北京交通大学数电实验报告.docx
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北京交通大学数电实验报告
数字电子技术实验报告
学院：
电子信息工程学院
专业：
通信工程
姓名：
丛政
指导教师：
完成日期：
2013年12月8日
中频自动增益数字电路研究
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。
实验目的：
1.掌握中频自动增益数字电路设计,提高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,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.培养通过现象分析电路结构特点，进而改善电路的能力。
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。
加深知识点和技术：
1.加法，减法，乘法，除法，Ａ/Ｄ转换电路，Ｄ/Ａ转换电路，控制电路和数字信号补偿电路。
2.克服竞争冒险现象、失真现象，精度与速度矛盾，Ａ/Ｄ转换和Ｄ/Ａ技术等。
问题回顾
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，加数步长为3）电路。
（3）用4位移位寄存器实现可控乘/除法（2到8，乘数步长为2n）电路。
2.发挥部分
（1）用A/DC0809和D/AC0832实现8k～10k模拟信号和8位数字信号输入，模拟信号输出的可控乘/除法电路。
（2）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。
（3）发挥部分
（2）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）4位可控累加电路控制模块关键是什么？
（3）4位可控乘/除法电路控制模块关键是什么？
（4）D/AC0832工作方式有哪些？
（5）引入竞争与冒险现象，探究其产生原因。
（6）测量输出信号失真方法有哪些？
（7）估算或测量发挥部分
（2）输入到输出的时间？
（9）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？
（10）当输出成为一条直线时，能否达到自动增益控制的目的？
（11）输出负载改为8Ω，应如何修改电路？
实验一用加法器实现2位乘法电路
1.1、设计任务要求
用加法器实现2位二进制乘法电路。
即实现以下16个乘法关系式：
00X00=0000;
00X01=0000;
00X10=0000;
00X11=0000;
01X00=0000;
01X01=0001;
01X10=0010;
01X11=0011;
10X00=0000;
10X01=0010;
10X10=0100;
10X11=0110;
11X00=0000;
11X01=0011;
11X10=0110;
11X11=1001.
1.2、设计方案及论证
1.2.1任务分析
通过以上计算可以看到，两位二进制的乘法运算，结果至多用4位二进制即可表示。
通过课件提示列写出：
在倒数第二低位上可能出现进位要考虑。
1.2.2方案设计
通过与门进行与运算，通过74LS283进行有进位的加法运算。
1.2.3系统结构设计
输入两个两位二进制数，通过逻辑门实现加法运算，然后用数码管显示输出计算结果。
1.2.4具体电路设计
图1-1整体图
如图1-1.图中前两个数码管显示的是输入的两位二进制数，其中74LS08是四个与门，分别实现的是A0B0、A0B1、A1B0、A1B1与运算；74LS283为带进位的四位二进制加法运算器，实现了加法，高位进位C4由于不会出现高位，置0即可。
1.3、仿真及调试过程
使用双置开关控制输入的两位二进制数。
示例如下图3-1-1
图3-1-1
运算仿真结果如下图3-1-2
图3-1-2（a）
任何数和“0”想乘都得0，这里不在赘述。
图3-1-2（b）
任何数和“1”相乘都得任何数，这里不再赘述。
图3-1-2（c）
图3-1-2（d）
图3-1-2（e）
1.4、总结
第一个实验从原理和结果要求上来讲比较简单，在设计之后，调试和仿真验证的时候也比较顺利，在实验室进行连接时也没有遇到太大的困难。
这只是一个起步，是为了后面的实验而打下的基础，即元件原理、电路设计以及实物焊接的基础。
实验二用4位加法器实现可控累加减电路
2.1、设计任务要求
用4位加法器实现可控累加（减）电路
即实现累加（减）3/6/9运算。
通过控制端控制步长，通过乘除控件控制乘除运算并输出,计算范围0-99。
2.2、设计方案及论证
2.2.1任务分析
1、采用4位二进制全加器74LS283进行加三累加，实现3、6、9的步长控制；
2、采用两片74LS283进行累加计算，并用74LS273寄存运算结果，实现累加；
3、采用异或门电路，在累加的基础之上，实现累减；
4、采用8421BCD转码电路，将十六进制的运算结果转为二进制；
5、采用将74LS273的~CLR端接地实现清零；
6、采用74LS47N以及共阳极数码管实现输出数据显示。
2.2.2设计方案
根据各项设计要求，我们总体设计思路是：
电路分为五大模块：
（1）步长控制模块
对于步长为3、6、9的控制，采用四位二进制全加器74LS283进行累加计算，每次加3，利用开关控制，每一个脉冲实现一次加3过程，当加到9即1001时，利用与非门，使74LS273的~CLR端接地，实现清零，实现从而成功实现了步长的控制。
（2）累加模块
采用两片74ls283的级联实现加法功能，低位片283的进位输出端C4接到高位片进的进位输入端C0，从而实现进位。
并采用74LS273（8位D触发器）寄存，保留结果，实现累加。
（3）累减模块
累减模块是在累加模块的基础之上，增加74LS86（异或门）进行累减
A-B=A+（-B）=（A+（-B））补=A补+（-B）反+1故只需增加将B取异或的模块，即可实现累减功能。
（4）转码电路模块
由于数码管只可以显示0—9，不可以显示ABCDEF，因而需要将输出的十六进制转成十进制，需要用到十六进制转BCD码电路，由于74LS185已停产，因而用74LS192和74LS193从而实现转码功能。
（5）输出显示模块
数据输出我们设计采用74LS47N作为译码器，与其相匹配，就用共阳极数码管接入电路，进行输出。
2.2.3系统结构设计
系统总体框架是步长控制、累加累减、输出显示，原理框图如下：
另外，用74LS283进行加法，用74LS273进行锁存，从而完成累加的电路原理图。
在累加的基础上采用异或门电路，实现累减。
2.3、仿真及调试过程
仿真电路图如下：
图2-2可控累加、累减仿真电路图
（1）步长控制电路
图2-3步长显示电路
如图所示，对于步长为3、6、9的控制，采用四位二进制全加器74LS283进行累加计算，每次加3，利用开关控制，每一个脉冲实现一次加3过程，当加到12即1100时，利用与非门，使74LS273的~CLR端接地，实现清零，同时利用74LS273寄存器将结果返回到输入端，实现从而成功实现了步长的控制。
（2）累加、累减电路
图2-4累加、累减电路
采用两片74ls283的级联实现加法功能，低位片283的进位输出端C4接到高位片进的进位输入端C0，从而实现进位。
并采用74LS273（8位D触发器）寄存，保留结果，实现累加。
累减模块是在累加模块的基础之上，增加74LS86（异或门）进行累减由于A-B=A+（-B）=（A+（-B））补=A补+（-B）反+1，故只需增加将B取异或的模块，如图绿色框内电路即是将B取异或的模块，通过开关控制其一个输入端接高电平还是低电平，进而实现加减的控制，当接高电平时为累加电路，当接低电平时为累减电路，即可实现累减功能。
清零功能通过将74LS273的~CLR端接地实现清零功能。
（3）BCD转换电路
由于累加所得的数值为二进制,若在数码管上直接显示,读数不方便,故将数转化为十进制予以显示。
用74LS185实现二进制到BCD译码电路如下：
由于目前74LS185已经停产，所以可以用如下电路图来代替，此电路的缺点是需要拨动一次开关实现一次十六进制和BCD码的转换，而且每拨动一次，数码管显示会归零。
用1HZ的方波脉冲代替开关即可和第二次实验的累加累减电路同步，实现同步的十六进制和BCD码的转换。
改变方波脉冲的占空比，会改变数码管变为00时的显示时间，即可达到更好的转换作用。
2.4、总结
本实验利在第一次实验的基础上进一步加深了对于加法器的运用，同时运用到了寄存器，总的来说实验原理并不难以理解，但在实物连接和焊接方面均有一定的难度。
此次实验我未能在实验室调试成功，所幸焊接出的电路板得到了预期的功能。
而在十六进制转化为BCD码电路中，由于74LS185芯片的停产，电路较复杂。
实验三可控乘/除法电路
3.1、设计任务要求
用移位寄存器实现可控乘/除法电路，计算范围0-64，步长2、4或8。
3.2设计方案及论证
3.2.1任务分析
74LS194是四位双向移位寄存器（并行存取），利用其向左向右位移即可实现乘除的功能，左移为乘，右移为除。
用2片4位移位寄存器实现可控乘/除法（2到8，步长为2n）电路，最大数字是两位10进制数64。
根据实验要求，此电路可以分为三个模块分别实现。
即乘除步长控制模块、乘除控制模块、显示模块。
（1）控制步长模块
利用开关控制乘除法的步长，即显示2、4、8。
利用74LS194的置数和位移功能，可以实现步长的控制。
用一个同时开关控制三个芯片的移位。
预置步长控制的输入，使其输出。
利用开关控制其移位，进而控制乘法和除法电路的移位。
（2）乘除控制模块
利用两片双向移位寄存器74LS194将序列10000001左移或右移，控制乘除法切换以及计算范围0-64。
乘除法的原理，乘法为00000001—00000010—00000100——00001000—00010000—00100000—01000000—10000000，即1—2—4—8—16—32—64的过程，除法为其逆过程。
通过状态转化图和移位寄存器74LS194，我们可以写出高四位和低四位的各个输入各自对应着一个74LS194，其中的逻辑关系门电路来控制。
因为74194是双向移位寄存器，其中左移和右移是通过74194的S1和S0的0、1转化来控制的，其中当S1=0，S0=1时，在CP上升沿的作用下，寄存器实现右移操作，当S1=1，S0=0时，在CP上升沿的作用下，寄存器实现左移操作。
这样我们就可以通过左移右移来实现乘除法的互逆运算。
向右移串行输入端和左移串行输入端送入序列码，开关控制移位。
实现乘除控制。
（3）输出显示模块
采用74LS47N以及共阳极数码管实现输出数据显示。
3.3、仿真及调试过程
仿真电路如下
（1）控制步长模块
图3-1步长控制模块
想法：
通过开关预置输入，是输出为0001,0010,0100，位移开关控制S1、S0电平的高低，控制移位。
后面两片级联的194有步长控制芯片输出QD来控制。
本电路预置一个特殊的数列（1000,0100,0010）并右移，当检测到移出数据为1时完成运算，通过控制预置数列中1的位置来控制移位次数，由此控制运算部分的乘除倍数。
（2）乘除控制模块
图3-2乘除控制模块
利用两片双向移位寄存器74LS194左移或右移，控制乘除法。
当S1=0，S0=1时，在CP上升沿的作用下，寄存器实现右移操作，当S1=1，S0=0时，在CP上升沿的作用下，寄存器实现左移操作。
高位片和低位片的左移、右移输入端SR、SL的输入序列分别由低位片和高位片的输出来控制。
且两个芯片同时进行移位，进而控制乘除。
3.3.1系统测试
（1）测试方法
两片74LS194低位片输入端A、高位片的D接数字电路实验箱+5V电源，低位片的B、C、D和高位片的A、B、C接地。
实现乘法功能时，调整单刀双掷开关，使S1S0=01；实现除法功能时，调整开关使S1S0=10。
输出为64（01000000）时，调整开关使S1S0=11，输入置数为10000001，重新开始计算；输出为1（00000001）时，调整开关使S1S0=11，输入置数为10000001，重新开始计算。
选择步长2时，调整开关使74LS273的CLK直接接时钟信号；选择步长4时，调整开关使CLK接74LS161的RCO，同时使74LS161输入1110；选择步长8时，调整开关使CLK接74LS161的RCO，同时使74LS161输入1101。
（2）测试数据
步长
运算
T0
T1
T2
T3
T4
T5
T6
2
乘法
1
2
4
8
16
32
64
除法
64
32
16
8
4
2
1
4
乘法
1
4
16
64
除法
64
16
4
1
8
乘法
1
8
64
除法
64
8
1
表2-1可控乘除计算器系统测试数据
3.4总结
第三次实验是在第二次实验的基础上——由加减的可控变为乘除的可控，相应地涉及到了预设数值与移位发送的知识。
它在原理上由第二个实验更进一步地上了一个台阶，但电路结构并没有多么复杂，能够顺利地通过实验箱连接和焊接来实现其功能。
实验四实现模拟信号的可控乘/除电路
4.1、设计任务要求
用D/AC0832实现8k～10k（300mV）模拟信号和8位数字信号输入，8k～10k（2mV-3V）模拟信号输出的可控乘/除法电路。
4.2、设计方案及论证
任务要求用DAC0832实现乘除法放大和缩小。
0832在后面接上一个运放LM324能够实现乘除法的功能。
其相关接口和原理如下：
DAC0832的ILE接高电平、其余控制端
均接低电平，使两个锁存器处于常开通状态，输入的数据直接经过锁存器、D/A转换器进行数/模转换，输出跟随数字输入变化而变化，所以电路处于直通工作方式。
当参考电压
为正时，电流由
经支路电阻流入
或
；当参考电压
为负时，则电流由
或
经支路电阻流入
，从而在
接地情况下，输出电压
，当参考电压
为正时，
为负；当参考电压
为负时，
为正。
参考电压
既然可负可正，那么
端可以加一个交流电压
（工作于四象限），从而简写为
。
此时实现乘法功能，简写为MDAC。
当反馈电阻输出端加上交流输入信号
，
接地并接到运算放大器的同
相输入端，
接到运算放大器的反相输入端，参考电压
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
。
这里，K是系数，D是与数字量。
4.3、仿真及调试过程
图4-1整体电路设计图
其中左边显示了放大或者缩小倍数，中间芯片DAC0832和运放器LM324实现乘法或除法器，开关SW11和SW9实现乘法与除法的互换。
最右面的函数发生器输出300mV、8KHz的正弦信号，输出信号接示波器。
4.4、总结
第四个实验运用模/数转化芯片DAC0832和运放LM324实现了乘法电路。
在实验设计与操作过程中，一方面了解了DAC0832的基本原理和工作方式，另一方面对于示波器的运用有了新的认识，也由此得来对于DA转化的一个较为直观的认识。
虽然电路结构并不复杂，但其内容上与前三个有着较大的区别。
实物图片
5.1第一次实验
5.2第二次实验
5.3第三次实验及显示板、BCD转换
【【‘’
实验总结
这次实验应该说难度较高，对于我们的各方面素质都有着较高的要求。
一方面考量了学生对于用于实现各项功能的元件的了解以及由多个元件组构电路来实现功能的运用方式，另一方面对于焊接、实物连接布线等动手动力也是一个很大的考验。
这次实验之前并没有过需要将各方面所学的知识捏合成一个整体来进行电路设计的经历和对于比较复杂的电路的焊接的经验。
但通过这次实验，我的各方面技能水准都有所提高，以下是我的几点经验和体会。
第一，在电路设计过程中，不仅需要了解各个元件的功能，更需要清楚地了解元件各个管脚的功能。
由此可以发现，有的管脚可以通过搭配不同的门电路或是接地等来进行组合实现各种更深层的功能，而不是简单的管脚自身的功能。
第二，在实物连接过程中，要十分注重各个关键的顺序。
可以说是一个连错了，则后面的内容则很难实现。
由于试验箱的构造及电路的复杂程度，使得导线显得十分凌乱，从而导致如果电路功能未能实现时如果想要纠错会有很大的困扰。
所以务必保证连接过程中的准确性。
第三，在焊接过程中，虽然之前有过一定的焊接经验，但确实是第一次接触这种程度的电路，所以在着手的时候遇到了一些阻碍。
但只要理清头绪，科学布线，把看似复杂的电路有效地分割成一个个部分，就可以顺利地进行焊接了。
第四，在调试电路过程中，一样遇到了一些问题。
好几个电路在初次调试的过程中都遇到了一定的问题。
这时候一定要仔细地对电路进行从头到尾的检查，检查各个点是否有断焊或是短路现象。
可以通过实验现象中发现的缺陷进行反推，例如显像管某个位不灵活则追溯到相应管脚进行检查。
参考文献
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64-66.DOI:
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（2）:
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10.3969/j.issn.1672-545X.2008.02.043.
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