课程设计（论文）-设计并制作一个脉冲信号发生器.doc

摘 要脉冲信号发生器的原理主要分为四部分，即正弦波的产生，方波的变换，分频电路和倍频电路，并由这四部分最终产生三种不同频率的信号。利用文氏振荡电路产生1khz的正弦波信号，通过过零比较器产生1khz的脉冲信号，经过74ls161计数器降频产生100hz的脉冲信号， 100hz的脉冲信号由hef4046bp和hef4518bp组成的锁相环升频电路变成10khz的脉冲信号。控制电路利用74ls112、cd4051、74ls139控制信号灯，三种控制信号可以通过一个按键控制。本次设计的要点在于电路的线路的连接及焊接，通过设计体会理论与实际结合的重要性。关键字： 正弦产生 波形转换 降频电路 锁相环目 录一、设计任务和要求31.1 设计任务31.2 设计要求3二、系统设计42.1 系统要求42.2 方案设计42.3 系统工作原理4三、单元电路的设计63.1 单元电路a(直流电源电路)63.1.1 电路结构及工作原理63.2单元电路b(文氏振荡电路)73.2.1电路结构及工作原理73.2.2电路仿真93.2.3 元器件的选择及参数的确定93.3 单元电路c(过零比较器整形电路)103.3.1电路结构及工作原理103.3.2电路仿真113.3.3元器件的选择及参数确定123.4 单元电路d（74ls161计数器降频电路）123.4.1 电路结构及工作原理123.4.3 元器件的选择及参数确定153.5 单元电路e(锁相环倍频电路)153.5.1 电路结构及工作原理153.6 单元电路f(控制电路)193.6.1电路结构及工作原理193.6.2电路仿真233.6.3元器件的选择及参数确定23四、系统仿真24五、电路安装、调试与测试255.1电路安装255.2电路调试255.3系统功能及性能测试265.3.1测试方法设计265.3.2测试结果及分析26六、结论27七、参考文献28八、总结、体会和建议29附录31一、 设计任务和要求1.1 设计任务设计并制作一个脉冲信号发生器。1.2 设计要求1、能够输出1khz正弦波信号；2、由该1khz正弦波信号产生100hz脉冲信号；3、由100hz脉冲信号产生10khz脉冲信号；4、输出信号能够在这三种信号中通过电子开关进行选择，电子开关由按键控制，并且能够对选择的信号用发光二极管指示； 5、按照要求，设计电路原理图，用multisim进行仿真，用万用板焊接元器件，完成调试、测试，撰写设计报告。二、 系统设计2.1 系统要求运用所学到的数电和模电知识查找资料并结合实际，设计原理图，焊接元器件，从而达到课设课题的要求。2.2 方案设计先由文氏振荡电路产生1khz正弦波信号，再通过过零比较器产生1khz脉冲信号，构成第一路输出；再由74ls161计数器降频产生100hz脉冲信号，构成第二路输出；100hz脉冲信号通过hef4046bp和hef4518bp组成的锁相环升频电路变成10khz脉冲信号，构成第三路输出。控制电路通过一个按键给74ls112施加触发信号，从而控制模拟开关cd4051从三种信号中选择一路输出，并利用74ls139对选择的信号用发光二极管指示。2.3 系统工作原理产生预期1khz正弦波信号，再将正弦波转换为同频率的脉冲信号，然后降频到100hz，最终升频到10khz,每一步的信号产生都有各种可选方案。比如正弦波的产生就有:利用icl8038，利用石英晶体振荡电路，利用文氏振荡电路等。方波转换电路有：利用施密特触发器，利用过零比较器，利用555组成的多谐振荡器等。此外，电路设计中要求用1khz脉冲信号产生100hz脉冲信号，由100hz脉冲信号产生10khz脉冲信号，因此我们想到了用74ls161计数器降频产生100hz脉冲信号，再由hef4046bp和hef4518bp组成的锁相环升频电路产生10khz脉冲信号。根据每一部分的设计方案，我们最终选择的方案为：文氏振荡电路、过零比较器组成的整形电路、74ls161计数器设计的同步十进制加法计数器降频电路和锁相环升频电路,还有cd4051构成的模拟开关数据选择电路。原理方框图如图2.3所示：直 流稳 压电 源电 路文 氏振 荡电 路过 零 比 较 器 构 成 的 整 形 电 路信 号控 制 电 路 锁 相 环 升 频 电 路计 数 器 降 频电 路 图2.3 原理方框图三、单元电路的设计3.1 单元电路a(直流电源电路)3.1.1 电路结构及工作原理图3.1.1 直流电源电路在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源的组成如图3.1.1所示。它是由电源变压器、整流 、滤波和稳压电路等四部分组成。电源变压器是将交流电网220v的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。稳压电路一般采用固定电压三端集成稳压器，它有正输出电压和负输出电压之分，额定输出电压有5v到24v，最大额定电流有100ma到10a等各种。3.2单元电路b(文氏振荡电路)3.2.1电路结构及工作原理图3.2.1 文氏振荡电路工作原理：正弦波振荡电路由四部分组成，分别为放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节。当f=f0时，uf与uo同相，此时f=1/3，a=av=3,即可构成正弦波振荡电路。连接方式通常有:桥式,移相,双t式三种。rc低频桥式正弦波振荡电路又称为文氏振荡电路，它适用于产生频率低于或等于1mhz的低频振荡信号，振幅和频率较稳定，而且频率调节较方便。许多低频信号发生器其主振器均采用这种电路。rc振荡电路在没有外加输入信号的情况下,依靠自激振荡产生正弦波,频率一般在200khz以下。起振条件为：|af|1 ；平衡条件为：|af|=1，a+b=2n。本设计采用文式振荡电路实现,电路图如图3.2.1所示，是典型的rc桥式正弦波振荡电路。在此电路中，反馈信号代替输入信号,引入正反馈。要确定振荡频率,引入外加的选频网络，在rf回路中串联两个二极管,利用电流增大时二极管动态电阻小,电流减小时二极管动态电阻增大的特点,加入非线性环节,从而使输出电压稳定。其中rc串并联电路构成的选频网络，同时兼反馈环节，连接于集成运放的输出端和同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。r2及二极管d1，d2构成负反馈网络和稳幅环节。调节r5即可改变负反馈的反馈系数，从而调整放大电路的电压增益，使之满足振荡的幅值条件。二极管d1，d2为自动稳幅元件，其作用是：当uo很小时，二极管d1，d2相当于开路，此时由d1,d2,r2组成的并联支路等效电阻较大，设d1，d2，r2并联支路总的等效电阻为rf，则rf也较大，所以auf=(1+rfr1) 3,则有利于起振；反之，当uo幅值较大时，d1,d2导通，并联支路的等效电阻下降，则rf也下降，所以auf也随之下降，如果此时auf 3，则uo幅值趋于稳定。此外，采用两只二极管反相并联，目的是使输出电压在正负两个半周期内轮流工作，使正半轴和负半轴的振幅相等。显然这两只二极管的特性应相同，否则正负半轴振幅将不同。文氏振荡器常见的一种稳幅措施是在负反馈回路中加入二极管，目的也是在输出幅度增大时使负反馈增强，但由于二极管的非线性，会使输出波形发生少许畸变。而上图所示的这个电路的负反馈回路中不含有非线性元件，因而能获得高质量的正弦波形。振荡频率计算如下：令=1rc，则f0=12rc，若要确定1khz的频率，则要求：r=470，c=330nf3.2.2电路仿真图3.2.2 1khz正弦波的电路仿真图3.2.3 元器件的选择及参数的确定选用 1n4007 op07aj电阻 r1=18k r2=11k r3=r4=470滑动变阻器 r5=100k电容 c1=c2=330nf3.3 单元电路c(过零比较器整形电路)3.3.1电路结构及工作原理图3.3.1 (a) 过零比较器整形电路工作原理：同相输入单门限压比较器是一种用来比较输入信号ui和参考电压vref的电路。参考电压vref加于运放的反向端，它可以是正值，也可以是负值。而输入信号ui则加于运放的同相端，这时运放处于开环工作状态，具有很高的开环电压增益。过零比较器是vref=0的特殊比较器，每当输入信号过零时，输出就要产生突然的变化。过零比较器的传输特性如图3.3.1(b)所示，当输入信号电压ui小于参考电压vref（即为零）时，差模电压uid=ui-vref0，运放立即转入正饱和状态，uo=voh 图3.3.1(b) 过零比较器的传输特性为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，可加二极管限幅电路。该电路的优点为：由于集成运放的净输入电压和净输入电流均近似为零，从而保护了输入级；由于集成运放并没有工作到非线性区，因而在输入电压过零时，其内部的晶体管不需要从截止区逐渐进入饱和区，或从饱和区逐渐进入截止区，所以提高了输出电压的变化。综上所述，故选用此电路来使1khz正弦波变换为同频率的方波。3.3.2电路仿真图3.3.2 1khz方波的电路仿真图3.3.3元器件的选择及参数确定选用 op07aj 1n4375电阻 r6=10k r7=5k 3.4 单元电路d（74ls161计数器降频电路） 3.4.1 电路结构及工作原理图3.4.1（a） 74ls161计数器降频电路工作原理:将1khz的脉冲信号降频为100hz的脉冲信号需要利用十进制计数器，其中1khz的脉冲信号作为计数器的clk信号，十进制计数器的进位信号作为输出脉冲信号，则输出脉冲信号的频率为100hz。常采用的方法有:利用十进制计数器74ls160或十六进制计数器74ls161和与非门构成的十进制计数器，利用触发器构成的十进制计数器等。74ls161同步四位二进制计数器（直接清零） 用于快速计数的内部超前进位 用于n 位级联的进位输出 同步可编程序 有置数控制线 二极管箝位输入 直接清零 同步计数 这种同步可预置的四位二进制计数器是由四个d 型触发器和若干个门电路构成的，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。对所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作，这种工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿时触发四个触发器，这种计数器是可编程的，即输出可预置到任何电平。当预置是同步时，在置数输入端将建立一低电平，禁止计数，并在下一个时钟之后不管使能输入端是何电平，输出都与建立数据一致。清除是异步的（直接清零），不管时钟输入、置数输入和使能输入为何电平，清除输入端的低电平并把四个触发器的所有输出直接置为低电平。有了超前进位电路后，无须另加门，即可级联出n位同步应用的计数器。它是借助于两个计数使能输入和一个动态进位输出来实现的。两个计数使能输入（enp 和ent）计数时必须是高电平，且输入ent必须为正反馈，以便使能动态进位输出。因而被使能的动态进位输出将产生一个高电平输出脉冲，其宽度近似等于qa ，输出高电平。此高电平溢出进位脉冲可用来使能其后的各个串联级。使能enp 和ent 输入的跳变不受时钟输入的影响，即使改变工作模式的控制输入（使能enp、ent 或清零），但直到时钟发生为止，都不会有什么影响。计数器的功能（不管使能、不使能、置数或计数）完全由稳态建立时间和保持时间所要求的条件来决定。利用74ls161连接成的十进制计数器如图3.4.1(b)所示：图3.4.1（b) 74ls161组成的十进制计数器因需要得到100hz的脉冲信号，故图（a）中的输出信号应为cr端口的输出信号，图（b）中的输出信号为co端口的输出信号。利用jk触发器连接成的十进制计数器：根据时钟方程、输出方程和状态方程可以得到用jk触发器制作的十进制计数器图3.4.1（c) jk触发器组成的十进制计数器最终我们采用用十六进制计数器74ls161和与非门构成的十进制计数器，接法如图所图3.4.1（b)所示。3.4.2 电路仿真图3.4.2 100hz方波的电路仿真图3.4.3 元器件的选择及参数确定选用 74ls161 74ls00 输入端接1khz的脉冲信号。3.5 单元电路e(锁相环倍频电路)3.5.1 电路结构及工作原理锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称pll。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。锁相环主要由相位比较器（pc）、压控振荡器（vco）低通滤波器三部分组成，如图3.5.1(a)中的图1 所示。压控振荡器的输出uo 接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压ud 的大小来决定。施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号ui 与来自压控振荡器的输出信号uo 相比较，比较结果产生的误差输出电压u正比于ui 和uo 两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压ud。这个平均值电压ud 朝着减小vco 输出频率和输入频率之差的方向变化，直至vco 输出信号频率和输入信号频率获得一致时，这两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。图3.5.1 （a） 锁相环电路及cd4046的引脚图当锁相环入锁时，它还具有“ 捕捉”信号的能力，vco 可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫vco 锁定在这个频率上。锁相环应用非常灵活，如果输入信号频率f1 不等于vco 输出信号频率f2，而要求两者保持一定的关系，例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。过去的锁相环多采用分立元件和模拟电路构成，现在常使用集成电路的锁相环，cd4046 是通用的cmos 锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3v18v），输入阻抗高(约100m)，动态功耗小，在中心频率f0 为10khz下功耗仅为600w，属微功耗器件。图3.5.1 (a)中的图2是cd4046 的引脚排列，采用16 脚双列直插式 。 cd4046内部还有线性放大器和整形电路，可将14 脚输入的100mv 左右的微弱输入信号变成方波或脉冲信号送至两相位比较器。源跟踪器是增益为1 的放大器，vco 的输出电压经源跟踪器至10 脚作为fm 解调用。齐纳二极管可单独使用，其稳压值为5v，若与ttl 电路匹配时，可用作辅助电源。综上所述，cd4046的工作原理如下：输入信号ui 从14 脚输入后，经放大器a1进行放大、整形后加到相位比较器、的输入端，当开关k 拨至2 脚，则比较器将从3 脚输入的比较信号uo 与输入信号ui 作相位比较，从相位比较器输出的误差电压u则反映出两者的相位差。u经r3、r4 及c2 滤波后得到一控制电压ud 加至压控振荡器vco的输入端9 脚，调整vco 的振荡频率f2，使f2 迅速逼近信号频率f1。vco 的输出又经除法器再进入相位比较器，继续与ui 进行相位比较，最后使得f2f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。图3.5.1(b)是用cd4046 与 bcd 加法计数器cd4518 构成的100 倍频电路。刚开机时，f2 可能不等于f1，假定f2f1，此时相位比较器输u为高电平，经滤波后ud 逐渐升高使vco 输出频率f2 迅速上升，f2 增大值至f2=f1，如果此时ui滞后u0，则相位比较器输出u为低电平。u经滤波后得到的ud 信号开始下降，这就迫使vco 对f2 进行微调，最后达到f2/n=f1，并且f2 与f1 的相位差=0，进入锁定状态。如果此后f1 又发生变化，锁相环能再次捕获f1，使f2与f1 相位锁定。由于电路设计中要求用100hz的脉冲信号产生10khz的脉冲信号，因此，我们想到了用锁相环cd4046和两个十进制计数器74ls160构成频率变化100倍的变频电路。图3.5.1（b） 倍频电路芯片cd4046的引脚图如图3.5.1(c)所示： 图3.5.1(c)芯片cd4518的引脚图如图3.5.1(d)所示： 图3.5.1（d）3.5.2元器件的选择及参数确定选用 cd4046 cd4518 电容 0.01uf 2.2uf 电阻 68k 100k 1m3.6 单元电路f(控制电路)3.6.1电路结构及工作原理图3.6.1（a） 控制电路 工作原理:控制电路是由模拟开关cd4051、触发器74ls112及译码器74ls139和非门构成。上图是由触发器74ls112构成的电路来产生脉冲从而作为模拟开关的控制端，以使三种波形进行切换。由于cd4046和cd4518不能仿真，所以在仿真图里没有体现出来。下面来分别介绍这几种器件的工作原理。1、模拟开关cd4051cd4051是单8道数字控制模拟电子开关，有三个二进制控制输入端abc和inh输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流，幅值为4.520v的数字信号可控制峰值至20v的模拟信号。例如，若vdd=+5v，vss=0，vee=-13.5v，则0 5v的数字信号可控制-13.54.5v的模拟信号，这些开关电路在整个vdd vss和vdd vee。电源范围内具有极性的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当输入端=1时，所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出，其中vee可以接负电压，因为可以接地。当输入电压有负值时，vee必须接负电压，其他时候可以接地。这些开关电路在整个vdd-vss和vdd-vee电源范围内具有极低的静态功能，与控制信号的逻辑状态无关。当inh输入端=“1”时，所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。cd4051的引脚图如图3.6.1(b)所示：图3.6.1(b)cd4051引脚功能说明:1 2 4 5 12 13 14 15in/out输入/输出端9 10 11a b c地址端3out/in公共输出/输入端6inh禁止端7vee负电压端8vss数字信号接地端16vdd电源+2 、74ls112型双jk触发器 74ls112型双jk触发器芯片引脚图管脚图如图3.6.1(c) 所示:图3.6.1(c)74ls112功能表为：inputsoutputs-pre-clrclkjkq-qlhxxxhlhlxxxlhllxxxhhhhllqo-qohhhlhlhhlhlhhhhhtogglehhhhxqo-q03、译码器74ls13974ls139 为两个2线4 线译码器，共有 54/74s139和 54/74ls139 两种线路结构型式，当选通端（g1）为高电平，可将地址端（a、b）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。 若将选通端（g1）作为数据输入端时，139 还可作数据分配器。74ls139的引脚如图3.6.1(d)所示: 图3.6.1(d) a、b ： 译码地址输入端 g1、g2 ： 选通端（低电平有效） y0y3 ： 译码输出端（低电平有效）芯片功能:输入输出gbay0y1y2y3hxxhhhhllllhhhllhhlhhlhlhhlhlhhhhhl3.6.2电路仿真该仿真波形是由触发器74ls112构成的四进制加法计数器产生的脉冲信号波形如图3.6.2所示。图3.6.2 74ls112构成的四进制加法计数器产生的脉冲信号波形 3.6.3元器件的选择及参数确定 选用 74ls112 74ls139 cd4051 74ls04电阻 300 、 5k 四、系统仿真图中由正弦波产生了同频率的方波，如图中中间的波形所示，每个正弦波对应一个方波，最后一个波形为100hz的方波，即十个1khz的方波与一个100khz的方波幅值相同。由于cd4046和cd4518不能仿真，所以在仿真图里没有体现出来。图4.1 系统仿真图五、电路安装、调试与测试 5.1电路安装 1、器件导线布置应紧凑合理。2、加热时应尽量使烙铁头接触印制板上铜箔和元器件引线。3、对接的元件接线最好先绞和后再上锡。4、烙铁在焊接处停留的时间不宜过长。5、烙铁离开焊接处后，被焊接的零件不能立即移动，否则因焊锡尚未凝固而使零件容易脱焊。6.引线直接穿过通孔，焊接时使适量的熔化焊锡在焊盘上方均匀地包围沾锡的引线，形成一个圆锥体模样，待其冷却凝固后，把多余部分的引线剪去。7.电烙铁通电后温度高达250摄氏度以上，不用时应放在烙铁架上，但较长时间不用时应切断电源，防止高温“烧死”烙铁头（被氧化）。要防止电烙铁烫坏其他元器件，尤其是电源线，若其绝缘层被烙铁烧坏而不注意便容易引发安全事故。8.不要把电烙铁猛力敲打，以免震断电烙铁内部电热丝或引线而产生故障。9.焊接时不要用烙铁头摩擦焊盘，要靠表面清理和预焊来增强焊料润湿性能。耐热性差的元器件应使用工具辅助散热，如镊子。按照原理图，先焊接文氏振荡电路产生1khz正弦波，然后调试，完成后焊接过零比较器整形电路，产生1khz矩形波，调试完成后焊接74ls161计数器降频电路，产生100hz矩形波，再调试，一步一步，连线较少，易排查错误。再安装由hef4046bp和hef4518bp组成的锁相环升频电路，产生10khz矩形波。控制电路利用74ls112、cd4051、74ls139控制信号灯，三种控制信号可以通过一个按键控制。5.2电路调试每做一个单元电路，调试一次，发现错误查线，查器件参数，要坚持边焊接边排查，总电路出来后，再调试控制电路是否出现错误。5.3 系统功能及性能测试经调试，调试，测试焊接的电路板完全实现了设计要求，性能稳定。5.3.1测试方法设计在cd4051的y输出端连接一根出线接示波器，再在每个脉冲信号发生单元电路输出端引出一条线，如果单元电路输出正常，而控制电路输出显示不正常，则排查控制电路接线。5.3.2测试结果及分析测试结果正常，控制电路是一个开关电路，用cd4051完成功能，输出有点失真，但在要求不高不精密的电路中可以完成设计要求。六、结论通过文氏振荡电路产生满足要求的1khz正弦波，再通过过零比较器将1khz正弦波转换成稳定的1khz矩形波，1khz矩形波经过74ls161构成的十进制计数器降频可以产生100hz的矩形波，100hz的矩形波再由hef4046bp和hef4518bp组成的锁相环升频电路变成10khz矩形波。控制电路利用74ls112,74ls139和cd4051控制三种不同的信号，并且有发光二极管进行指示。电路完成之后用了multisim软件进行了仿真，结果符合理论要求。七、参考文献1、康华光 电子技术基础（模拟部分） 高等教育出版社2、童诗白 模拟电子技术基础 高等教育出版社3、毕满清 电子技术实验与课程设计（第三版） 北京机械工业出版社4、高吉祥 电子技术基础实验与课程设计（第二版） 电子工业出版社5、崔瑞雪 电子技术动手实践 北京航空航天大学出版社 6、陈守林 电子技术实训与制作 科学出版社八、总结、体会和建议数电课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。回顾此次的课程设计，我感慨颇多，从最初的总体方案选择，方案最优化，电路仿真，购买器件，电路焊接与调试，到最后说明书的书写，共经历了从理论到实际操作的六大过程。在短短的三个星期里，可以说是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，通过这次的数电课程设计也使我懂得了理论与实际结合的重要性。第一次做数电课程设计，在设计的过程中我们遇到了很多的问题，同时也发现了自己的不足之处，即对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌