北京交通大学中频自动增益.docx
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北京交通大学中频自动增益
中频自动增益数字电路研究
姓名
学号
同组成员
任课教师
时间2015.11
目录
一、实验目的与特点4
1实验目的：
4
2实验特点：
4
二、技术指标及设计要求4
1基本要求4
2发挥部分4
三、设计方案及论证4
1基本要求4
2发挥部分8
四、制作及调试过程17
1制作与调试流程17
2遇到的问题与解决办法18
五、实验研究与思考18
六、总结19
1本人所做工作19
2收获与体会19
3对本课程的建议20
七、参考文献20
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。
一实验目的与特点
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。
三设计方案及论证
1基本要求
（1）任务分析
两个二进制数（A1A0与B1B0）相乘，可转换为将四位二进制数分别相乘得到四组数据（A1B1，A1B0，A0B1，A0B0），按照公式1-1组合相加。
令S2=A1B1，S1=A1B0+A0B1，S0=A0B0，则想办法获取S2、S1、S0即可。
式1-1
（2）方案及系统结构设计
计算过程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法运算通过与门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。
图1-174LS08引脚图
三个乘法结果的求和是通过将运算结果依位次输入到加法器74LS283的不同位来实现的。
该器件是四位二进制全加器，逻辑图与引脚图如图1-2所示。
图1-274LS283逻辑图与引脚图
电路原理框图如下图1-3所示。
图1-32位乘法器系统原理框图
（3）具体电路设计
图1-42位乘法器电路设计图
在此次实验操作的过程中，为使实验现象明显，还利用了实验箱上提供的74LS47。
74LS47作为译码器与数码管连接，将结果从BCD码转换成数码管数字显示出来。
如图1-4所示，两个2位二进制数A1A0,B1B0输入的A1，A0，B1，B0经过74LS08，依次相与为A1B0，A0B0，A1B1，A0B1，通过二输入与门74LS08形成两个四位二进制新数，即00A1B0A0B0和0A1B1A0B10，将两数送入加法器74LS283中实现加法功能，得到相应的输出并且显示出来。
（4）测试结果及分析
输入
输出
A1，A0，B1，B0
0000
0
A1，A0，B1，B0
0001
0
A1，A0，B1，B0
0010
0
A1，A0，B1，B0
0011
0
A1，A0，B1，B0
0100
0
A1，A0，B1，B0
0101
1
A1，A0，B1，B0
0110
2
A1，A0，B1，B0
0111
3
A1，A0，B1，B0
1000
0
A1，A0，B1，B0
1001
2
A1，A0，B1，B0
1010
4
A1，A0，B1，B0
1011
6
A1，A0，B1，B0
1100
0
A1，A0，B1，B0
1101
3
A1，A0，B1，B0
1110
6
A1，A0，B1，B0
1111
9
表1-12位乘法器测试数据
测试输入输出结果如表1-1所示，与理论计算相符合，所以此电路设计正确，实现了预计功能。
2发挥部分
（1）任务分析及方案比较
实现自动增益控制的关键在于对输入信号峰值的捕获，只有获取了这一信息，才可以在后续电路中实现自动控制功能。
因此必须设计方案必须首先考虑获取峰值的问题。
以下是我们所构想的两种获取输入正弦信号峰值的方案。
方案一是仅利用数字数字方法进行比较。
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（模/数转换器），获得一个二进制数据等级Dn，等级代表获取数据大小。
并利用一个与ADC共时钟的寄存器M将其先暂时保存下来，在每一时刻都有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触发器的输出信号作为下一级输入连接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（数/模转换器），即可将信号的峰值较为准确地恢复出来。
这种思路优点是速度快，操作较简便清晰，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；但缺点也很明显，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，并且几次采集的峰值可能会出现较大差异，严重时对实验结果的精确性与正确性产生很大负面影响。
因此实际电路中我们并未采取这种方法。
方案二是输入信号电压通过ADC采样输出对应参考电压下的一个等级，锁存起来，在一个时钟周期内不断的比较，将最终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除法参数来实现增益控制。
幅值较大时除数较大，幅值较小时除数较小。
不断的比较直到出现数值下降或比较周期结束时（计数器控制）送入下一级锁存器作为等级使用，多个周期不断地进行比较与锁存，从而可以稳定捕获峰值。
为了获取峰值准确，要求ADC采样周期必须远大于输入信号和计数器的最大周期。
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，则需要经过多个最大周期才能捕获峰值，尤其是当要求精度很高很大时，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方案二。
解决了峰值捕获问题后，如何进行后续处理实现信号增益随着峰值等级实现自动增益。
方案一：
将信号通过其峰值作为参考电压的ADC获得该信号每时每刻对峰值的占比，再将该比值直接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只能处理正弦信号，因此正弦信号输入之前必须先通过全波整流，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：
将输入信号通过一个以将获取的峰值等级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。
根据实验要求我们选择了方案二。
（2）系统结构设计
图2-1自动增益系统结构设计
根据上述所选择的较优实验方案，设计了图2-1的自动增益系统结构。
由ADC获取输入信号峰值等级，与上一时刻不断比较，取较大值，根据比较结果和控制电路共同控制输入DAC的最佳等级数据，输入信号利用DAC与运算放大器构成的除法器，实现增益自动控制的功能。
（3）具体电路设计
此次实验所用到的芯片包括模数转换器ADC0809，用两片4位数值比较器74LS85（图2-7）级联构成8位数值比较器，四组二输入与门74LS08，两个8位锁存器74LS373，数模转换器DAC0832，计数器74LS161（图2-9），四与非门74LS22（OC门，图2-12），与非门74LS00（图2-11），或非门74LS02（图2-10）。
具体电路设计如图2-2所示。
仿真结果如图2-3所示。
图2-2中频自动增益电路总体设计
图2-3仿真结果
图2-4ADC电路连接图
图2-5ADC引脚图
如图2-4、图2-5所示ADC0809为模数转换器，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。
图2-6级联比较器连接图
图2-774LS85引脚图
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2-8门控信号控制电路
图2-974LS161引脚图
图2-1074LS02引脚图
图2-1174LS00引脚图
图2-1274LS22引脚图
图2-1374LS373引脚图
图2-14锁存器电路连接图
锁存器（图2-13）由两级门控信号进行控制（图2-14）。
第一个门控信号由计数器以及几个非门、与非门控制。
计数器在自己时钟信号的控制下从0000开始进行计数。
若要门控信号为1，则需过与非门两信号任一为1即可，即当计数器溢出（采样结果数据异步清零，锁存器通过此时数据）或A>B（比较出新的较大值，锁存器通过此时数据）时，满足任一条件时，数据可以通过第一级锁存器。
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。
第二个门控信号由计数器、非门、与非门和或非门控制，若要门控信号为1，则需或非门所有输入数据均为0。
当数据开始减小的瞬间（已经取到峰值），A>B输出为0，且计数器计到或即将计到7时（不选溢出作为判定的原因是，此时与门输出给第一级锁存器的数据异步清零，极有可能出现零值直接通过两级锁存器的现象），四与非输出为0，使数据可以通过第二级锁存器到达DAC。
图2-15DAC电路连接图
图2-16DAC引脚图
图2-17LM324引脚图
DAC0832内部没有提供运算放大器，在设计时需要外接，外界放大电路在右下角。
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，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。
当AD采样值比上一次小的时候，由于开关接地，锁存器不导通，会将之前的结果保存，这时候达不到D值变小的效果，所以这里需要手动的将开关接一下高电平，然后再接地，由于采样的频率很大，所以这段时间足够比较找出变小后的峰峰值，使D值与输入电压保持同步变化的效果，而达到输出结果保持不变的效果。
（4）测试结果及分析
输入/V
1
2
3
4
5
输出/V
3.87
3.92
3.94
3.98
4.02
大致满足输出信号在3~4V之间，实验电路的设计与搭建基本成功。
四制作及调试过程
1制作与调试流程
图3-1制作与调试流程图
2遇到的问题与解决办法
（1）ADC8090在搭建电路测试时，发现无论如何改变幅值有的输出信号始终是低电平，经过更换器件成功解决。
（2）74LS161接入时钟信号，无意间发现它的时钟接口与GND短路，更换器件。
（3）74LS22在搭建测试电路时，发现始终无法“逢0变1”，经查阅资料，它是OC门，使用时，输出端应接上拉电阻。
五实验研究与思考
（1）加法器实现2位乘法电路原理？
答：
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）操作中引入竞争与冒险现象，探究其产生原因。
答：
在实际电路中，由于信号变化时的过渡过程不一致和门电路的传输延时的存在，会使电路产生竞争与冒险现象。
其中，将一个门电路多个输入端信号同时跳变，或者一个信号经由不同的路径传到同一个门的输入端致使信号到达的时间不同的现象称为竞争，由于竞争而可能在电路输出端产生尖峰脉冲的现象称为冒险。
（3）D/AC0832工作方式有哪些？
答：
根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：
直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。
（4）测量输出信号失真方法有哪些？
答：
失真度测量按照量程分为一般失真度测量0.1~100、小失真度测量0.01~30和超低失真度测量0.001~10；按照自动化的程度可分为半自动失真度测量和自动失真度测量；信号处理方法大致可分为两类：
模拟法和数字化方法；根据仪器可分为基波剔除法和频谱分析仪法。
（5）估算或测量发挥部分
（2）输入到输出的时间？
答：
ADC0908的转换时间是固定的128μs。
DAC0832电流稳定时间为1μs。
（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？
答：
最大输出电压和参考电压的关系是：
（7）当输出成为一条直线时，能否达到自动增益控制的目的？
答：
不能达到自动增益的目地，我们所要的是找到合适的增益，并且使输出和输入波形变化一致。
我们设计的电路就是改善输出是一条直线的情况的。
（8）输出负载改为8Ω，应如何修改电路？
答：
修改驱动负载电路的电阻，使其能够驱动负载。
六总结
1本人所做工作
（1）查阅书籍资料，分析讨论原理，参与设计电路。
（2）连接电路，检查各端点输出电平情况，判断芯片工作是否正常。
（3）设计搭建芯片测试电路，在单独工作的情况下判断芯片能否正常工作。
2收获与体会
面对综合实验时候真的觉得很困难，不知道如何下手。
但是几个人看了老师给的电路图资料，又分别查找资料、自学ADC/DAC的知识，慢慢有了一定的了解。
那几天大家聚在一起共同连接实物电路板，也是苦涩而又开心的时光。
我们分别负责查看芯片引脚图，读匹配接口，连接电路，分工合作，共同检查，确保电路连接不出问题。
当然，在连接时候还是出现了一点小问题，因为线太多以后，难免有点差错，幸亏我们及时查找到并解决了问题。
这次实验不仅提高了我们的理论联系实际的问题，解决未知困难的能力。
学会了在面对困难坚持不懈，不抛弃，不放弃，肯定有成功的机会。
通过这次实验我也知道实验方案的设计是一个实验进行的基础，没有实验仿真无法知道方案是否可行，也无法进行下一步的实验。
而在连接电路与检查电路连接也是结果可以出来的基础。
实验中必须认认真真的看好芯片手册，连接各部分如何连接怎么连接，而且几个人要分工合作，才能更高效的完成。
在这次实验中我们都学到了实验的基本设计方法，各个芯片的工作原理及流程，更好的巩固或是预习好了数字电子技术中的知识，为接下来的学习打好一定基础。
3对本课程的建议
（1）题目多元化，多种题目，给有能力的同学更多锻炼的机会。
（2）题目数量增多，难度逐步上升，更加符合学习一项新技能的正常规律。
（3）周期延长，时间充裕可以学的更多。
七参考文献
[1]侯建军.数字电子技术基础[M]第二版.北京：
高等教育出版社.2007
[2]侯建军.数字电子技术基础.上海：
上海交通大学出版社.2014
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