题目：数字积分器
一 设计题目：数字积分器
二 设计任务与要求：
1. 2. 3. 4.
模拟输入信号0~10V，积分时间1~10秒，步距1秒。 积分值为0000~9999。 误差小于1%±1LSB 。
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：
数字显示
Vi
V/F转换器单稳电路
(积分时间)
与门
四位16进制计数器
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、电容：若干 调零电位器：100K Ω
五 电路系统的工作原理
通过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、数字显示电路。
大概的实验方向是：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。方案（一）的实验如图：
由于741芯片是我们所未学习的芯片，属于运放级联的问题，而LM556CM 属于本学期数字电路的内容，而且应用过，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。
综上所述，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）NE555对三角波的整形部分，是采用NE555构成施密特触发器的形式对于将三角波整形为方波，电路图如下：
VCC
（3）两部分电路通过NE555的3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如下：
-15V
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R 4、R 5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=IC2，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，我们选择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象三角波和方波。
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。仿真波形如下：
2 时间积分电路（单稳电路）
时间积分电路采用LM556CM ，相对于V/F转换器，时间积分控制电路的设计较为简便。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。
电路组成及工作原理
（1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态
当电路无触发信号时，v I 保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端v O 保持低电平，555内放电三极管T 饱和导通，管脚7“接地”，电容电压v C 为0V 。 （2）v I 下降沿触发
当v I 下降沿到达时，555触发输入端（2脚）由高电平跳变为低电平，电路被触发，v O 由低电平跳变为高电平，电路由稳态转入暂稳态。 （3）暂稳态的维持时间
在暂稳态期间，555内放电三极管T 截止，V CC 经R 向C 充电。其充电回路为V CC →R →C →地，时间常数τ1=RC ，电容电压v C 由0V 开始增大，在电容电压v C 上升到阈值电压V cc 之前，电路将保持暂稳态不变。 （4）自动返回（暂稳态结束）时间
2
3
当v C 上升至阈值电压V cc 时，输出电压v O 由高电平跳变为低电平，555内放电三极管T 由截止转为饱和导通，管脚7“接地”，电容C 经放电三极管对地迅速放电，电压v C 由V cc 迅速降至0V （放电三极管的饱和压降），电路由暂稳态重新转入稳态。 （5）恢复过程
当暂稳态结束后，电容C 通过饱和导通的三极管 T 放电，时间常数τ
2=R CES C ，式中
2
3
23
R CES 是T 的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此τ
2后，电容
2
之值亦非常
小。经过（3～5）τC 放电完毕，恢复过程结束。
恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可以接收新的触发信号。
脉宽公式T w =RClnVcc/(Vcc-⅔Vcc)=1.1RC。当Tw=1秒时，取c=10uF，则计算出电z 阻大小约为91千欧左右，故选用100千欧的电位计，以便进行微调。
下面电路为NE555时基集成块组成非可重复触发单稳态电路时的标准电路。
3、与门电路
与门电路是整个电路中最简单的部分，用一片74LS08就可以。它是把时间积分
电路的输出端口和V/F 压频转换的LM556CM 的输出端口进行相与，从而得到时间为1秒相应频率的方波。 4、计数器电路
计数器电路的连接比较简单。因为上学期的数电课上，老师讲过，而且在实验考试中，我正好抽到了74161接成任意进制计数器的题目。所以这个部分我们用了置零法来实现，在低一级的与非门到底是连接10还是9的问题上，我们出现了点儿小的讨论，因为置零法在下一个脉冲触发的瞬间一下就全部清零了，所以我们选择了接10。事实也是如此 仿真图
七：电路调试过程：
总电路图为：
1、各单元电路及整体电路的调试
在实验连接开始时，我们首先对面包板进行了布置策划。为了避免各原件及线之间的干扰，避免线路的交叉，是线路更合理性。我们各抒己见，对整个安排也作了策划。首先是计数器的元器件较多，接线较为复杂，为了避免由于线过密而对今后的实验有影响。因此把此部分放到面包板的最上面，大概留出二分之一的空间，面包板的下方则分成两部分用来接V/F压频转换电路和时间积分电路，这样使整体一目了然，也使实际调试时非常方便，并且对后面电路的辅助调整起到了一定的作用。
为了调试的顺利进行，调试方案也有两种，一种是把所有部分都联在一起，整体调试，另一种则是分别调试电压-频率转换器、单稳电路、计数器，确认它们可以工作时，然后再把各个部分的电路整合，进行最后阶段的调试。综合考虑后者可以更清楚的明白那部分有问题，从而可以更快的找到问题的原因，会更省时间，这也是进行各种实验的常用方法。
（1）对单稳电路的调试：主要是测试是否能实现时间为1秒。要求尽量准确。主要用示波器来跟踪观察。调解示波器时间为500毫秒，将输出接示波器，
并将其调为一个亮点。当亮点走过示波器的两个格子时即为一秒的时间。将输入接学习机触发脉冲，手动触发，观察示波器，发现亮点只走一个小格就回到低电平，调解电位计，边调边观察，直至积分时间为1秒为止。但是此种方法人为误差太大，在听取老师意见后，将1kHZ 脉冲与积分时间相与，接入调试后的计数器。给一个触发信号，计数器显示1000，则调试成功。此种方法的好处是：由于输出1000，要求积分时间的精度要高。因电路较为简单，问题不多。
（2）对V/F压频转换电路调试：此单元是用时间最长的部分。实验中运放部分给的是741。此运放需要接正向电压和反向电压，运动和由555构成的施密特触发器的接线很容易出现错误，当电压设置不合理时压频转换器不能正常工作或者无法正常显示，一些电容的大小也影响结果的产生，在初次实验时con 处的电容不合理导致无法正常显示，此器件的需要不同的电压，在电压的设置上有很多问题，刚开始室没有注意到电源是需要标号进行区别的，结果一个电源值的改变导致全部结果的改变。
（3） 三部分电路由74LS08与非门连接电路图如下
在开始整体调试后，由于各部分线路繁多，而且各元件的性能很容易互相造成干扰，我们遇到了很多麻烦。而整体多又乱也造成了查明错误原因的不方便。很难查出是哪部分的问题。
我们开始时计数器能正常运作，但整体连接后，却出现不正常计数的现象，进位不太对，使我们不知所措。经我们检查发现是线路间干扰而造成的问题。在此处我们产生了分歧，对出错原因进行了讨论，线路又重新检查并重新调0后仍
没有解决，最后将一些令乱的长线及较差在一块的线进行整理和重新布线。问题 得到一定解决，而随后又出现了一个麻烦的问题，计数器很不稳定，即使用手触摸计数器的输入，计数器都会计数。后来再检查时我将555和LM358以及计数器的接地端分离开来接地时计数器神奇般的有回复正常了。整个数字积分电路的设计、接线与调试全部完成。并顺利达到课程设计任务书的要求。
2、电路出现问题及解决方案
（1） V/F电压频率转换电路的频率调节中出现的问题
在该过程中，我们按照EDA 仿真图连接后，并用示波器监测出波形。一切准备好后，打开电源。示波器并没有出现三角波。更不要说是555的方波了。重新检查后发现其中的导线有个别连接错了。后将其改正。重新打开电源。可是还是没有三角波。在一次重新检查电路后并没有发现其他的问题。后再打开电源，可还是没出。再后我们经过反复检查，反复查看线路，并和别的组讨论，终于明白输入电信号的负端要接地，及自己手中的管脚图是错的。可是更改之后还是无结果，这使我们很疑惑。但电路并无问题了，经多方讨教最后怀疑可能是芯片是坏的，更换741和555后，出现µA741产生的三角波正常，NE555组成的施密特触发器也得到正常矩形波。
（2）555单稳态电路调节中出现的问题
按照仿真电路连接后，将555的3端连接示波器后，输入一个脉冲，波形升高一格。可是1秒过后没有恢复原来的波形。我们开始检查电路，发现其中管脚有部分连接错误。改正后波形正常。输入一个高电平后1秒后恢复低电平波形。
（3）计数器电路调节中出现的问题
按照仿真电路连接后，计数器计数不正常。刚开始四片74160是按照并联进位方式进行连接，在对各个接线柱进行核对检查后发现有一片74160的置数端没有接高电平，在结果显示的过程中发现在最低为显示9后，下一个高位就显示1，之后将4片74160改为串联进位方式，结果有了很大改观，低位由9变为0时，高位由0变为1
（4） 总体电路的调节中出现的问题
a.当连接好三部分电路，打开电源发现计数器开始计数，但出人意料计数器无法停止。不受积分时间的2管脚脉冲的控制。在各部分电路均经过调试，并没有问题，开始怀疑为74LS08损坏，更换后仍未解决，芯片测试仪测试，芯片也正常了。可还是无法停止，后来经查证，是有干扰，并在CP 端和地之间加了个电容。此时计数器能受控制。在理论上，输入1伏的电压示波器应转化为100赫兹的频率，2伏的应为200赫兹，以此类推。可我们的电路输入2伏电压，出现的是172赫兹。反复调解电位器并不起任何作用。经过老师指点，将接正5伏的导线连接到调节电压上，后调节开启电压值，直到频率与电压满足准确的线性关系。此时测得开启电压为4.2伏左右，比正常5伏偏低。此时整个电路工作正常。
b. 把压频转换电路接入整个电路，按下积分时间部分的单脉冲开关，计数仍不准确，这说明此时的误差发生在压频转换部分，实际上此部分的误差最大，受外界影响最大，也最难调节。从2V 到10V 误差都挺大的。但我们发现随着整个电路通电时间的增长，计数结果有向误差增大的方向上下跳动的趋势，怀疑为元器件参数因本身温度变化而变化，我们便测3组数据后就关闭电源。等过一些时间后，然后继续测量再调节，终于使计数结果满足误差范围。
上面是在实验过程中所遇到的主要问题，我进行了一些自己个人的分析。当然还有一些其它的小问题。这里就不一一说明了。
八、实验数据和误差分析
1、实验数据表
2
误差分析： （1）误差分析图
（2） 误差计算方法：误差精度=
∑测量值-⨯100%
10⨯100⨯电压值
九、课程设计的收获体会
1、通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和multsim 连接图，和芯片上的选择。在这这个方案中我们使用了4片74160 3片7406 2片74LS08 2片LM556CM 1片75LS081片 OPAMP741 1片7406N
2、在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。同时我们在接线的同时遇到了很多问题，最大的是如何把分电路图整合到一张图上，在向同学学习后，这个难题终于克服了，这是我认识到团队的重要性。
3、我在做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。
4、此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。
十、附录：
1、测试仪器：
数字万用表 示波器 2、 参考书及参考资料
《电子设计从零开始》 杨欣等 清华大学出版社 2005年10月出版 《数字电子技术基础》第五版 阎石 高等教育出版社 2004年4月出版 《模拟电子技术基础》第三版 童诗白 高等教育出版社 2001年1月出版 《电子技术》设计任务书 河南城建学院 百度网上查询