数字积分器 电子课程设计

一设计题目：

数字积分器

二设计任务与要求：

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%±1LSB。

4.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10次，输出为1000。

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。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、方案选则：

Vi V/F转换器

单稳电路(积分时间)

四位16进制计数器与

门

数字显示

图(1)方案流程图

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：100KΩ

五电路系统的工作原理

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74160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。

六各单元电路的具体分析

1 V/F 压频转换

V/F压频转换器由两部分组成，一部分把电压转换成三角波，另一部分把三角波转换成方波。本实验设计电路的目的是将输入的1至10V电压转换成相应的100Hz至1000Hz的频率。

经过查阅资料，有两种方案可供选择。方案（一）是由OPAMP741+LM556CM组成，方案（二）是由两片µA741组成。

由于LM556CM属于本学期数字电路的内容，对其比较了解，可以更好的运用。另外两片741组成的压频转换所用到的器件的种类比较多，除了有电阻，电容若干外，还要用到普通二极管、稳压二极管。741+LM556CM组成的压频转换，除了有电阻，电容若干外，就只用一个三极管，所以从设计和节约成本方面来考虑，应选择第一方案，舍去第二方案。并且第二方案的精度比较低，题目中要求误差小于1%±1LSB，从精度方面来考虑，选择第一方案。

所以，我们的实验选用方案（一）而不选用方案（二）。

（1）741组成典型积分电路，将输入电压进行积分，转换成一定频率的三角波，电路中通用运算放大器741被接成积分器的形式，电路如图（2）：

图(2)典型积分电路图

（2）采用NE555构成施密特触发器的形式对于将三角整形为方波，如电路图(3)。

（2）两部分电路通过NE555的5号管脚接三极管，并接回运算放大器μA741的输入端而形成反馈回路，这样可以将输入的电压转换成相应的频率，即构成了V/F压频转换电路总的电路图（4）

（3）

图(3)采用NE555构成施密特触发器的形式对于将三角整形为方波

-15V

图(4) V/F压频转换电路总电路图

该电路中通用运算放大器741被接成积分器的形式。

输入电压经R4、R5分压后送入741的3脚作为参考电压。Q1管截止，那么就有I R4=I C2，Vi给C充电，741的6脚电压不断下降。当741的6脚电压下降到NE555的5脚电压一半

2.5V时LM556CM翻转，3脚输出高电平15V，Q1导通，C放电，uA741的6脚电压上升。当该电压上升至NE555的5脚的电压5V时NE555的状态再次翻转，Q1截止，电容C再次被充电。形成一个周期的脉冲方波振荡信号。

LM556CM的1脚是集电极开路输出，让其空悬。把6号和2号管脚通过一个上拉电阻R1后接正5 V电压.

进行EDA仿真时，选择R3 为100K，步距为5%。但随着调节发现根本无法达到要求的精度，所以又改为1%的步距，但当输入为1V时仍无法通过调节R3 使输出频率接近100Hz，即输出脉冲周期接近10ms。R3的阻值已调为1%却仍无法达到要求，通过分析，可知电阻的具体取值是不合适的，测量5%时R3的阻值，约为5K，继续调节，从而进一步提高精度。最后把R4和R2的阻值确定为220K和82K欧姆。这样最后仿真出来的图形比较像三角波和方波。

通过EDA仿真可以看到741的六脚输出有三角波产生，而LM556CM的5脚有方波输出，至此，压频转换部分电路设计完成。仿真波形如图（5）

图(5)频压装换器生成的波形图

2时间积分电路（单稳电路）

时间积分电路采用LM556CM，利用LM556CM以及适当阻值的电阻、电位器接成典型的单稳触发器，之后将NE555的2号管脚接上按键脉冲开关，以便控制积分时间，其积分时间公式为1.1RC=1(S)。要注意的是我们需要的为单稳触发器输出一秒钟高电平信号，因此如何控制高电平态的输出以及怎样调整输出的一秒钟时间是此部分电路的重点。NE555接成单稳态触发器，其第二脚输入比较电压，可以通过此管脚电压的高低来控制触发器的翻转达到控制输出电平高低的目的。二脚通过单刀双掷开关常接通于高电平，需要触发1秒钟脉冲的时候，拨动开关接低电平，使555触发，然后拨动开关返回高电平即可。单稳态触发器的翻转时间是通过555外围电路的R，C来控制。