数字积分器一、设计题目数字积分器二、设计任务和要求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%±1LSB4.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、原理电路设计：：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：100K Ω五、电路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、单元电路设计（一）基本运算电路原理与说明：1．运算放大器的主要技术参数双输入、单输出运算放大器的符号如图1所示，各端子相对于地的电压及端子电流如图中所示。

在实际中，运算放大器有上千种型号，描述其性能的技术参数如下：u uuouo图1 运算放大器的符号图2运算放大器的输入失调电压LM358管角图（1）输入失调电压U io实际运放由于制造工艺问题，两个输入通路不可能完全匹配，当输入电压U i 为零时，输出电压U o 并不为零。

这相当于在两输入通路完全匹配运放的输入端串有一电压源U io ，如图2所示。

显然，当U i =U io 时，输出电压U o =0。

U io 称为运放的输入失调电压。

对超低失调运放，U io 可低于20V 。

输入失调电压的一种测试电路如图3所示，R '=R 1//R f ，可求得o 1f 1io U R R R U +=按上式用电压表测得输出电压U o 后，可计算出输入失调电压U io 。

（2）输入失调电流I io运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的差值定义为输入失调电流。

pn io o =-=U I I IR o图3 测试失调电压的电路（3）输入偏置电流I ib运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的平均值定义为输入偏置电流。

0n p ib o )(21=+=U I I I对双极型运放，ib I 可达纳安量级；对MOS 运放，ib I 可达皮安量级。

o图2.6-3 测试失调电压的电路（4）开环电压增益A 0运放的电压传递函数与频率有关，在一定频率范围内近似为()0np o /j 1j ωωω+=-=A U U U A式中：A 0为直流增益；0=2 f 0为3dB 角频率，f 0通常在10Hz 以下。

在无外部反馈条件下，给运放施加一小信号，使运放工作在线性区，且信号频率很低，低于运放的3d B带宽，输出信号电压与输入差分信号电压的比值称为开环电压增益。

其值A 0可超过100dB 。

对设计良好的运放或内部补偿运放，开环电压增益与3dB 带宽频率的乘积近似等于单位增益频率（增益为1时的频率），它是有源滤波器设计中一个很重要的参数。

对A741型运放，其典型值为1MHz 。

（5）转换速率S R （也称压摆率）在阶跃电压输入下，运放输出电压的最大变化速率称为转换速率。

maxo R d d tu S =在运放参数手册中，通常以单位V/(s)表示。

当输入信号频率比较高时，由于运放内部电容的电流受晶体管可提供电流的限制，因而电压的变化率不能超过某一最大值。

受转换速率影响，当信号频率高于一定值时（取决于运放增益，电路的闭环增益等因素），会引起输出信号的失真。

2．基本运算电路（1）反相比例运算电路电路如图2.6-4所示，理想电压传递比为1f in o R R u u -=o图2.6-4 反相比例运算电路在电路设计时，电阻的取值应在合适的范围之内，除应满足电压传递比要求外，还要考虑运放输出电流的限制，并使运放非理想因素的影响尽可能地小。

此外，电阻本身的功耗不能超过其额定值。

对图2.6-4电路，R f 的取值应使运放的输出电流小于其最大值。

设运放输出端与地间不接负载，则运放的输出电流foo R U I =设运放的最大输出电压为U om ，最大输出电流为I om ，则R f 的值一般应满足omomf I U R >R f 取值也不能过大，否则流过R f 的电流则比较小，运放输入失调电流的影响变大。

阻值过大的电阻稳定性差，精度低，噪声也大。

通常R f 的取值在数千欧到数百千欧之间。

R f 确定后，再根据电压传递比确定R 1的值。

此外，R f 、R 1的值还应尽可能属于标称系列，一般要避免使用串并联形式匹配其值。

（2）同相比例运算电路电路如图2.6-5所示，理想电压传递比为1f in o 1R RU U +=R图2.6-5 同相比例运算电路3、积分电路如图4所示，设V 0)0(o =u ，运放是理想的，则⎰-=tx x u RC t u 0in o d )(1)( 如果输入电压为阶跃信号，)(ε)(in in t U t u =，上式积分为()t U RCt u in o 1-= 式中：RC 为积分时间常数。

在一定时间后，运放进入负饱和区。

如果输入为正弦电压，()t t U t u ε)(cos )(m in ω=，则积分器的输出为)90cos()sin()(m m o +=-=t RC Ut RC U t u ωωωω 输出电压的幅值与频率成反比，相位超前输入电压90°。

在理想情况下，只要输入信号为足够小的正弦函数，输出电压也为正弦函数。

R图4 积分电路当考虑运放失调因素的影响时，即使输入电压u in =0，输出仍有一定数值的零漂电压，这个电压随时间变化，该现象称为积分漂移。

为了减小积分漂移，实际中给积分电容还并接一比较大的反馈电阻R f ，如图4所示。

为了减小由R f 引起的积分误差，一般取R f >10R 。

（二）555构成的比较电路一、555简介1、关于脉冲信号狭义：持续时间极短的电压或电流信号 广义：凡不具有连续正弦形状的信号2、关于脉冲单元电路用来产生、变换、真心脉冲信号的电路3、脉冲单元电路的主要形式(1)施密特触发器(2)单稳态触发器(3)多谐振荡器(4)555定时器4、555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，只要在外部配上适当的阻容元件，就可以方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。

在工业自动控制、定时、仿声、电子乐器、防盗报警等方面得到广泛应用。

二、555芯片说明（1）NE555定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。

组成的施密特触发器可用于脉冲的整形，单稳态触发器可用于调整脉冲的宽度，多谐振荡器可用于提供方波信号。

因而NE555广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。

其工作原理如下：555电路的内部电路方框图如右图所示。

它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3V和CC V。

A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。

当输入信1/3CCV时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时号输入并超过2/3CCV时，触发器置位，放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3CC555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。

R是复位端，当其为0时，555输出低电平。

平时该端开路或接VCC。

DVc 是控制电压端（5脚），平时输出2/3CC V 作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf 的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T 为放电管，当T 导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

① 组成施密特触发器电路如图3-1所示，只要将脚2和6连在一起作为信号输入端，即得到施密特触发器。

图3-2画出了S V 、Vi 和Vo 的波形图。

设被整形变换的电压为正弦波S V ，其正半波通过二极管D 同时加到555定时器的2脚和六脚，得到的Vi 为半波整流波形。

当Vi 上升到2/3CC V 时，Vo 从高电平转换为低电平；当Vi 下降到1/3CC V 时，Vo 又从低电平转换为高电平。

回差电压：△V=VCC VCC VCC 313132=-图3-1 555构成施密特触发器 图3-2 555构成施密特触发器的波形图②构成单稳态触发器如右图为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。

D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。

并使2端电位瞬时低于1/3V，低电平比较器动作，单稳态电CC路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。

当Vc充电到2/3V时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平CC返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。

波形图如下：（即为延时时间）决定于外接元件R、C的大小，暂稳态的持续时间Tw=1.1RC 。

通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分Tw钟之间变化。

当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。

此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。

三、555构成的电压频率转换电路电路中，NE555的振荡频率由VT2进行控制，其3脚输出波形的低电平期间(输出波形的T1期间)，由于VTI截止，VT2导通有电流Ic2流通，其大小受Al 输出电压的控制。