北工大数字积分器实验报告

1、数字电子技术实验实验一：数字积分器一、 设计题目数字积分器二、设计要求1.模拟输入信号0-10v，积分时间1-10秒，步距1秒。2.积分值为0000-9999。3误差小于1%1lsb4.应具有微调措施，以便校正精度。基本要求：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：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。2.输入模拟量的范围为0-10v，通过10次积分，输出积分值为0000-9999。误差要求小于1%1lsb。3.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

2、，使其达到误差精度。微调的设置应尽可能使电路简单，便于调节，能提供微小调节，尽快达到要求。参考元器件：组件：74ls00 74ls08 74ls20 74ls161 ua741 ne555 3dk7电阻、电容：若干调零电位器：10k三、设计框图图1.3 设计框图针对设计方案的要求，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、电路（与门）、计数器电路、数字显示电路。四、设计方案的选择及比较（1）v/f转换器的设计：通过上网查阅资料，得出两个方案方案一：采用lm331直接构成v/f转换器。方案二：采用ua741和ne555两个芯片来构成压频转换器。我们采用方案二实现电路。首先介

3、绍v/f转换器的组成电路： 2.ne555构成的施密特触发器原理：施密特触发器的特点：（1）双稳态触发器，有两个稳定的状态；（2）电平触发电压达到某个值时电路状态翻转；（3）具有滞后电压传输特性回差特性（两次翻转输入电平不同）；施密特触发器原理分析：a)当vi=0时，由于比较器c1=1，c2=0，触发器置1，即q=1,v0=1.vi升高时，在未到达2/3vcc之前，v0=1的状态不变。b)vi升高到2/3vcc时，比较器c1输出为0，c2输出为1，触发器置0，即q=0,vo=0.此后vi上升到vcc，然后在降低，但在未到达vcc/3之前，vo的状态不会改变。c)vi下降到2/3vcc时，比较器

4、c1输出为1，c2输出为0，触发器置1，即q=1，vo=0.此后vi继续下降到0，但vo的状态不会改变。所以，根据施密特触发器的回差特性和电平翻转特性，应用施密特触发器可以将三角波整形成方波。由以上两个电路：1. 由ua741组成的积分电路，将输入的电压通过积分，转换成一定频率的三角波。2. ne555组成的施密特触发器具有整形功能，可以将ua741输出的三角波整形为方波。3. 就可以构成下图的v/f转换器：原理分析：在该电路中，输入电压经r3、r4分压后接到ua741的3脚作为参考电压ut。假设开始时q1管导通，那么就有ir2r6=ic2，vo给c1充电，使得ua741的6脚的电压不断上升。

5、当ua741的6脚的电压上升到ne555的5脚的电压的2/3也就是10v时，由于施密特触发器的回差特性和电平翻转特性使得ne555状态翻转，ne555的3脚输出低电平0v，使得q1管截止，c1通过6管脚放电，ua741的6脚的电压不断下降。当该电压下降至ne555的5脚的电压1/3即5v时，ne555的状态再次翻转，使得q1导通，电容c1再次被充电。由此，电路输出一个周期的脉冲方波振荡信号。参数计算：该电路的输出方波的频率是由积分时间t决定的。频率f=1/t,而t=t充+t放。由上面积分电路给出的公式和原理有：再根据频率f=1/t ，取t充电=t放电， 取uo = 5v, ui=v1-ut ,

6、令r4=4r3, 则参考电压ut ,c=3.3nf代入上式。可计算出: r2=95k ,r6=56k。所以取r2=100k,r6为100k的电位器（2）由数码管构成的0-9999进制计数器74ls161具有计数功能，故可将74ls161连接成十进制计数器，再用4片74ls161级联到一起即可构成0-9999进制计数器。为了简化电路结构及接线方便，我们决定采用异步清零法构成电路，电路如下图所示：（3）单稳态电路设计要求每次积分的时间为1s，故采用ne555构成单稳态电路。由ne555构成的单稳态电路的特点：电路有一个稳态和一个暂稳态。在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。暂稳态是一个不能

7、长久保持的状态，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。 由ne555构成的单稳态电路及波形 ne555单稳态电路输出1s高电平ne555定时器内部逻辑图原理分析：如上图所示1.上电过程（vi1）（1） .假设vo0 ，t导通，vc0，c1c21 ，电路处于稳态。（2）假设vo1t截止，c充电，vc上升。充电到2vcc/3时:比较器c1=0，将触发器置0，vo0。t导通,c放电,vc0比较器c1=c2=1,电路状态不变。电路进入稳态。结论： vi1，上电后输出处于稳定状态，vo0，t导通，vc0。4. 触发翻转（vi0，c20）vi0，vo1，t截止。对c充电，电路进入暂态，直到vc2/3vcc

8、。充电时间决定于rc的大小。可以在5脚外接控制电压，以改变放电阀值。 结论：vi0触发后，电路进入暂态，vo1，t截止，vc 逐渐上升。3.自动返回（vi1，c21）vc2/3vcc时，vo0，t导通，c放电。vi1结论：vc充电到2/3vcc 后，电路返回到稳态，vo0，t导通，vc放电0。最后：单稳态电路的暂态维持时间由公式：tw=1.1rc给出。取c=10uf, tw=1s,得r=90k,故取r=100 k的电位器。（4）与门电路与门电路比较简单，采用一片74ls08即可实现。将v/f压频转换器ne555的输出端与单稳态电路ne555的输出端接到74ls08的两个与管脚，即可得到所需方波

9、。最后，整个电路设计如下：电路调试：实验在实验箱上进行，使用面包板连线。调试步骤：(1) 分别调试各个模块电路：v/f转换器、单稳电路、四位十六进制计数器，然后连好整个电路。(1) 调整决定单稳态电路稳定时间的电阻r7，使得单稳电路的稳定时间在1秒左右。(2) 用示波器观察输出波形，调整r6，使电路计数的精度达到要求。五、误差计算及误差分析为了计算实验误差，我们记录了以下十组数据：误差分析：从以上数据可以看出，除了1,2组误差稍稍有点大之外，其他组数据的误差均符合实验要求。而我们认为实验误差来源除了器件本身误差之外，主要是由于单稳态触发器输出1s高电平的时间不够精确。由于在实际操作过程中，用实

10、际示波器观察高电平时间比较困难，我们采用的方法是将扫描时间设为500ms,当出发后，荧屏上的亮点经过两个纵格即为1s高电平。这样的测量方法必然不够精确，导致实验出现误差。六、心得体会通过这次实验，我们的电子设计能力得到了一定的锻炼，发现问题和解决问题的能力得到了进一步的提高。下面就具体地来叙述我们在这次实验中遇到的问题以及我们的解决方法。（1）计数器部分我们在调试计数器部分的电路时发现第三个数码管不够稳定，会发生跳变问题。解决方法：开始时我们以为是线路问题，但经过检查线路无误后，我们终找到问题所在处，主要有两点：由于在实验中我们采用了异步清零法来设计计数器部分的电路，所以该电路虽然结构简单但具

11、有不稳定性。于是我们将4片74ls161的清零端全部置一，这样就保证了电路不受外界因素的干扰。二是由于芯片没插好，导致接触不良。我们将芯片重新拔插后，计数器电路终于正常工作。（2）v/f电路部分压频转换电路是整个实验中设计最复杂的电路。我们在连接好电路后，接上电源，用示波器检测输出端，没有任何波形且ua741芯片发热明显。解决方法：由于我们在发现芯片发热时，马上断电检查线路问题。但检查发现线路连接并没有错误。我们把电路拆了几遍再连了几遍，但都没能得到想要的波形。最后，我们终于发现问题所在：由于这个电路要用到两个电源（+15v和-15v）,但是实验箱的地线并没有连到一起（以前我们用的实验箱地线是

12、统一连好的），我们将整个电路的接地端都连到实验箱上的地线端，电路最终得以正常工作，输出了方波。（3）与门部分与门部分虽然是整个实验中设计最简单的电路，但是我们却在最后的这个电路上花费了大量的时间。我们将各个部分的电路模块一一调试完成后，与与门相连对整个电路进行调试时发现，与门的输出端持续的输出方波导致计数器一直计数而无法停下来，也就是说单稳态电路并没有输出1s的高电平。我们开始时以为是单稳态电路出了问题，但是当我们单独测试单稳态电路时发现其能正常工作，我们以为电路设计出了问题，但是仿真结果是正确的。就在我们百思不得其解的时候，我发现v/f转换器的输出端3号管脚的输出电压比较大（大概是10v左右

13、），我们猜测是由于v/f转换器的输出电压超过了与门电路输入高电平最大值，导致与门电路无法正常工作。解决方法：在v/f的输出端串联一个10k左右的降压电阻。经过实际验证，与门能输出1s的方波并且自动关闭，电路终于能正常工作。总结：这次数字电路实验是综合性较强的实验，通过我们的实际行动完成这个实验，极大地巩固了我们以往所学的电路原理和只是，真正让我们学会了学以致用。同时，通过我们的亲手设计和制作，我们的动手能力也得到了很大的提高。在调试电路的过程中，我们发现问题，分析问题和解决问题的能力也得到增强。通过这次实验，我们也在调试电路的方法上有所收获。首先，在连接好电路后，不要急于上电调试，应该先检查一

14、遍电路的连线是否正确无误。否则极有可能会出现电路不能正常工作甚至是芯片被烧坏的严重后果！其次，不要放过细节。就像我们这次做的实验一样，与门电路的连接虽然是这个电路最简单的部分，但却是电路中及其重要的环节。它将电路的各个模块连到了一起并构成整体电路。我们却花了大量的时间和精力在上边。如果我们最后没用仪器测了一下v/f转换器的输出电压的话，可能我们的电路就无法实现所要求的功能了。因此，不要忽视在实验过程中任何细微的情况。最后，我们学会了凡是都要坚持到底！我们在实验过程中遇到了很多难题，但最后都被我们一一攻破了。说明只要坚持到底不放弃，任何事情都是有可能成功的！七、附录1、器件及仪器清单a7411

15、, 74ls001 , 74ls08 , 74ls041 , 74ls1614 , ne5552 , 3dk71， 10k电位器1，电容电阻若干2、部分芯片管脚图74ls161结构图计数器选用集成电路74ls161进行设计较简便。74ls161是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。74ls161的外引线排列图和时序波形图如图所示。74ls161功能表状态转移表根据表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将、和 st为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中1用原变量表示，0用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程： a741管脚图 ne555管脚图 74ls00管脚图 74ls08管脚图补充：555定时器的组成和功能各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端vss或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源vcc，双极型时基电路vcc的范围是4.5 16v，cmos型时基电路vcc的范围为3 18v。一般用5v。3脚：输出端vo 2脚：