中頻自動(dòng)增益控制電路

1、北京交通大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中頻自動(dòng)增益數(shù)字電路研究數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中頻自動(dòng)增益數(shù)字電路的研究學(xué) 院：電子信息工程學(xué)院專 業(yè)：通信工程學(xué) 號(hào)：13211110學(xué) 生：小組成員目錄第一章 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述及目的41.1實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述41.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.3 實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)4第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)要求42.1 基本要求42.2 發(fā)揮部分5第三章 設(shè)計(jì)方案及論證53.1 基本部分53.1.1 任務(wù)分析53.1.2 實(shí)驗(yàn)方案63.1.3 方案及系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)73.1.4 具體電路設(shè)計(jì)93.1.5 測(cè)試結(jié)果及分析103.2 發(fā)揮部分113.2.1 任務(wù)分析及方案比較113.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)123.2.3 具體電路設(shè)計(jì)14

2、3.2.4 仿真結(jié)果及分析153.2.5 實(shí)物電路圖17第四章 實(shí)驗(yàn)思考與總結(jié)174.1 研究與思考174.2 實(shí)驗(yàn)總結(jié)184.3 參考文獻(xiàn)19第一章 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述及目的1.1實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述自動(dòng)增益數(shù)字控制電路是一種在輸入信號(hào)變化很大的情況下，輸出信號(hào)保持恒定或在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)的電路。在通信設(shè)備中，特別是在通信接收設(shè)備中起著重要的作用。它能夠保證接收機(jī)在接收弱信號(hào)時(shí)增益高，在接收強(qiáng)信號(hào)時(shí)增益低，使輸出保持適當(dāng)?shù)碾娖?，不至于因?yàn)檩斎胄盘?hào)太小而無法正常工作，也不至于因?yàn)檩斎胄盘?hào)過大而使接收機(jī)發(fā)生堵塞或飽和。1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握中頻自動(dòng)增益數(shù)字電路設(shè)計(jì)可以提高學(xué)生系統(tǒng)地構(gòu)思問題和解決問題的能力。2.

3、通過自動(dòng)增益數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)可以系統(tǒng)地歸納用加法器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)加法、減法、乘法、除法和數(shù)字控制模塊電路技術(shù) 。3. 培養(yǎng)學(xué)生通過現(xiàn)象分析電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而改善電路的能力。1.3 實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)1 給出不同功能數(shù)字電路，設(shè)計(jì)數(shù)字控制電路，體現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字控制性能。2   用模擬信號(hào)的輸入和輸出波形，設(shè)計(jì)控制增益數(shù)字電路，展開思路，體現(xiàn)開放性。第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)要求2.1 基本要求（1）用加法器實(shí)現(xiàn)2位乘法電路。 2.2 發(fā)揮部分（1）設(shè)計(jì)一個(gè)電路，輸入信號(hào)50mV到5V峰峰值，1KHZ10KHZ的正弦波信號(hào)，輸出信號(hào)為3到4V的同頻率，不失真的正弦波信號(hào)。精度為8位，負(fù)載

4、500。（2）發(fā)揮部分（1）中，若輸出成為直流，電路如何更改。第三章 設(shè)計(jì)方案及論證3.1 基本部分3.1.1 任務(wù)分析（1）用加法器實(shí)現(xiàn)2位乘法電路。用加法器實(shí)現(xiàn)兩位乘法，可考慮利用乘法電路的乘法公式，將相應(yīng)數(shù)的高位和低位依次對(duì)應(yīng)相乘，將乘得的結(jié)果按照乘法公式依次送入74LS283的輸入端。由計(jì)算公式3-1可知，兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)（A1A0與B1B0）相乘，可得到四位二進(jìn)制數(shù)分別相乘的積（A1B1，A1B0，A0B1，A0B0），令S2=A1B1，S1=A1B0+A0B1，S0=A0B0，則輸出S2、S1、S0即可。式3-13.1.2 實(shí)驗(yàn)方案方案一根據(jù)二進(jìn)制數(shù)的乘法公式，設(shè)兩位二進(jìn)制分別為A1、

5、A0和B1、B0，輸出從高位到低位依次為S3、S2、S1、S0，其中S0=A0*B0，S1=A0*B1+A1*B0，S2=A1*B1+S1可能產(chǎn)生的進(jìn)位，S3=S2可能產(chǎn)生的進(jìn)位。其中兩數(shù)相與可以用74LS08（兩輸入四與門）實(shí)現(xiàn)，而加法可以用74LS283（四位二進(jìn)制超前進(jìn)位全加器）實(shí)現(xiàn)。方案二用74LS138的譯碼功能，將相與的兩位數(shù)送入地址選入端A、B，輸出端Y3為所得的結(jié)果，只有當(dāng)A、B處的數(shù)全為1時(shí)，輸出Y3才為1，否則為0，這樣就達(dá)到了用74LS138代替與門74LS08的效果。剩下的加法功能與方案一樣。方案比較：第一個(gè)方案用一個(gè)74LS08就可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)與門的功能，而第二種方案需

6、要4個(gè)74LS138，顯然方案一更好，所以選方案一，但是方案二所采取的思想有較大的參考意義。3.1.3 方案及系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用四位快速進(jìn)位加法器74LS283和與門74LS08，其中任意兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)的乘運(yùn)算通過與門74LS08實(shí)現(xiàn)，它由四組2輸入端的與門（正邏輯）構(gòu)成，其引腳圖如圖3-1所示。圖3-1 74LS08引腳圖三個(gè)結(jié)果的求和通過將運(yùn)算結(jié)果輸入到加法器74LS283的不同位實(shí)現(xiàn)，它是四位二進(jìn)制全加器，其邏輯圖與引腳圖如圖3-2所示。圖3-2 74LS23邏輯圖與引腳圖電路的結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。圖3-3 乘法器電路結(jié)構(gòu)圖3.1.4 具體電路設(shè)計(jì)圖2-4 用加法器實(shí)現(xiàn)2位乘法電路圖如圖3

7、-4所示，用加法器實(shí)現(xiàn)2位乘法電路的電路圖由兩個(gè)芯片構(gòu)成，分別是74LS08與74LS283。兩個(gè)兩位二進(jìn)制數(shù)A1A0與B1B0在74LS08中進(jìn)行了與運(yùn)算，即相乘后產(chǎn)生四個(gè)二進(jìn)制數(shù)A1B1、A1B0、A0B1、A0B0，進(jìn)入了74LS283中，經(jīng)過全加器的運(yùn)算產(chǎn)生S3S2S1S0，其中S3=0，S2=A1B1,S1=A1B0+A0B1,S0=A0B0，連接數(shù)碼管后即可輸出計(jì)算結(jié)果。3.1.5 測(cè)試結(jié)果及分析表格3-1 理論與測(cè)試結(jié)果實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致，此電路圖是正確的。3.2 發(fā)揮部分3.2.1 任務(wù)分析及方案比較本題的關(guān)鍵在于峰值捕獲，如果能確定一個(gè)信號(hào)的峰值，那么就有多種方法

8、實(shí)現(xiàn)信號(hào)增益的自動(dòng)控制，以下是我們?cè)诜治鰧?shí)驗(yàn)時(shí)的兩種方案。 方案一：將信號(hào)通過其峰值作為的參考電壓的ADC獲得該信號(hào)每時(shí)每刻對(duì)峰值的占比，再將該比值通過不同參考電壓的DAC來恢復(fù)出頻率、波形一致，振幅穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)的輸出信號(hào)。 這種思路的優(yōu)點(diǎn)是精度比較高，而且ADC和DAC都可以作為理想元件處理，不需要考慮實(shí)際元件的各種特性，只要能夠達(dá)到理想元件的要求即可實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是ADC只能處理正信號(hào)，因此一個(gè)正弦信號(hào)必須通過全波整流，或者分出一路信號(hào)經(jīng)反相器來分別處理，其對(duì)應(yīng)DAC的結(jié)果再次過反相器來還原，最終通過模擬加法器來恢復(fù)整個(gè)信號(hào)，需要元件多，電路復(fù)雜；方案二：直接將峰值經(jīng)過

9、要求的輸出電壓為參考電壓的ADC，獲得一個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的線性變化系數(shù)，再將輸入信號(hào)通過一個(gè)以此變化系數(shù)作為數(shù)據(jù)輸入的非理想DAC，也即是通過調(diào)整DAC芯片的接法（乘、除）和反饋電阻大小來與此系數(shù)配合，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的幅值控制。 這種思路的優(yōu)點(diǎn)是需要元件少，電路簡(jiǎn)單，不需要對(duì)輸入信號(hào)分正負(fù)處理；缺點(diǎn)是需要考慮模擬因素，需要通過計(jì)算來確定反饋電阻的大小，從而造成精度比較低。以上兩種方案是獲取峰值之后的對(duì)信號(hào)的處理方法，下面兩種方案是捕獲一個(gè)正弦信號(hào)的峰值的方法。 方案一是純數(shù)字比較。具體實(shí)現(xiàn)是將原信號(hào)通過一個(gè)參考電壓大于其最大可能幅值的ADC，獲得一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)Dn，并通過一個(gè)與AD

10、C共時(shí)鐘的寄存器M將其保存下來，那么每一時(shí)刻都有ADC的輸出數(shù)據(jù)Dn和M保存的上一時(shí)鐘周期的ADC數(shù)據(jù)Dn-1。將Dn和Dn-1通過一個(gè)數(shù)據(jù)比較器進(jìn)行比較，將比較器的輸出端通過JK觸發(fā)器進(jìn)行邏輯運(yùn)算，使得當(dāng)ADC的數(shù)據(jù)增大時(shí)JK觸發(fā)器輸出0，ADC數(shù)據(jù)減小時(shí)JK觸發(fā)器輸出1。至此，以JK觸發(fā)器的輸出作為另一個(gè)輸入連接M輸出的寄存器N的時(shí)鐘信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)將任意ADC數(shù)據(jù)波形的峰值數(shù)據(jù)保存下來。將此峰值數(shù)據(jù)通過一個(gè)參考電壓與ADC相同的DAC，即可將信號(hào)的峰值準(zhǔn)確恢復(fù)出來。 這種思路優(yōu)點(diǎn)是速度快，理論上可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)捕獲信號(hào)峰值，而且比較部分通過數(shù)字實(shí)現(xiàn)，精度高；而缺點(diǎn)也很明顯，就是

11、受誤差影響很大，尤其在波形不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)抖動(dòng)、毛刺的情況下會(huì)導(dǎo)致捕獲到錯(cuò)誤的峰值，而且對(duì)ADC的采樣速度有較高要求，如果ADC采樣速度低則會(huì)導(dǎo)致峰值有偏差，因此實(shí)際電路中我們并未采取這種方法。方案二是創(chuàng)造一個(gè)不斷升高的電壓檔位信號(hào)與輸入信號(hào)作電壓比較，將比較結(jié)果通過邏輯運(yùn)算確定當(dāng)前信號(hào)幅值的對(duì)應(yīng)檔位，再借此控制輸入信號(hào)的乘除倍數(shù)來實(shí)現(xiàn)增益控制。在本方案中，檔位信號(hào)是通過計(jì)數(shù)器控制一個(gè)參考電壓穩(wěn)定且大于信號(hào)最大可能幅值（實(shí)際取5V）的DAC的數(shù)據(jù)輸入來實(shí)現(xiàn)的。檔位信號(hào)在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)保持不變，因此總有與信號(hào)最大幅值作比較的機(jī)會(huì)，從而可以穩(wěn)定捕獲峰值，但是同時(shí)也要求檔位信號(hào)的周期（2n次電

12、壓遞增，n位DAC的位數(shù)）必須大于輸入信號(hào)最大周期的2n倍。 這種思路的優(yōu)點(diǎn)是能穩(wěn)定捕獲峰值，可以處理有較大誤差的信號(hào)，不會(huì)出現(xiàn)失真；缺點(diǎn)是捕獲速度慢，如果輸入信號(hào)的幅值正好是最大可能幅值，則需要經(jīng)過2n個(gè)最大周期才能捕獲峰值，尤其是當(dāng)要求精度很高即n值很大時(shí)，捕獲時(shí)間會(huì)比較長?？紤]到題目要求并不十分嚴(yán)格，所以我們最終采取了基于這種思路的方案二。3.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,然后用兩個(gè)74LS85構(gòu)成八位比較器，7485管腳圖如圖3-5所示，采用74LS08相結(jié)合周期清零構(gòu)成峰值異步清零，74LS08管腳圖如圖3-1所示，對(duì)于周期性清零是用74LS161與74L

13、S22結(jié)合形成周期性清零,用74LS373（管腳圖如3-6所示）完成第一鎖存與第二鎖存，最后通過D/AC0832整個(gè)過程完成除法器與數(shù)模轉(zhuǎn)換，形成穩(wěn)定信號(hào)。圖3-5 7485管腳圖 圖3-6 74LS373管腳圖D/AC0832采樣頻率為八位的D/A轉(zhuǎn)換芯片，它的管腳圖及內(nèi)部電路圖如圖3-7所示，其中 IOUT1是電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化。DAC0832輸出的是電流，一般要求輸出是電壓，所以還必須經(jīng)過一個(gè)外接的運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓。圖3-7 D/AC0832的管腳圖及內(nèi)部電路圖3.2.3 具體電路設(shè)計(jì)圖3-8  中頻自動(dòng)增益數(shù)字電路D/AC0

14、832由倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、運(yùn)算放大器和參考電壓VREF四大部分組成。運(yùn)算放大器輸出的模擬量u0為： （式3-2）由式3-2可以看出輸出的模擬量uo與數(shù)字量 成線性關(guān)系。即可實(shí)現(xiàn)可控的乘/除法。3.2.4 仿真結(jié)果及分析圖3-9 50mv仿真結(jié)果圖3-10 5v仿真結(jié)果仿真完全正常，輸出信號(hào)沒有產(chǎn)生失真，幅值范圍成功控制在3-4V之間，此電路圖是正確的。3.2.5 實(shí)物電路圖我們連的電路圖：第一次出來的圖形：經(jīng)過第二次重新連線，調(diào)試，出來的圖形就正常了，如下：第四章 實(shí)驗(yàn)思考與總結(jié)4.1 研究與思考（1）加法器實(shí)現(xiàn)2位乘法電路原理？?jī)蓚€(gè)二進(jìn)制數(shù)（A1A0與B1B0）相乘，可得到四

15、位二進(jìn)制數(shù)分別相乘的積（A1B1，A1B0，A0B1，A0B0），令S2=A1B1，S1=A1B0+A0B1，S0=A0B0，則輸出S2、S1、S0即可。 （2）D/AC0832工作方式有哪些？ D/AC0832工作方式包括雙緩沖工作方式、單緩沖工作方式和直通型工作方式。 （3）操作中引入競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)現(xiàn)象，探究其產(chǎn)生原因。 在實(shí)際電路中，由于信號(hào)變化時(shí)的過渡過程不一致和門電路的傳輸延時(shí)的存在，會(huì)使電路產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)現(xiàn)象。其中，將一個(gè)門電路多個(gè)輸入端信號(hào)同時(shí)跳變，或者一個(gè)信號(hào)經(jīng)由不同的路徑傳到同一個(gè)門的輸入端致使信號(hào)到達(dá)的時(shí)間不同的現(xiàn)象稱為競(jìng)爭(zhēng)，由于競(jìng)爭(zhēng)而可

16、能在電路輸出端產(chǎn)生尖峰脈沖的現(xiàn)象稱為冒險(xiǎn)。（4）測(cè)量輸出信號(hào)失真方法有哪些？ 測(cè)量輸出信號(hào)失真有直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N方法。直接測(cè)量法：失真度儀由輸入電平調(diào)整電路、基波抑制電路和電子毫伏表等三部分組成。被測(cè)信號(hào)輸入電平調(diào)整電路后,將開關(guān)置于“1”位置，電子毫伏表指示在滿度(1伏)。將開關(guān)撥向“2”，調(diào)整基波抑制電路使基波抑制到最低限度。這時(shí)毫伏表的刻度即為基波與諧波電壓有效值之比，直接指示失真度。間接測(cè)量法:被測(cè)信號(hào)通過開關(guān)S的“1”位置，經(jīng)基波抑制電路調(diào)諧后，由毫伏表指示全部諧波電壓值；然后將開關(guān)S接至“2”，并調(diào)整衰減器使毫伏表指示原來位置。從衰減器度盤上讀出失真度。此法操作復(fù)雜

17、，但測(cè)量精確度較高。 （5）估算或測(cè)量發(fā)揮部分（2）輸入到輸出的時(shí)間？ 輸入輸出時(shí)間差主要是在DAC0832造成的。 （6）A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路的參考電壓和輸出最大電壓有什么關(guān)系？最大輸出電壓和參考電壓的關(guān)系是：（7）當(dāng)輸出成為一條直線時(shí)，能否達(dá)到自動(dòng)增益控制的目的？ 不能達(dá)到自動(dòng)增益的目地，我們所要的是找到合適的增益，并且使輸出和輸入波形變化一致。 （8）輸出負(fù)載改為8，應(yīng)如何修改電路？ 修改驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路的電阻，使其能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載。4.2 實(shí)驗(yàn)總結(jié)在本次數(shù)電實(shí)驗(yàn)中，我們主要做了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)用加法器實(shí)現(xiàn)2位乘法電路，一個(gè)是

18、發(fā)揮實(shí)驗(yàn)中頻自動(dòng)增益數(shù)字電路。其中第一個(gè)電路是自己做的，通過老師上課講解的大體原理，用加法器74LS283和與門74LS08設(shè)計(jì)出來，因?yàn)槭?位乘法電路，所以不用考慮進(jìn)位，就比較簡(jiǎn)單。而第二個(gè)實(shí)驗(yàn)3人為一組，我們首先對(duì)老師給的電路圖進(jìn)行了仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)效果并不是很理想，增大電壓時(shí)增益變化比較大，所以我們對(duì)電路進(jìn)行了改造，加了兩個(gè)負(fù)載，最終的仿真效果十分理想。但是盡管如此，我們搭電路的時(shí)候還是遇到了很多問題。最開始搭好電路后示波器沒有輸出，所以我們只能一點(diǎn)一點(diǎn)的檢查電路，結(jié)果發(fā)現(xiàn)真的因?yàn)轳R虎，不少接口沒有接地或者連接錯(cuò)誤，在改正后終于出現(xiàn)了波形，但是可能是因?yàn)樾盘?hào)干擾太強(qiáng)，導(dǎo)致我們的電路在輸入小信號(hào)時(shí)效果并不理想，雜波十分嚴(yán)重，但是大信號(hào)時(shí)的效果還是很好的，尤其是除法電路的部分。通過這次試驗(yàn)，我們了解到看芯片手冊(cè)是一件十分重要的事情，因?yàn)樗粌H可以告訴你芯片的引腳圖，還有芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，學(xué)會(huì)看芯片手冊(cè)對(duì)我們的電路設(shè)計(jì)十分