示波器功能扩展电路的设计与实现(北邮2013模电综合试验).doc

电子电路综合实验实验报告实验名称：示波器功能扩展电路的设计 学院： 电子工程学院 班级： 姓名： 学号： 2013年5月示波器功能扩展电路的设计与实现一、 摘要：本实验旨在对普通示波器进行功能扩展，实验电路通过时钟产生电路ne555、地址产生电路74ls169、多路模拟开关cd4052、运算放大器lf353（对信号进行放大调整和线性叠加）的使用，将一个普通的双踪示波器改装为多踪示波器，能够实现用示波器一路探头输入稳定显示四路被测信号波形，并且四路被测信号的波形大小可以分别调整。二、 关键词：时钟电路、地址产生电路、多路模拟开关、多路示波器三、 设计任务要求：1、实验目的：1） 深入掌握运算放大器组成加法器的应用2） 掌握 555 定时器用作多谐振荡器的方法3） 学习模拟多路选择器的工作原理和使用方法4） 巩固示波器原理和使用方法5） 提高独立设计电路和调研验证实验的能力2、实验要求设计一个将普通双踪示波器改装成为多踪示波器的电路，包括多踪示波器的时钟电路、位移电路、衰减和放大电路。能够实现用示波器一路探头输入稳定显示四路被测信号波形。输入信号幅度为010v，频率不低于500hz,系统电源dc5v。四路被测信号波形的大小可以分别调整。四、设计思路、总体结构框图：阶梯波产生电路加法器电路 输出放大调整电路地址产生电路时钟产生电路多路模拟开关多路被测信号五、 分块电路和总体电路的设计：51时钟产生电路：利用ne555构成多谐振荡器，产生20k到200khz的方波，其高低相间的电平可作为后续地址产生电路的控制信号。 电路组成：用555定时器构成的多谐振荡器电路如上图所示：图中电容c、电阻r1和r2作为振荡器的定时元件，决定输出矩形波正、负脉冲的宽度，即用于调节方波占空比。定时器的触发输入端（2脚）和阀值输入端（6脚）与电容相连；集电极开路输出端（7脚）接r1、r2相连处，用以控制电容c的充、放电；外界控制输入端（5脚）通过0.1uf电容接地。2） 工作原理： 多谐振荡器的工作波形如图上图所示：电路接通电源的瞬间，由于电容c来不及充电，vc=0 v，所以555定时器状态为1，输出vo为高电平。同时，集电极输出端（7脚）对地断开，电源vcc对电容c充电，电路进入暂稳态，此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于rc充、放电回路的参数。暂稳态的维持时间，即输出vo的正向脉冲宽度；暂稳态的维持时间，即输出vo的负向脉冲宽度。因此，振荡周期，振荡频率。正向脉冲宽度t1与振荡周期t之比称矩形波的占空比d，由上述条件可得，若使，则d1/2，即输出信号的正负向脉冲宽度相等的矩形波（方波）。本次实验要求多谐振荡器产生20k到200khz的方波作为74ls169计数器的时钟信号，取c=1000pf=f左右，r2为总阻值为10k的电位器，理论计算可以产生要求频率的时钟信号。 52地址产生电路：1） 电路组成：74ls169是模16的同步二进制计数器，可以通过4位二进制输出来计时钟沿的个数，本设计中利用其2位输出、作为多路选择开关cd4052的地址。2） 工作原理：对照第一节中的功能表，本实验中169计数器的和计数控制端（低电平有效）和u/加/减计数方式控制端均接地，采取减计数方式进行计数。p0、p1、p2、p3四个并行输入端均接地。clk时钟信号输入端（上升沿有效）输入555定时器产生的时钟信号，由时序图知169计数器会计数时钟信号上升沿的个数，则输出555时基信号的二分频信号，输出四分频信号。输出11、10、01、00计数信号，这4个2位输出可以作为多路选择开关cd4052的地址。5.3阶梯波产生电路/信号输入电路1） 电路组成：cd4052为双回路模拟开关，一路作为直流通道，另一路为信号通道，两路信号通过衰减器后在示波器上显示4路不同的波形。1） 工作原理：01数据输出 x/y23模拟开关cd4052的x0、x1、x2、x3为x通道输入端out（x）端为x通道输出端，y0、y1、y2、y3端为y通道输入端，out（y）端为y通道输出端，为使能端，低电平有效，故在本电路中接地。由于4路输入信号为交流信号，故使用双电源供电，除保证交流信号正常传输外，同时也扩大了信号输出的动态范围。直流通道是由2k、1k、1k、1k电阻组成的分压网络，分别取出3v、2v、1v、0v的直流电压作为所要显示信号波形的直流分量，使其在示波器不同的位置显示出来。信号通道的输入接被显示的信号,通过169计数器产生的地址信号、对两路信号同步的进行选通。a、b为地址控制端，由第一节中cd4052的真值表可知ba=00时x0、y0选通，ba=01时x1、y1选通，ba=10时x2、y2选通，ba=11时x3、y3选通，进而通过地址信号、对两路信号同步的进行选通。5.4放大调整电路/加法器电路1）电路组成:lf353为双运算放大电路，被测信号由cd4052选通后由lf353双运放之一进行放大或衰减处理。lf353内的另一个运放则组成一个加法器电路，将经过放大或衰减处理后的被测信号与cd4052直流通路选通的直流量叠加后输出，从而使被测信号显示在示波器荧光屏不同的位置。 2)工作原理： a） 反向放大电路： 反向放大电路如上图所示，信号通过电阻输送到运放的反向输入端，电阻为电路的反馈电阻，一般使用运放构成放大电路时均满足深度负反馈的条件，所以可以运用虚短、虚断的概念分析。由于没有电流通过，所以同向端电位为0。故： ，且，得为直流平衡电阻，作用是减小附加差模输入电压，。本实验放大倍数，即只有反向没有放大。 b） 反向加法运算电路：反向加法运算电路如上图所示，由于反向输入端为“虚地”，所以且有从而实现两输入信号的反向比例相加，直流平衡电阻。本实验中，则uo=-（u1+u2），即实现直流量与被测信号的叠加。rp=39k/39k/39k=13k。两个电容的作用是隔断交流信号中的直流分量。总电路图：实物图：六、所实现功能说明（已完成的基本功能和扩展功能，主要测试数据，必要的测试方法等）1、所实现的基本功能：能够实现用示波器一路探头输入稳定显示四路被测信号波形，用示波器探头测试74ls169的q0，q1可以显示555时基信号的二分频和四分频方波2、扩展功能：能实现四路被测信号波形的大小可以分别调整。3、主要测试数据电路搭建完毕后，首先进行外观检查，检查无误后进行通电测试。通过初步测试，电路的组成已经确定。下面将针对课本所提出的各项要求进行指标进行测试和分析。 6.3.1测试环境 3.1.1 测试仪器 1）双踪模拟示波器 2）函数信号发生器 3）直流稳压电源 3.1.2 测试条件 1）室温25摄氏度左右 2）信号输入端接入函数信号发生器输出 3）电源使用直流稳压电源提供的5v 4）输出端单探头接示波器 6.3.2时钟产生电路的测试 首先调节两路稳压电源大小均为5v，然后将555定时器的3脚接示波器，观测输出波形是否为方波，其频率值是否满足实验要求。测试结果如下：t1t2输出频率f1k4.07k1000pf0.01us5.07us9.14us28.456khz振荡频率f=1/t=1.443/(r1+2r2)c，占空比d=（r1+r2）/（r1+2r2），将表中数据代入得f=28.456khz，d=0.5540.5，与实验测得信号输出震荡频率f=28.456khz，输出占空比d=5.07/9.14=0.554相符。实验波形图如下： 6.3.3地址产生电路的测试 本模块目的是产生cd4052模拟开关的地址，分别将、接示波器探头，观测输出是否为555多谐振荡器产生的时钟信号得二分频信号，输出的是否为其四分频信号。二分频信号频率四分频信号频率14.734khz7.3703khz输出波形如下二分频信号以及四分频波形： 由测量出的频率以及其波形图易知输出为时钟信号的二分频信号，输出为时钟信号的四分频信号，满足本实验要求。 6.3.4阶梯波产生电路的测试： 计数器产生的地址输入ab地址控制端，通过依次选通x0、x1、x2、x3，在cd4052的直流通道x输出阶梯波，将cd4052的16脚接+5v电源，7脚接5v电源，13脚接示波器探头，观测其输出是否为阶梯波。 由其输出波形知x通道产生了阶梯波，且其差幅基本为1v，满足本实验要求。 6.3.5输出波形的测试： 将加法器的输出端接示波器探头，观测其输出是否为4路分开的波形。调试过成中发现，输入信号输入信号频率过大或者峰峰值过大都会造成输出信号失真或者观测不出波形。将正负稳压电源分别调到+5.78v和-5.14v输入输出峰峰值与频率值如下表所示：输入信号正弦波峰峰值1.58v频率1122.55hz 被测信号的频率越低，阶梯波信号的频率越高，输出的波形越好，这是由示波器的断续显示方式决定的：显示一路信号的一部分，然后显示下一路信号的一部分，每一路信号实际上是断续不完整的，但由于人眼的视觉暂留，我们感觉到波形是连续的。所以在电路正常的前提下，应尽量提高震荡的频率以提高被测信号的频率范围。调节阶梯波与被测信号叠加波形时应使各路信号不重叠。观测波形如下（通过电位器调节输出四路波形伏值后）：七、 故障及问题分析：1. 输出的波形产生了相位差。由于输入的信号的频率太大，导致信号在经过运放后产生了相位差，减小输入信号的频率即可，一般频率小于1.5khz。2. 方波的正向出现较大失真（不平，呈现对数波形），通过调整电容值，减小充放电时间，使波形更准确，以满足最后输出波形清晰； 3. 放大器不完全理想，负反馈深度不够，通过调整开关调整接入电路的电阻大小，通过加深反馈深度增大放大倍数，以减小放大器不理想造成的影响；4. 由于交流地与直流地都是对应于模拟开关电路，必须将两者短接，即交流地和直流地应该是相同的，才能使模拟开关电路同时处理两种信号，以输出阶梯波；5. 由于高频信号输出时较不稳定，并非电路问题，应该在调示波器时调整trig旋钮，以达到波形稳定输出的目的。八、 实验结论：本次实验完成了单到多踪示波器的转换，这其中主要包括以下几个模块：多谐振荡器产生时钟信号、计数器产生模拟开关的地址电路、模拟开关断续选通各路信号电路、放大电路、加法器电路。本次试验电路采用555定时器作为振荡器,输出的方波作为切换电路的控制信号。控制信号直接接在74ls169二进制计数器上作为多路开关的选通信号。cd4052为双回路模拟开关芯片,一路为直流通道,另一路为信号通道，模拟开关控制示波器断续显示各路信号，但由于人眼的视觉暂留，我们感觉到波形是连续的。两路信号通过lf353集成运算放大器相加后在示波器水平位置上同时显示四路不同的信号。九、心得体会：在搭电路的时候通过对指导书的研读，提前认识到各个部分电路的作用，因此在搭建的过程中可以逐步检测电路是否有错误，保证了试验进度和准确性。同时也增加了从理论到实践的认识，增加了对模拟电路的认识。这次实验使我理解了自激电路的工作原理，以及很多器件的使用， 通过这次实验，我对以后的学习目标更加明确，深刻体会到理论联系实践的重要，因此在后续课程的学习中我会加强理论知识的学习，同时重视实验课程，加强动手能力的培养。 通过此次实验，我的耐力和承受力得到了大大的提高，在最后的优化波形阶段，耐力及承受力达到了前所未有的高度，最后调制到出来的波形非常符合要求，当出现波形时的欣喜只有努力过才能体会到。对示波器有了更深的理解，对面包板有了更清楚的了解，在搭建面包板的过程中，我的细心与耐心也得到了很大的提升，一次次地修改美化，。这些都是这次实验带给我的难得的回忆，通过此次实验，受益匪浅