电子系统课程设计设计报告.doc

国家电工电子实验教学中心电子系统课程设计设计报告设 计 报 告目 录1 设计任务要求1 1.1 基本要求1 1.2 发挥要求1 1.3 附加部分22 设计方案及论证22.1 任务分析22.2 方案比较32.3 系统结构设计62.4 具体电路设计63 制作及调试过程113.1 制作与调试流程123.2 遇到的问题与解决方法164 系统测试174.1 测试方法174.2 测试数据174.3 数据分析和结论205 系统使用说明215.1 系统外观及接口说明215.2 系统操作使用说明216 总结226.1 本人所做工作226.2 收获与体会226.3 对本课程的意见与建议237 参考文献231 设计任务要求1.1 基本要求（1）设计并制作一个产生两路正弦信号的电路（基准频率20khz左右），分别作为示波器的x、y轴输入，在双路示波器显示，要求比例分别为1:2、1:4。示波器输出理想图形如图1-1所示。图1-1 基本要求显示图形（2）调试设计电路，思考以下问题。1）问题思考：试述被测的产生两路波形电路有什么不同。2）仪器操作：哪一路是标准信号，那一路为变化信号？3）稳定度研究：（a）阐述图形的稳定度和不闪烁原理。 （b）桥式振荡输出正弦波加入稳幅电路后，出现严重交越失真，是什么原因产生的？如何改进？4）方法研究：（a）测量频率可用哪些方法？（b）当用示波器测量选频网络的输入输出时，出现停振现象，造成的原因是什么？1.2 发挥部分（1）设计并制作一组移相分别为0、45、90、180的移相电路。完成对基准正弦信号的移相，作为y轴信号。要求移相电路的增益为1，增益误差不大于5%，移相误差不大于5。（2）设计并制作一个单位增益的程控移相电路，使得上述四路信号能够自动循环显示，要求每秒更换一次相位。示波器输出理想图形如图1-2所示。图1-2 发挥部分显示图形 （3）调试设计电路，思考以下问题。1）当两路波形成整数倍，但李沙育波形不同步，可能是什么原因造成的？如何解决。2）如何做出倍频电路？设计3倍频和5倍频。1.3 附加部分 改进电路，产生比例为1:3的两路正弦信号，并输入示波器，观察显示的图形。示波器输出理想图形如图1-3所示。 图1-3 附加部分显示图形2 设计方案及论证2.1 任务分析 “李沙育图形”，即“李萨如图形”，就是将被测频率的信号和频率已知的标准信号分别加至示波器的y轴输入端和x轴输入端，在示波器显示屏上将出现一个合成图形，这个图形就是李沙育图形。李沙育图形随两个输入信号的频率、相位、幅度不同，所呈现的波形也不同。当两个信号相位差为90时，合成图形为正椭圆，此时若两个信号的振幅相同的话，合成图形为圆；当两个信号相位差为0时，合成图形为直线，此时若两个信号振幅相同则为与x轴成45的直线。本次课程设计的要求为产生李萨茹图形信号。 李沙育图形信号产生电路可用中规模数字、模拟集成电路和可编程逻辑器件构成，主要由波形产生电路、波形转换电路、滤波电路和移相电路等构成。整个电路功能包括两级电路：一级是对正弦波进行分频（1:1、 1:2 、1:4），第二级是对文氏桥正弦波输出进行移相；之后对原正弦波，移相之后的正弦波及分频后的正弦波进行李莎育图形的显示。其中分频级主要将正弦波转为方波后（使用555芯片），用数字电路计数器进行分频，通过积分电路将分频后的方波转换成三角波，用滤波电路将三角波转换成正弦波，从而得到分频后的正弦波；移相电路采用有源移相，调节参数起来较方便，易于实现设计要求中的04590180移相；移相控制电路主要采用555构成的多谐振荡器产生1hz的电路，将其产生的方波作为数字控制电路的cp，用数字电路和继电器控制移相电路的选择。2.2 方案比较（1）正弦波转方波电路图2-1正弦波转方波电路方案一：用555芯片来实现。优点：电路简单 缺点：受555限制较大，文氏桥输出可能由于电压不够大无法触发555或者造成555失真等 图2-1 正弦波转方波电路将555定时器的th端(2)、端（6）连接起来作为信号输入端ui，便构成了施密特触发器。555中的晶体三极管td集电极引出端（7），通过电阻r接电源vdd，成为输出端uo1，其高电平可通过改变vdd进行调节；uo2是555的信号输出端（3）。 方案二：用过零比较器实现。优点：转成方波没有失真，波形输出基本没有毛刺。图2-2 过零比较器电路（翻转阈值为零的比较器）过零比较器是将信号电压ui 与参考电压零进行比较，电路由集成运放构成。对于高质量的集成运放而言，其开环电压放大倍数很大，输入偏置电流、失调电压都很小。若按理想情况（aod=无穷大， ib i =0,uio=0）考虑时，则集成运放开环工作时当 ui0 时，uo 为低电平ui1且a+f=2*n*pi（n为整数）。除了要求电路的相位满足条件之外还要满足|a*f|1。对于一个正弦波振荡器来说，有一个选频网络，所以振荡电路只可能在某一个频率f0下满足相位平衡的条件。只有f0这一频率分量满足相位平衡条件，只要此时a*f1则可以增幅振荡，将此信号放大，建立起振荡。而除了f0之外的其他频率的分量则衰减。（2） 方波产生电路在方波的产生电路中图3-3的右下角为正弦波产生方波信号的电路，利用555芯片组成施密特触发电路将555定时器的th端(2)、端（6）连接起来作为信号输入端ui，便构成了施密特触发器。555中的晶体三极管td集电极引出端（7），通过电阻r接电源vdd，成为输出端uo1，其高电平可通过改变vdd进行调节；uo2是555的信号输出端（3）图3-4方波产生信号（三）分频电路图图3-5分频焊接电路图示波器测试结果：图3-6 1:2分频方波输出结果 在方波的分频电电路中，焊接电路图中上面的拨码开关是控制2、4分频作用的。拨动开关可以实现电路的2、4分频的转换，下面的开关是控制奇数和偶数分频作用的，拨动时实现3分频和2或4分频的转换。 （2） 移相电路图图3-8移相电路图在移相电路图中我们分为45度90度和180度移相，在示波器接左边的插针是显示波形移动45度角的图形，同理右上角的为90度右下角的为移相180度。在移相电路中我们运用的是有源移相电路，同步信号、正弦信号通过过零比较器变为相位与周期一致的同步方波，上升沿与下降沿检测电路检测出同步方波的上升沿与下降沿，产生的两个尖脉冲分别对应同步信号正负半周的触发信号。其中焊接完转方波电路后，并没有得到预期的理想结果，甚至没有方波输出，查到原因是555触发电压不够，而调节文氏输出电压达到触发电压时文氏桥会有失真，为了节约时间，先将分频电路、积分电路、滤波电路焊接完，接着用数字发生器输出方波，依次测试分频、积分、滤波电路并调节参数。移相电路级按照原理图进行焊接，先焊接控制电路并进行测试，因为是数字电路较稳定，得到输出效果较快，基本不需要什么调试过程，移相电路焊接完先用数字发生器输出正弦波看移相效果，然后再接入文氏输出，最后在把整个电路连接起来并加入电压跟随器以匹配电阻，调节电位器纠正波形得到较好的最终效果，实现李沙育图形产生的效果。3.2 遇到的问题与解决方法（1）文氏桥输出刚调试文氏桥的时候，有截止失真且不对称，通过调节阻值并使之相等得到较好波形（2）555转方波接入测试时，555没有任何输出，经过思考可能是触发电压不够，通过调节文氏输出电压，可以得到有点不稳的方波，是由于芯片结构造成的（3）分频电路接入测试时，分频电路没有任何输出，通过检查电路，发现是一根线没有接，接上后得到理想的输出结果（4）移相控制电路555输出不对，调节参数即输出正确。控制电路74138前面输出与理论相符，但是74138没有输出，接线也没有错误，最后查看原理发现c管脚没有接地，能仿真出来，但是不接地焊接无法实现效果，接地后得到正确输出4 系统测试4.1 测试方法系统功能上述框架已经基本给出，各单元电路（除文氏桥）测试均，用信号发生器输入所需要的波形，再用示波器接入输出，测试系统均共地，测试单元电路的可用性；测试流程按照两级系统从左往右依次测试，板子已经提交，无法拍摄测试时连接线，现提供一张最终示波器输出以供参考。图4-1文氏桥测试输出结果图4-1文氏桥测试输出结果4.2 测试数据类型序号测试项目满分测试方法测试记录评分设计要求1正弦波（标准）15正弦波振荡器输出端预留测试引线，接入示波器观察输出振荡波形。在示波器中观察正弦波波形质量，并测量正弦波峰峰值和频率。有轻微失真幅度峰峰值：20.2v频率：20.6k hz2分频功能15在分频器输出端观察分频后的波形有无失真，并测量波形峰峰值。有 无失真幅度峰峰值：5.05v3频率比较10测量各分频电路产生的波形频率，分频倍数与最初设计是否吻合。分频准确二分频10.35khz四分频 5.43khz 4x-y显示10将示波器调为xy模式，分别观察频率比1：2、1：4两路输入信号在示波器中生成的李沙育图形。波形正确设计要求 1移相05将移相电路的输入信号和输出信号同时接入示波器，观察两路正弦信号的相位变化。观察输出信号的波形和幅值是否有明显失真。实际相移：0类型 序号移相455测试方法实际相移： 60设计要求设计总分123移相905将移相电路的输入信号和输出信号同时接入示波器，观察两路正弦信号的相位变化。观察输出信号的波形和幅值是否有明显失真。将示波器调为xy模式，分别观察移相0、45、90和180后的信号与分频信号在示波器中生成的李沙育图形。实现4种相移的自动循环实际相移： 90移相1805实际相移：180 x-y显示10移相0波形正确移相45波形正确移相90波形正确移相180波形正自动循环6不能实现自动循环2循环频率6测量自动循环的跳变频率是否为1hz。无跳变附加总分能否产生1:3比例图形8设计分频电路，使两路正弦信号频率比为1:3，观察两路输入生成的李沙育图形。能50测试教师签字并附带测试过程中相关测试波形及李育如图形的图片图4-1一分频90相移图4-2 二分频0图4-3四分频180图4-4三分频904.3 数据分析和结论根据方针时设计的数据焊接电路，发现实际中会产生很多仿真电路中不存在的干扰，究其原因仍无法完全解决，只能对电位器等元器件的数值进行适当调整，使文氏桥数据基本符合要求，最终还是会存在一定的毛刺噪声和失真。 三分频的电路产生的方波并不是占空比50%的方波，所以造成了一定的小相位偏移，得到的图形并不是非常理想。各种噪声的干扰使波形看上去并不是非常的清晰，但是对李沙育图形的影响并不是很大，多次调试后可使电路板发出较为可观的李沙育图形。测试文氏桥频率、分频频率、最终输出频率均正确，偏差不大，但是幅值有较大衰减，这对最终李莎茹图形形成有较大影响，加入相位补偿电路后可成功形成李莎茹图形。各单元电路数据与仿真数据相差都不大，都在误差范围内，可得仿真系统是成功的，整个系统设计符合设计要求。5 系统使用说明5.1 系统外观及接口说明 图5-1电路板的外形整个板子分为3个部分：左为文氏桥和555转方波电路，中间位分频、积分、滤波电路，右为移相及其控制电路图5-1系统电源线、地线均已连接在一起，现对系统接口进行说明：第一个板子最左边蓝线接入的插针为文氏桥输出第一个板子最下面一根黄线接入的插针为转方波输出第二个板子引出的白线为+12v接口第二个板子引出的黑线为-12v接口第二个板子黄线