚图图2-174373引脚图D/AC0832采样频率为八位的D/A转换芯片，它的管脚图及内部电路图如图2-3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2-3D/AC0832的管脚图及内部电路图8（3）具体电路设计图2-4中频自动增益数字电路D/AC0832由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。运算放大器输出的模拟量u0为：uo=−iRf=−uREFRf2nR∑Di2in−1i=0所以由式4-1可以看出输出的模拟量uo与数字量（∑Di2in−1i=0）成线性关系。即可实现可控的乘/除法。（4）仿真结果及分析9图2-550mV仿真结果10图2-65V仿真结果由此可见，仿真完全正常，输出信号没有产生失真，幅值范围成功控制在3-4V之间，此电路图是正确的。四实验研究与思考（1）加法器实现2位乘法电路原理？11两个二进制数（A1A0与B1B0）相乘，可得到四位二进制数分别相乘的积（A1B1，A1B0，A0B1，A0B0），令S2=A1B1，S1=A1B0+A0B1，S0=A0B0，则输出S2、S1、S0即可。（2）D/AC0832工作方式有哪些？D/AC0832工作方式包括双缓冲工作方式、单缓冲工作方式和直通型工作方式。（3）操作中引入竞争与冒险现象，探究其产生原因。