多种波形信号发生器设计.doc

电子技术课程设计报告 多种波形发生器的设计 学 院： 年级专业： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成时间： 2011.06.30 成 绩： 摘 要对于电子学领域的产品，如诸如电话、电视机、收音机，都需要各种波形发生器 ，多种波形发生器可以说是电子领域最基础，最实际，最广泛的器材，本次设计的多种波形发生器需要用市电供电，产生方波、正弦波、三角波，输出波形可选择，频率可调，并且可以显示频率。电路采用变压整流滤波稳压电路来转换电压，用ICL8038函数发生芯片来产生三种波形，用计数器、锁存器、译码器、数码管组成频率显示电路。经过反复修改测试，电路已经基本达到了要求。关键字：波形发生器；频率可调；频率显示目 录1 设计任务31.1设计目的和意义31.2设计任务要求32 系统设计32.1总体方案设计32.2具体电路设计32.2.1直流稳压电源电路的设计32.2.2波形发生电路设计42.2.3频率显示电路的设计52.3总体电路82.4系统所用元器件93.系统调试与仿真103.1电压转换功能的调试103.2发生三种波形的功能103.3频率显示功能测试104总结1141本系统的优缺点114.2心得体会12参考文献121 设计任务1.1设计目的和意义波形发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域，可以说波形发生器已经成为众多领域中最基础的设备。因此，设计一种多种波形发生器，以满足不同的应用需求，具有重要的意义。1.2设计任务要求要求设计一种多种波形发生器，能产生方波、三角波和正弦波三种波形，频率在1100Hz之间连续可调，而且可以利用开关来选择输出波形，并将波形频率显示在数码管上。利用市电（220V，50Hz）供电。2 系统设计2.1总体方案设计根据系统的要求，确定系统的总体方案如图1所示。直流稳压电源电路波形发生电路 波形选择开关频率检测电路LED显示电路方波图1系统总体设计方案2.2具体电路设计2.2.1直流稳压电源电路的设计根据设计需要，要把市电(220V，50Hz)转换为10V的直流电压，直流稳压电源原理框图如图2所示。10V220V50Hz电源变压器整流电路滤波电路稳压电路图2直流稳压电源原理框图直流稳压电源是提供直流电压的电源设备，主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成。根据框图，在proteus中用分立元件搭建的仿真图如图3。图3直流稳压电源仿真图图中整流部分是单相桥式整流电路，滤波部分为电容滤波电路，稳压部分为串联稳压芯片ADJ，并由三个电压表分别测量输入市电电压、副线圈两端电压和输出端电压。2.2.2波形发生电路设计本次设计针对波形发生电路初步制定了以下三个方案：方案1： 利用文氏桥振荡电路产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波转换成方波，最后用积分电路将方波转换成三角波。原理框图如图4。积分电路文氏桥振荡电路方波产生电路图4 方案1波形发生转换电路 该方案结构简单，具有较好的正弦波和方波信号，但要通过积分电路产生同步的三角波电路，存在一定的困难。原因是积分电路的积分常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出三角波幅度将同时改变，若要保持三角波输出幅度不变，则须同时改变积分时间常数的大小。方案2采用比较器产生占空比为1/2的方波，经积分电路产生三角波，最后利用折现近似法将三角波转换成正弦波。原理框图如图5.比较器产生方波积分电路正弦波产生电路 图5 方案2波形产生转换电路该方案将方波三角波电路视为一体，比较器与积分器构成正反馈电路，解决了方案一存在的问题。但该电路结构较复杂，不便于调试。方案3：采用单片函数发生器芯片ICL8038，可以灵活组成各种波形发生电路，并且频率可以方便调节，电路结构简单，便于仿真调试。因此，考虑到波形发生电路只是整体电路的一部分，为降低整体电路的复杂程度，并且能够方便调试，我选择了方案3来设计波形发生电路。仿真原理图如图6。图6波形发生电路原理图图中，ICL8038的6管脚接直流10V电压，当开关SW2拨到C4时，调整滑动变阻器RW可实现输出波形频率在1100Hz范围内连续变化。将开关SW2拨到C2，可实现频率在100500范围内变化。ICL8038的9、2、3管脚分别输出占空比为1/2的方波、正弦波、三角波，通过改变波形选择开关可选择波形。另外，调节RW1可调整正弦波的失真度，保证正弦波的无失真输出。2.2.3频率显示电路的设计首先，所谓频率，就是就是周期性信号在单位时间 (1s) 内变化的次数若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为 fx=N/T 。因为波形发生器输出的三种波形频率相同，所以可以将ICL8038输出地方波由计数器累计单位时间内的信号个数，然后经译码，将测量结果显示在LED上。，频率测量显示电路主要由闸门电路，计数器电路，锁存器，时基电路，逻辑控制译码显示电路几部分组成。结构框图如图7。方波闸门计数器锁存器译码器器显示器器时基电路逻辑控制电路图7频率测量显示电路结构框图（1）计数译码显示电路如图8所示。图8计数译码显示电路计数器由3片74LS90串联组成，闸门（或门）的输出信号作为计数器的输入信号。译码器由两片74LS273构成，译码器3片74LS47构成，显示器由3片七段共阳极数码管构成。（2）时基电路、逻辑控制电路如图9。图9时基、逻辑电路图图中，555定时器的8管脚（VCC）输入经两等值电阻分压后的5V电压,3管脚输出周期为1S，占空比为1/2的方波，作为74161计数器的输入脉冲，74161接成一进制计数器，初始状态为0000，状态0001时进位端（Q0）输出1，同时计数器置零，重新计数，以此循环。当Q0从0变为1时，JK触发器（初始状态为0）翻转，这样，JK触发器每个1s翻转一次。Q端接3片74LS90计数器的置零端及2片74LS273的锁存端和清零端，当Q为高电平时，计数器清零。当Q由低电平变为高电平（上升沿）时，锁存器锁存这时输入的数并经译码器在LED上显示。当Q为低电平时，锁存器清零。闸门为或门7432，管脚2为待测方波输入端，管脚1和JK触发器的Q端连接。其实，Q端输出的为周期为2S的方波信号，在低电平的1S内，待测信号输入计数器并计数，从低电平变为高电平时计数停止，并将周期的个数（频率）在LED上显示出来。2.3总体电路总体电路结构图如图10。.图10总体电路图2.4系统所用元器件本系统所用的元器件清单如表1所示。表1本系统所用的元器件元件名称数量电压表3二极管6固定电阻10可变电阻3电容器7发光二极管1稳压电源芯片ADJ1电感线圈1函数发生器芯片ICL80381555定时器1计数器761611计数器74LS903锁存器74LS2732译码器74LS473七段共阳极数码管3JK触发器1反相器74041单刀双掷开关1单刀三掷开关1或门74321交流电压源1导线若干3.系统调试与仿真3.1电压转换功能的调试本次设计要求将220V（50Hz）的市电转换为10V的直流电，调试结果如图11。.图11电压转换调试结果调试过程中左端电压表的值在10.0到10.4之间变化，但变化范围不大，理论上是合理的。3.2发生三种波形的功能设计要求能发生方波、正弦波和三角波，调试结果如图12。图12发生三种波形的功能测试调试时，调节可变电阻RW以改变波形的频率，但虚拟示波器上波形的变化滞后于RW的变化，反应较慢，但最终能够随RW而变化，测试成功。3.3频率显示功能测试本次设计要求将所得波形的频率在数码管上显示出来，测试结果如图12、13.图12用COUNNTER TIMER显示的波形频率值图13数码管显示的频率分别用proteus中的COUNTER TIMER和电路中的频率测量显示电路测量显示了波形的频率，结果一致，说明了电路设计的正确性。但在调试过程中，电源接通时无论是COUNTER TIMER还是数码管，都会待几十秒甚至数分钟后才能显示出频率值，延时较严重。4总结41本系统的优缺点（1）优点本系统功能齐全，不仅能够产生方波、正弦波、三角波三种波形，选择输出波形，还能在一定范围内连续调节频率的值并显示在数码管上，而且可以改变接入ICL8038的电容值来改变频段，扩大了产生波形频率的范围。另外，电路结构较简单，操作简便。（2）缺点在频率显示方面存在不足。系统采用在1s内计待测波形周期个数的方法来测量频率。这种方法在信号频率较低的情况下误差较大，频率越高误差越小。而且，显示时数码管每个两秒刷新一次，即000和测得频率值交替显示，不能将待测值连续显示，这一点有待改进。另外，可以将555定时器的输出调整为周期2s，占空比为1/2的方波，这样可以直接接于闸门（或门7432）的1管脚，可以省去74161计数器和JK触发器，进一步简化电路。4.2心得体会经过两周的努力，我基本完成了这次课程设计。在这一过程中我遇到了很多困难和疑惑，但在老师的指导下和自己的努力下，终于完成了设计。在这两周时间内，在从遇到问题到解决问题的过程中，我学到了很多东西，从开始的迷惑不解，到最后的能较灵活应用几种常见的集成数字器件，不仅解决了自己的问题，也帮助同学解决了一些困难，这是一件很让人愉快的事情。这是我们第一次电子方面的实习，将课本中学到的理论知识应用到实际中，对知识有了更深刻的理解和掌握，而且也掌握了proteus仿真的一些基本方法，实践能力也得到了显著提高。参考文献1 童诗白、华成英主编. 模拟电子技术基础（第四版）. 北京：高等教育出版社，2006.2 阎石主编. 数字电子技术基础（第五版）. 北京：高等教育出版社，2006.3 张