北工大数字积分器实验报告

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%±1LSB

4.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，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

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

用方案二实现电路。

首先介绍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U T。假设开始时Q1管导通，那么就有I R2R6=I C2，Vo给C1充电，使得uA741的6脚的电压不断上升。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-U T,令R4=4R3, 则参考电压U T,C=3.3nf代入上式。可计算出: R2=95kΩ,R6=56kΩ。所以取R2=100kΩ,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：

①电路有一个稳态和一个暂稳态。

②在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。

③暂稳态是一个不能长久保持的状态，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（VI＝1）

（1）.假设Vo＝0 ，T导通，Vc＝0，C1＝C2＝1 ，电路处于稳态。

（2）．假设Vo＝1T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，Vo＝0。T导通,C放电,Vc≈0比较器C1=C2=1,电路状态不变。电

路进入稳态。

结论：VI＝1，上电后输出处于稳定状态，Vo＝0，T导通，Vc＝0。

4.触发翻转（V I＝0，C2＝0）

V

＝0，→Vo＝1，→T截止。对C充电，电路进入暂态，直到Vc>2/3V CC。充I

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。

＝0触发后，电路进入暂态，Vo＝1，T截止，Vc →逐渐上升。

结论：V

I

3.自动返回（VI＝1，C2＝1）

VC>2/3VCC时，Vo＝0，T导通，C放电。VI＝1

结论：Vc充电到2/3VCC 后，电路返回到稳态，Vo＝0，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=90kΩ,故取R=100 kΩ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。

最后，整个电路设计如下：