北交大数电实验报告

数电实验报告学院：专业：学生姓名：学号：任课教师：2/15目录1基础部分：二位乘法器电路设计....................................31．1设计任务要求.............................................31．2设计方案.................................................31．3系统测试.................................................41．4实验小结.................................................52发挥部分：中频自动增益数字电路..................................62．1设计任务要求.............................................62．2设计方案.................................................62．3制作及调试过程..........................................112．4系统测试................................................132．5实验小结................................................143实验总结.......................................................154参考文献.......................................................153/151基础部分：二位乘法器电路设计1．1设计任务要求利用加法器设计一个以两位二进制数为乘数和被乘数的二输入乘法器，并用七段数码管显示。1．2设计方案（1）任务分析：通过观察乘法的运算步骤，将乘法运算转变为加法运算，利用加法器实现乘法器功能。（2）设计原理：题目要求实现二位的乘法，我们假设两个乘数用二进制分别为A1A0和B1B0，我们乘法展开见图1-1。从二位乘法展开式中可以看到，如果实现乘法的话要用到与门运算和加法运算。图1-1二位乘法展开通过运算过程可以看出，利用与门对输入的四位数据进行与操作，分别得到000XAB，110XAB，101YAB，211YAB，然后利用四位加法器，对3210XXXX与3210YYYY进行加法运算，输出3210即为乘法所得的结果，送入带有译码器的七段数码管显示即可。（3）具体电路设计：通过原理分析可知，需要使用4个与门和一个4位加法器来实现电路功能，与门选择74LS08芯片，四位加法器使用74LS283，根据设计思路容易得到仿真电路见图1-2。4/15图1-2二位乘法仿真电路其中，需要注意的是加法器的进位端和没有输入的端口都需要接地，进位端接地是因为无前级进位计算，无需累加进位；没有输入的端口接地表示该位为“0”。这个在后面的电路设计中都需要注意，在仿真中电路的悬空都是按0处理，而在实际电路中有时候是1有时候确实0，所有在实际的电路中悬空的输入端都要接地表示为0。1．3系统测试通过依次改变各个位的输入电平，观察数码管显示示数乘法运算的结果，输入及数码管输出结果如表4-1。表一4-1测试数据表输入数码管输出A3A2A1A0Z00000000100010000110010000101101102011135/151000010012101041011611000110131110611119测试数据完全符合乘法运算的规则，均为正确结果，所以证明电路设计正确，利用加法器实现乘法功能的思路可行。1．4实验小结虽说是基础实验，但第一次使用数电实验箱，第一次使用数字电路芯片，在开始的时候仍会有些手忙脚乱，但熟悉实验过程后，便变得得心应手。基础实验的安排着实有利于我们熟悉数字电路的特点，说是为后面的发挥部分打下基础一点都不为过。6/152发挥部分：中频自动增益数字电路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3~4V的同频率、不失真的正弦波信号。精度为8位，负载500Ω。（2）若输出成为直流，电路如何更改。2．2设计方案（1）任务分析：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。因此，就需要当输入大信号的时候电路的增益较小，输入小信号的时候电路的增益较大。（2）设计原理：根据实验提示（图2-1），该自动增益数字控制电路应分为五部分，第一部分是模数转换电路，它将输入的模拟信号按式2-1的方式转换成数字信号，并用8位二进制数字表示013701372222255iREFuDDDDU……（式2-1）图2-1自动增益数字控制电路原理图第二部分为数值比较电路，该部分用于比较模数转换所产生的数字大小，当新输入的数值大于之前输入的数值时，将新数值存入锁存电路，即实现记录信号峰值的功能。7/15第三部分为锁存电路，用于存放数字信号的峰值，由于信号峰值有可能从大变小，而此时再进行数值比较，新输入的信号始终会小于此时锁存器中的信号峰值，因此，考虑利用两片锁存芯片级联，第一片每隔一定时间自动清零，而第二片中始终存储来自第一片锁存器所记录的信号的峰值。第四部分为数模转换电路及放大电路，它实现的是如式2-2的数模转换功能，ioKuuD（式2-2）因为D为锁存器中所存储的输入信号的峰值，因此可得到电压增益的表达式如下：800137013722222iUGUDDDD……（式2-3）由此可等，电压增益是一个随信号峰值不断变化的值，当输入信号增大时，增益减小，当输入信号减小时，增益减小。（3）具体电路设计：根据以上实验原理，设计如下中频自动增益数字电路，如图2-2。图2-2中频自动增益数字电路i.第一部分：模数转换电路（如图2-3）模数转换功能由ADC0809CCD芯片实现，其管脚图如图2-4，IN0~IN7为8个标准的CMOS模拟开关，ADDA~ADDC为3位地址锁存器，8个模拟通道一一对应3位地址锁存器所组成的8种状态，设计图中选择模拟通道IN0，所以ADDA~ADDC均接地置零。将UREF设定为5V，将之送入比较器与输入模拟电压Ui进行比较，结果送入8位比较寄存器，因为START与ALE、EOC相连，所以在通道选定的同时开始A/D转换，上一次转换结束就开始下一次转换，直到转到最低位为止。转换后输出数字信号低4位传送到8位比较器的低位片，高4位传送到高位片。8/15图2-3模数转换电路图2-4ADC0809CCD的管脚图ii.第二部分：数值比较电路（如图2-5）8位数值比较电路由两片4位比较器7485级联构成，其管脚图如图2-6所示。低位片对低4位进行比较，因为没有更低位比较结果输入，其级联输入端IA》B、IA=B、IA《B应接0、0、1.高位片对高4位进行比较，级联输入端接低4位的比较器输出端。如果两个高4位数不等，则输出取决于高位片结果，否则取决于低4位。8位比较器输出结果用于协助控制门控信号，经模数转换器转换后的数字信号由8个与门74LS08传送到一级锁存器输入端。图2-5数值比较电路图2-67485管脚图iii.第三部分：锁存电路及双门控信号的控制（如图2-7）9/15该部分由两片74LS373锁存芯片、两片两输入与门74LS08芯片，74161计数器芯片、7422四输入与非门芯片、7404非门、7400与非门、7402或非门等构成。第一个门控信号由计数器U9以及几个非门、与非门控制。若要门控信号为1，则需过与非门两信号任一为1即可，即当峰值清零时或AB，满足任一条件时，信号可以通过一级锁存器。第二个门控信号由计数器控制，因为引线R为高电平，LD为低电平时为同步预置送数功能，计数器将输入的0000输出，当R=LD=1时，计数器计数工作。因为ENP、ENT=1，执行加1计数。Q3Q2Q1Q0由0001不断加一至1111，此时计数器经历15个计数脉冲，再加1时进位，进位输出CO为1，16个计数脉冲结束后计数器恢复初始状态。因此，每隔15个计数脉冲，峰值异步清零一次。图2-7锁存电路及双门控信号的控制每隔15个计数脉冲，峰值异步清零一次时，控制一级锁存LE=1，输入端数据由一级锁存器输出端输出。当然，若AB，输入端数据也由一级锁存器输出端输出，不断更新使B一直为峰值，这就保证了将峰值输出至二级锁存输入端。二级锁存器由计数器和非门组成周期性清零后信号及比较器输出信号共同控制，只有当下AB且周期性清零时，LE=1，此时二级锁存输入端信息由输出端传出。当两项条件任一不满足时，输出端信息被锁存。两级锁存器保证了输出信号峰值的持续输出，经过锁存器后，数字信号到达数模转换器DAC0832。10/15图2-874LS373管脚图iv.第四部分：数模转换及放大电路（如图2-9）数模转换芯片使用DAC0832，由于其内部没有提供运算放大器，在设计时需要外接LM324完成放大功能。电路图中ILE接高电平，其余控制端均接低电平，DAC0832中两个锁存器处于常开通状态，处于直通工作方式，输出随数字输入变化而变化。当反馈电阻输出端加上交流输入信号Ui，IOUT2接地并接到运算放大器的同相输入端，IOUT1接到运算放大器的反相输入端，参考电压UREF同时接到运算放大器的输出端，则把R-2R型电阻网络构成了运算放大器的反馈元件，用R-2R型电阻网络和运算放大器实现了模拟信号被数字D相除的除法器。即U0=KUiD，这里，K是系数，D是与数字量,公式表示在Ui变大的时候，D也变大，从而保证了商也就是输出结果保持稳定。图2-9数模转换及放大电路11/15图2-10DAC0832管脚图图2-11LM324管脚图2．3制作及调试过程（1）调试流程按图2-2所示连接电路，根据任务要求，不断改变输入信号幅度与频率，具体调试结果如下：图2-12仿真结果（输入100mV,1kHz）12/15图2-13仿真结果（输入3V,1kHz）图2-14仿真结果（输入5V,1kHz）图2-15仿真结果（输入1V,5kHz）13/15（2）实际电路连接实际电路连接如图2-15所示。图2-15实际电路连接2．4系统测试（1）测试方法实验结果考查的是，当输入信号幅度在50mV~5V变化，频率在1kHz~10kHz变化时，输出信号能否稳定在3V~4V，并保持同频率。因此，通过改变输入信号的幅度与频率，验证系统的是否实现功能。（2）测试数据表二2-1测试数据序号输入信号频率/kHz输入信号峰峰值/V输出信号频率/kHz输出信号峰峰值/V11112.7822122.9835153.01410.112.4851313.9114/1561514.10（3）数据分析和结论根据实验数据分析，当输入信号Vpp=1.5V~4V，频率f=1kHz-10kHz时，可以输出Vpp=3~4V的同频率正弦波。而输入信号幅度较小时，虽能起到放大作用，但放大效果未能满足任务要求；当输入信号幅度较大时，电路增益不够小，使输出幅度稍稍超出任务要求，当输入5V时，输出略有失真。由此可知，该电路电压跟随作用较差，最后一级模拟信号放大器参数选择仍需斟酌。2．5实验小结本次综合实验过程中，我负责检查电路连接和调试工作。综合实验的难度确实较高，电路连接较为复杂，稍有差错就可能需要重头再来，但通过三人小组的不断交流和分工协作，取长补短，最终的实验结果还是比较理想的。15/153实验总结（1）收获与体会本次实验共分为两个部分，基础实验原理较为简单，而且使用的均为数电课上所讲授过的原理，单人操作并没有太大的问题。而第二部分的发挥性实验，难度明显更高，其中有些具体的理论还没有在课堂上学过，但通过查阅相关资料，和小组内的讨论，一步一步分析实验原理，修改设