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，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。