课程设计函数信号发生器课程设计论文

中国计量学院现代科技学院课程设计报告1中国计量学院现代科技学院课程设计报告课程设计名称函数信号发生器系（部）专业班级姓名学号指导教师2013年5月16日中国计量学院现代科技学院课程设计报告II目录前言31设计任务及要求311基础部分312拓展部分42方案论证421基础部分422整体思路53集成芯片介绍631基础部分芯片介绍6311NE555芯片6312UA741芯片732扩展部分芯片介绍7321MC14553芯片7322CD4543芯片94单元电路设计1041电源极性保护电路1042矩形波发生电路1143三角波发生电路1344正弦波发生电路1545扩展部分数码管频率显示电路1846总体电路图195安装调试2351基础部分安装调试2352拓展部分安装调试236测试结果及数据分析257元件选择及器件清单268总结体会26参考文献27附录实物图28附录A指导教师评语及成绩29中国计量学院现代科技学院课程设计报告1前言实验课、课程设计和毕业设计是大学阶段，既相互联系又互有区别的三大实践性教学环节。实验课着眼于通过实验验证课程的基本理论，并培养学生的初步实验技能。而课程设计则是针对某一门课程的要求，对学生进行综合性训练，培养学生运用课程中所学到的理论与实践紧密结合，独立地解决实际问题。毕业设计虽然也是一种综合性训练，但它不是针对某一门课程，而是针对本专业的要求所进行的更为全面的综合训练。电子技术课程设计应达到如下基本要求1巩固和加强“模拟电子技术”、“数字电子技术”课程的理论知识。2掌握电子电路的一般设计方法，了解电子产品研制开放过程。3提高电子电路实验技能及仪器使用能力。4掌握电子电路安装与调试方法及故障排除方法。5学会撰写课程设计总结报告。6通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。7培养创新能力和创新思维。本组进行了这次课程设计任务，设计主要采用运算放大器与独立的模拟器件共同组成的三角波正弦波方波函数发生器。函数信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，在工业、农业、生物医学等领域内，都需要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。1设计任务及要求设计方波、三角波、正弦波函数信号发生器11基础部分1设计、组装、调试函数信号发生器；2输出波形正弦波、三角波、方波；3频率可调频率在10HZ10KHZ范围内可调；4输出电压方波VPP1V。中国计量学院现代科技学院课程设计报告412拓展部分1占空比可调方波的占空比在2050可调；2电压可调三角波的峰峰值可调；3使用数码管显示输出频率或输入电压。2方案论证21基础部分1方案一基于NE555定时器的函数信号发生器采用555组成的多谐振荡器可以在接通电源后自行产生矩形波再通过积分电路将矩形波转变为三角波再经一阶低通滤波电路转变为正弦波2方案二基于UA741芯片的函数信号发生器采用集成电路实现，主要部件有高速运算放大器UA741、单片函数发生器模块、电位器和一些电容、电阻组成。首先产生正弦波，再由过零比较器产生方波，最后由积分电路产生三角波。正弦波通过RC串并联振荡电路（文氏桥振荡电路）产生，利用集成运放工作在非线性区的特点，由最简单的过零比较器将正弦波转换为方波，然后将方波经过积分运算变换成三角波。3方案三采用分立结构，分别采用各自的电路产生方波，三角波，正弦波。方波采用NE555组成的多谐振荡器可以在接通电源后自行产生矩形波，再通过减法器，使NE555产生的方波既有V,也有V，关于0轴对称，再通过电压跟随器使方波更加稳定。三角波通过滞回比较器与反相积分器产生三角波。正弦波通过滞回比较器与反相积分器产生三角波，再通过有源一阶低通滤波电路将三角波转变为正弦波。4方案比较与选择方案一，采用NE555定时器芯片，虽然电路原理图较为简便，基于NE555芯片自身特点产生的方波稳定，但是产生的波形幅值都较小，不能满足设计的要求，外加电路时较难同时满足调节输出方波占空比与频率的要求中国计量学院现代科技学院课程设计报告5方案二，采用芯片虽然精度较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，而它们只能产生低频正弦波、矩形波和三角波，且频率与占空比不能单独调节，三角波失真严重，且正弦波频率可调范围较小，从而给使用带来很大不便，也无法满足高频精密信号源的要求。方案三，采用分立结构，分别采用各自的电路产生方波，三角波，正弦波。课同时输出三种不同要求的波形。方波采用NE555芯片，产生的波形稳定且可调占空比，同时频率可调。三角波采用UA741芯片，产生的波形稳定且可调幅值及频率。正弦波，采用UA741芯片，产生的波形稳定，基准线，幅值及频率可调，各波之间互不影响。综上所述，本课题选用方案三。22整体思路根据课题要求，基础部分由三个分立电路（矩形波发生电路，三角波发生电路及正弦波发生电路）组成，扩展部分由显示电路组成，各部分系统框图如下矩形波发生电路三角波发生电路555多谐振荡器减法器电压跟随器滞回电压比较器反相积分器中国计量学院现代科技学院课程设计报告6正弦波发生电路3集成芯片介绍31基础部分芯片介绍311NE555芯片NE555的主要特点1只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。2它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。3其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。4它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。NE555的引脚功能PIN1（接地）地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。PIN2（触发点）这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。PIN3（输出）当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压小17V的高电一阶有源低通滤波器减法器滞回电压比较器中国计量学院现代科技学院课程设计报告7位。周期的结束输出回到OV左右的低电位。在高电位时的最大输出电流大约200MA。PIN4（重置）一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。PIN5（控制）这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器进行在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。PIN6（重置锁定）PIN6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。PIN7（放电）这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。PIN8（V）这是555计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是45V（最小值）至16V（最大值）。312UA741芯片UA741的主要特点UA741，是通用高增益运算通用放大器，也是最常用的运放之一。UA741和他的同等产品LM741等等，应用非常广泛,。UA741采用双列直插8脚或圆筒8脚封装。它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此我们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有滞回比较器和窗口比较器。UA741的引脚功能管脚图及工作参数集成运算放大器UA741的管脚图见图所示。其主要极限参数（最大额定值）如下。最大电源电压18V最大差分电压（同相端与反向端之间的输入电压）30V最大输入电压15V最大输出电压比电源电压略低32扩展部分芯片介绍321MC14553芯片MC14553的主要特点MC14553是3位十进制计数器，但只有1个输出端，要完成3位输出，采用扫描中国计量学院现代科技学院课程设计报告8输出方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制3位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。MC14553的引脚功能CLOCK计数脉冲输入端，下调沿有效。CIA、CIB内部振荡器的外界电容端子。MR计数器清零（只清计数器部分），高电平有效。LE锁定允许。当该端为低电平时，3组计数器的内容分别进入3组锁存器，当该端为高电平时，锁存器锁定，计数器的值不能进入。DIS该端接地时，计数脉冲才能进行计数。DS1、DS2、DS3位选通扫描信号的输出，这3端能循环地输出低电平，供显示器作为位通控制。Q0、Q1、Q2、Q3BCD码输出端，它能分时轮流输出3组锁存器的BCD码。MC14553内部虽然有3组BCD码计数器（计数最大值为999），但BCD的输出端却只有一组Q0Q3通过内部的多路转换开关能分时输出个、十、百位的BCD码，相应地，也输出3位位选通信号。例如当Q0Q3输出个位的BCD码时，DS1端输出低电平；当Q0Q3输出十位的BCD码时，DS2端输出低电平；当Q0Q3输出百位的BCD码时，DS3端输出低电平时，周而复始、循环不止。MC14553真值表输入输出置零端（13脚）时钟（12脚）使能（11脚）测试（10）0上升沿00不变0下降沿00计数0X1X不变01上升沿0计数01下降沿0不变00XX不变0XX上升沿锁存0XX1锁存1XX0Q01230X任意中国计量学院现代科技学院课程设计报告9322CD4543芯片CD4543的主要功能CD4543是BCD锁存/七段译码/驱动器，有灯测试功能；有消隐输入端；以异或门作输出级，可方便地驱动LCD1LE，2C，3B，4D，5A，6PH，7BI，8VSS，9A,10B,11C,12D,13E,14G,15G,16VDDCD4543的引脚功能CD4543有4个输入端A、B、C、D，与计数器的输出端相连；有7个数码笔端输出驱动端AG。译码器CD4543可以驱动共阴、共阳两种数码管，使用时，只要将PH引脚接高电平，即可驱动共阳极的LED数码管；将PH引脚接低电平，即可驱动共阴极的LED数码管。CD4543管脚图CD4543的真值表输入输出LD1BI7PH6DCBAABCDEFG显示X11XXXX1111111黑屏10100000000001010100011001111110100100010010210100110000110310101001001100410101010100100510101100100000610101110001111710110000000000810110010000100910110101111111黑屏10110111111111黑屏10111001111111黑屏10111011111111黑屏10111101111111黑屏10111111111111黑屏中国计量学院现代科技学院课程设计报告104单元电路设计41电源极性保护电路电源极性保护电路该部分电路的主要功能，是保护电路，消除电源极性接法对芯片的影响。其中，1N4007作为整流二极管，具有单向导电性，具有较强的正向浪涌承受能力。电解电容C1对电流有缓冲作用。中国计量学院现代科技学院课程设计报告1142矩形波发生电路555多谐振荡器555定时器组成的多谐振荡器如左图所示接通电源后，电容C2（C3、C4）被充电，当VC上升到2VCC3时，使V0为低电平放电三极管T导通，此时电容C2（C3、C4）通过R2R3R4T放电，VC下降。当VC下降到VCC3时，V0翻转为高电平。放电结束时，T截止，VCC通过R1R2R3R4C2（C3、C4）向电容C2（C3、C4）充电，当VC从VCC3上升到2VCC3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，在输出端得到一个周期性的矩形波。图中稳压二极管具有单向导电性，故改变可调电阻R3的阻值，使得电容C2（C3、C4）的充放电时间发生变化，从而达到调节矩形波占空比的要求。以电容C2充放电所时间计算为例电容C2放电所需的时间为TPL（R2R3R4）C2LN2电容C2充电所需的时间为TPHR1R2R3R4C2LN2占空比TPHTPLTPH振荡频率F1（TPLTPH）由计算公式可知，通过改变电容C2的大小，即可有效改变NE555芯片总的充放电时间，从而达到调节频率的要求。图中电容C1的作用是起滤波缓冲作用，防止在频率较高时，矩形波产生毛刺和减小加电时浪涌对555芯片的冲击，保护芯片。中国计量学院现代科技学院课程设计报告12减法器和电压跟随器电路仿真结果NE555定时器PIN3产生的矩形波由NE555产生的矩形波信号，其VMAX0,VMIN0；波形不关于基准线对称，故需要在OUT端后添加减法器U2，目的是为了改变矩形波的最大值和最小值，最终使矩形波关于基准线的上下对称，得到所需的方波信号，产生的方波信号再经过电压跟随器U3，使其更加稳定。减法器的工作原理电压跟随器具有输入电阻高与输出电阻低的特点，常用作缓冲器或阻抗变换器。中国计量学院现代科技学院课程设计报告13通过减法器和电压跟随器的方波43三角波发生电路方波发生电路方波振荡频率与周期的计算滞回电压比较器如左图所示利用滞回电压比较器的特性中与后续电路的RC负反馈网络构成一个矩形波发生电路。电容C的充放电，形成自激振荡，产生一种完全对称的方波。三角波发生电路中包含RC振荡电路，通过电容的充放电起振。中国计量学院现代科技学院课程设计报告14反相积分器仿真结果三角波反相积分电路如右图所示给积分器输入一个方波，则它的输出就是一个三角波，因此只需在上述方波发生电路的输出端再加一级积分器U2，就成了三角波发生电路。三角波振荡频率与周期的计算故通过调节可调电阻器的阻值，改变输出三角波的频率和幅值。滞回电压比较器对输入电压的分辨能力较低，在高频端时受UA741自身硬件的限制，波形失真较为突出。中国计量学院现代科技学院课程设计报告1544正弦波发生电路方波与三角波发生电路方波与三角波发生电路如上图所示原理是给积分器U2输入一个方波，则它的输出就是一个三角波，因此只需在方波发生电路U1的输出端再加一级积分器U2，就成了三角波发生电路，其主要功能是为后续电路产生一个频率可调的稳定的三角波，R6改变U1的输出电流，起到调节幅值的作用。三角波振荡频率与周期的计算中国计量学院现代科技学院课程设计报告16有源一阶低通滤波电路幅频响应这里的WN就是3DB截止角频率。由式可画出电路的幅频响应从幅频响应来看，一阶滤波器的效果还不够好，它的衰减率只是20DB/十倍频。若要求响应曲线以40或60DB/十倍频的斜率变化，则需采用二阶、三阶或更高阶次的滤波器，而高于二阶的滤波器可由一阶和二阶有源滤波器构成。因此下面重点研究二阶有源滤波器的组成和特性。低通滤波电路主要用于信号是低频或直流的，而需要削弱高次谐波或频率较高的干扰和噪声等场合。该电路可将三角波转变成正弦波1原理简图如果在一阶RC低通电路的输出端，再加上一个电压跟随器，使之与负载很好隔离开来，就构成一个简单的一阶有源RC低通滤波电路2幅频响应对于实际的频率来说，式中的S可用SJW代入，由此可得中国计量学院现代科技学院课程设计报告17仿真结果减法器电路仿真结果中国计量学院现代科技学院课程设计报告1845扩展部分数码管频率显示电路3位计数、译码、驱动、显示电路上图中IC6为MC14553；IC7为CD4543计数器MC14553的DS1DS3输出为方波。当按下S时，V6饱和导通，V6的C极为低电平，MC14553的11脚变为低电平，计数器开始对来自整形电路的方波个数进行计数，最大计数为999，计数结果以BCD码的形式从Q0Q3输出。11脚不管是高电平还是低电平，DS1DS3始终输出图629的方波。当DS1是低电平的时候，个位显示器被选中，Q0Q3输出个位要显示的数值；当DS2是低电平的时候，十位显示器被选中，Q0Q3输出十位要显示的数值；当DS3是低电平的时候，百位显示器被选中，Q0Q3输出百位要显示的数值。显示采取动态扫描的方法，即多位数码管在位选通信号的控制下，每个数码管按照一定的顺序轮流发光显示。由于控制显示信号的频率很高，而人眼具有视觉暂留特性，所以人眼看起来，数字的显示效果和静态显示完全一样，不会有任何的闪烁感觉。随着集成技术的发展，目前有一种集计数、编码、译码、驱动和显示为一体的集成组合器件CL系列集成显示器。CL系列集成显示器具有体积小，成本低特点，已经得到广泛应用。中国计量学院现代科技学院课程设计报告1946总体电路图中国计量学院现代科技学院课程设计报告20中国计量学院现代科技学院课程设计报告21中国计量学院现代科技学院课程设计报告22中国计量学院现代科技学院课程设计报告235安装调试51基础部分安装调试按总体电路图完成矩形波，三角波，正弦波电路元器件布局、安装。电路装配完成后，首先用数字万用表二极管档检查集成块插座引脚之间是否有短路现象。先不通电，检查电路正确性。如正确，先不插集成芯片，通入电压，再检查集成块的供电是否正常。将相应的芯片，正确插到插座上。52拓展部分安装调试按总体电路图完成计数、译码、驱动、显示电路元器件布局、安装。电路安装完成后，先不通电，用数字万用表二极管检测IC6的8脚、10脚，IC7的7、8脚是否与0V线接通，IC6的16脚，IC7的1脚、6脚、16脚是否与12V电压端接通。如接通，则通入127V、0V电压，用数字万用表DC20V挡位测量IC6的16脚电压，应为12V，8、10脚的电压应该为0V。测量IC7的1、6、16脚的电压应为12V，7、8脚的电压应为0V。电压正确后断电，将芯片正确插到IC6、IC7的位置上。通入127V、0V电压，数码管应该显示000。DS1DS3及三极管V7V9的集电极的电压波形稳态时MC14553引脚参考电压（显示000）测量引脚5679341113816电压（V）00004346110012稳态时CD4543引脚参考电压（显示000）测量引脚23459101112电压（V）000018181818测量引脚131415161678电压（V）18121812121200中国计量学院现代科技学院课程设计报告24总电路布局图元器件布局时，为防止疏漏，用记号笔对需在背面点焊部分进行标示中国计量学院现代科技学院课程设计报告256测试结果及数据分析方波在低频和中频端，方波的相关参数精确，波形光滑完整。在高频端受硬件限制，频率符合要求波形略有失真。总结基于NE555芯片的方波发生电路，产生的波形，满足本次课程设计的内容要求。三角波在低频和中频端，三角波的相关参数精确，波形光滑完整。在高频端受硬件限制，频率符合要求，波形略有失真，三角波不够尖锐。总结方波转三角波发生电路，产生的波形，满足本次课程设计的内容要求。正弦波在低频和中频端，相关参数精确，波形光滑完整。在高频端受硬件限制，频率未能达到本次课程设计的要求。最大频率在5KHZ作用。总结正弦波发生电路，产生的波形，除频率指标外其他满足本次课程设计的内容要求。中国计量学院现代科技学院课程设计报告267元件选择及器件清单数量描述REFDES封装1555_TIMER_RATED,555_TIMER_RATEDU1GENERIC1CAP_ELECTROLIT,001FC32CAP_ELECTROLIT,01FC22CAP_ELECTROLIT,1FC11CAP_ELECTROLIT,10FC71CAP_ELECTROLIT,100FC11CAP_ELECTROLIT,220FC13CAPACITOR,100NFC43CAPACITOR,10NFC3,C53CAPACITOR,1NFC24DIODE,1N4007D1,D2IPC2221A/2222DO358OPAMP,UA741CDU3IPC7351DO081POTENTIOMETER,100KR22POTENTIOMETER,200KR44POTENTIOMETER,50KR1,R21POWER_SOURCES,GROUND0GENERIC1POWER_SOURCES,VCCVCCGENERIC1POWER_SOURCES,VDDVDDGENERIC1POWER_SOURCES,VEEVEEGENERIC1RESISTOR,100KR89RESISTOR,10KR3,R71RESISTOR,150KR91RESISTOR,1KR43RESISTOR,20KR6,R71RESISTOR,2KR41RESISTOR,3KR11RESISTOR,5KR11SCHEMATIC_SYMBOLS,LEDX1ULTIBOARDLED9R2_5V4ZENER,1N4743AD1,D2IPC2221A/2222DO418总结体会首先，借此机会感谢学院三年来对我的辛勤培养。正是学院里每一位老师的悉心教导，成就今天的我，自信，细心，严谨，求实。通过本次课程设计，我深刻意识到扎实基础的重要性，函数信号发生器这个课题一开始在我眼里是个极其简单的电路制作。心想在网路上有这么多别人设计的方案，随意照搬一个依样画葫芦就完事了。谁知，仿真图一个又一个的画，但在仿真测试的时候，那波形和参数，简直和网路上中国计量学院现代科技学院课程设计报告27的效果不是同一个档次的。一次次的不符合本次课程设计的要求，我小组的其他成员开始有点没有思绪，有点开始放弃。脱离网路的帮助，很多人会变的浮躁，变得失落，不再想方法解决，而是等着失败的到来，和我做同一课题得其他组别最后的结果就是最好的验证。三年的大学时光，教给我的又很多，学进入的只是其中的一部分，我最有感触的还是心态的磨练，平常大大小小的实验，是对自身心态的一种锻炼，三年的时光，使我学会了，既然要花时间和精力做一件有意义的事，就要做的踏踏实实，要做的高效。我一直都是以要求达到最完美的状态，来对待在做的每一件事，这次课程设计也不