电子技术课程设计报告.doc

电工与电子技术基础课程设计报告 题 目 函数信号发生器 学院（部） 汽车学院 专 业 物流工程 班 级 22071001 学生姓名 学 号 22071001 6 月 3 日至 6 月 10 日 共 1 周 指导教师（签字） 摘要函数信号发生器广泛地应用于各大院校和科研场所。随着科技的进步，社会的发展，单一的波形发生器已经不能满足人们的需求，而我们所设计的正是包含有正弦波、矩形波、锯齿波的多种波形发生器。本文按照课程设计要求针对函数信号的生成及频率、幅值可调进行探讨，提出了三个设计方案并通过Multisim及Proteus进行仿真：方案一以正弦波-矩形波-锯齿波的波形产生顺序设计信号发生器。首先由运算放大器UA741设计RC自激振荡电路（文氏电桥振荡电路）生成频率可调的正弦波，然后经过由运放LM324设计的过零比较器生成矩形波，再由积分电路生成锯齿波。通过反相比例运算放大器实现幅值可调，但无法实现矩形波占空比可调。方案二针对方案一中无法调节矩形波占空比的缺陷，提出以555定时器组成的多谐振荡器产生矩形波，然后由积分电路将方波转化为矩形波的设计思路。实现了矩形波与锯齿波的占空比可调。方案三则基于集成函数发生芯片ICL8038实现不同波型的产生。ICL8038芯片是可同时输出高精度正弦波、方波、三角波的单片集成电路，输出波形的频率范围宽达0.001Hz300KHz，输出正弦波的失真度小于1%，输出三角波的线性度优于0.1%，输出方波占空比的可调节范围为2%98%，输出高电平幅度可从TTL电平到28V，加之实用中仅需要接很少的外围元件，故使用十分方便。在实现输出信号的频率及幅值的数字现实方面，本文拟采用单片机AT89751设计频率计予以实现。通过将被测信号经过过零比较转换为矩形波以定时方式计算被测信号的高电平持续时间。通过单片机计算得出结果，由六位共阴极LED显示器显示测量结果，由于Multisim无法找到相应元件进行仿真，对于方案三及本部分电路仿真与调试本文采用Proteus进行。关键词：文氏电桥震荡电路，Multisim ，Proteus，555定时器，ICL8038，AT89C51目录摘要21 设计目的42 主要技术指标和要求42.1 主要技术指标和要求43 设计方案43.1 方案一：占空比不可调正弦波-矩形波-锯齿波发生器方案43.1.1 方案一设计思路框图43.1.2 方案一单元电路原理53.1.2.1 正弦波发生电路的工作原理53.1.2.2 正弦波-矩形波电路的工作原理73.1.2.3 矩形波-锯齿波电路的工作原理83.1.2.4 反相比例运算电路调幅的工作原理93.1.3 方案一总电路multisim仿真图103.1.4 方案一multisim仿真结果113.2 方案二：占空比可调矩形波-锯齿波发生电路方案123.2.1 方案二设计思路框图123.2.2 方案二单元电路原理123.2.2.1 555定时器占空比可调矩形波发生电路的工作原理123.2.3 方案二总电路multisim仿真图143.2.4 方案二multisim仿真结果143.3 方案三：基于ICL8038构成的函数信号发生器163.3.1 方案三设计思路框图163.3.2 函数发生芯片ICL803电路结构163.3.2.1 ICL803引脚排列及引脚名称、功能和用法163.3.2.2 ICL803内部结构及工作原理浅析173.3.2.3 方案三单元电路183.3.2.4 方案三总电路Proteus仿真图203.3.2.5 方案三总电路Proteus仿真结果203.4 基于单片机ICL89C51的函数信号频率计213.4.1 频率计设计思路说明213.4.2 频率计电路设计方案223.4.3 单片机AT89C51的软件设计223.4.3.1 程序流程图223.4.3.2 AT89C51程序设计233.4.3.3 AT89C51程序编写243.4.3.4 频率计调试281 设计目的1.1 设计目的掌握科研任务的调研方法，熟悉查阅文献资料，学习应用电子电路理论知识进行系统设计方案论证，掌握相关电路的设计和计算方法，完成具体电路的设计和相关计算。试学习利用multisim等仿真软件对设计电路的仿真与检测，完成电路的单元调试。2 主要技术指标和要求2.1 主要技术指标和要求 （1）能产生正弦波、矩形波（占空比可调）、锯齿波等多种波形； （2）输出信号的工作频率范围10Hz10kHz，连续可调； （3）输出信号波形幅值010V，连续可调； （4）输出信号频率数字显示； （5）输出信号幅度数字显示。3 设计方案3.1 方案一：占空比不可调正弦波-矩形波-锯齿波发生器方案3.1.1 方案一设计思路框图图3-1-1 方案一设计思路框图3.1.2 方案一单元电路原理3.1.2.1 正弦波发生电路的工作原理图3-1-2 文氏电桥振荡电路 正弦波产生电路的目的在于使电路产生一定频率和幅度的正弦波，我们一般在放大电路中引入正反馈，并创造条件，使其产生稳定可靠的振荡。正弦波产生电路的基本结构是：引入正反馈的反馈网络和放大电路。其中：1 接入正反馈是产生振荡的首要条件，它又被成为相位条件；2 产生振荡必须满足幅度条件；3 要保证输出波形为单一频率的正弦波，必须具有选频特性；4 电路应具备稳幅特性。 因此，正弦波产生电路一般包括：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅电路四个部分。 如图3-1-2所示，本文采取利用与外围元件构成自激振荡电路即文氏电桥振荡电路产生正弦波。由构成的放大电路是同相比例运算电路，RC串并联电路既是正反馈电路，又是选频电路。 其中，则 输入电压经过串并联电路分压在并联电路上得到反馈电压，加在运算放大器的同相输入端，作为它的输入电压。由此得到 (3-1) 欲使与同相，则上式分母的虚数部分必须为零，即 (3-2) (3-3) (3-4) 这时，而同相比例运算电路的电压放大倍数则为 (3-5) 可见，当时，。 在特定频率时，和同相，也就是串并联电路具有正反馈和选频作用。和都是正弦电压。 特别注意：在起振时应使，即。随着振荡幅度的增大，能自动减小，知道满足时，振荡振幅达到稳定，以后并能自动稳幅。在图3-1-2中要使得正弦电路起作用，则 (3-6) 振荡频率的改变，本文通过保持电容不变而通过调节滑动变阻器电阻（）的数值使得连续来实现连续可调。其中： (3-7) 3.1.2.2 正弦波-矩形波电路的工作原理图3-1-3 零压比较器电路 本文由LM324运放构成电压比较器对从上一级输入的正弦波进行零压比较，从而获得矩形波。 电压比较器的作用是比较输入电压和参考电压。是参考电压，加在同相输入端，输入电压加在反相输入端。运放处于开环状态，电压放大倍数很高，即使输入端有一个非常微小的差值信号，也会使得输出电压饱和。在使用时，运放工作在饱和区，即非线性区。当时 (3-8)当时 (3-9) 将正弦波由反相输入端输入，将同相输入端接地以零压作为参考电压比较，利用零压比较器的输入输出特性将正弦波转换成矩形波。其电路特性如图3-1-4所示：图3-1-4 零压比较器特性图3.1.2.3 矩形波-锯齿波电路的工作原理图3-1-5 积分运算电路 本文由LM324运放与外围电路构成积分电路对从上一级输入的锯齿波进行积分运算，矩形波电压经积分后得出锯齿波电压 由于反相输入，故 (3-10) (3-11) 由此可以看出与的积分关系，矩形波通过积分电路的阶跃响应特性被转换成锯齿波，积分运算电路的阶跃响应特性如图3-1-6所示：图3-1-6 积分运算电路的阶跃响应特性3.1.2.4 反相比例运算电路调幅的工作原理图3-1-7 反相比例运算放大器电路 本文利用运放的比例运算功能进行波形信号的幅值调节。如图3-1-6为其电路。图中输入信号由反相输入端输入，而同相输入端通过接“地”。反馈由滑动变阻器跨接在输出端和反相输入端之间。根据运放工作在线性区的性质可得到 (3-12) (3-13) (3-14)由此可以得出输出电压和输入电压之间的关系： (3-15)保持固定电阻不变，则可以通过调节滑动变阻器的组织来对波形幅值的调节，实现输出信号波形幅值在010V上连续可调。3.1.3 方案一总电路multisim仿真图图3-1-8 方案一总电路图3.1.4 方案一multisim仿真结果 图3-1-9 方案一信号频率连续可调图3-1-10 方案一157.731Hz/12.476kHz正弦波信号对比图3-1-11 方案一121.352Hz矩形波幅值连续可调信号图3-1-12 方案一121.352Hz锯齿波信号及三波型合并信号3.2 方案二：占空比可调矩形波-锯齿波发生电路方案3.2.1 方案二设计思路框图图3-2-1 方案二设计思路框图3.2.2 方案二单元电路原理3.2.2.1 555定时器占空比可调矩形波发生电路的工作原理 图3-2-2 555定时器构成的多谐振荡器电路555集成电路是8脚封装，双列直插型。其中6脚称阈值端(THR)，是上比较器的输入；2脚称触发端(TRI)，是下比较器的输入；3脚是输出端(OUT)，它有O和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端(DIS)，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端(RST)，加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端(CON),可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端(VCC)，1脚是地端(GND)。如图3-2-2，在本文设计方案中，由于电路中二极管、的单向导电性，使电容的充放电回路分开，调节电位器，就可以调节多谐振荡器的占空比。图中通过、上部分及对充电，充电时间为 (3-15) 通过、下部分及从放电端(DIS)放电，放电时间为 (3-16)因而振荡频率为 (3-17)输出波形的占空比即为 (3-17)3.2.3方案二总电路multisim仿真图图3-2-3 方案二总电路图3.2.4 方案二multisim仿真结果图3-2-4 方案二信号频率连续可调图3-2-5 方案二23.644Hz/1.017kHz矩形波信号对比图3-2-6 方案二矩形波信号占空比可调图3-2-7 方案二占空比可调锯齿波及幅值可调整体波形图3.3 方案三：基于ICL8038构成的函数信号发生器3.3.1 方案三设计思路框图图3-3-1 方案三设计思路框图3.3.2 函数发生芯片ICL803电路结构3.3.2.1 ICL803引脚排列及引脚名称、功能和用法表3-1 ICL8038引脚功能表引脚编号符号功能说明引脚编号符号功能说明1SIN_ADJ1正弦波波形调整端8FMIN调频电压输入端2SIN_OUT正弦波输出9SQ_OUT方波输出3TR1_OUT三角波输出10SIN_ADJ2定时电容C4DF_ADJ1输出信号重复频率和波形不对称调节端11V-电源负端或地5DF_ADJ2输出信号重复频率和波形不对称调节端12SIN_ADJ2正弦波失真度调整端6V+电源正端13NC空脚7FMBIAS调频工作直流偏置电压14NC空脚图3-3-2 ICL8038引脚图3.3.2.2 ICL803内部结构及工作原理浅析图3-3-3 ICL8038内部功能框图 如图3-3-3，当函数发生芯片ICL8038通电时，电容的电压为。电压比较器I和II的输出电压均为低电平，因而RS触发器的，输出，使开关断开，电流源对电容充电，充电电流为。充电电流是恒流源，电容上电压随时间的增长而线性上升。当上升为时，电压比较器II输出为高电平，此时RS触发器的，,和保持原状态不变。一直上升到时，使电压比较器I的输出电压跃变为高电平，此时RS触发器的时，导致开关S闭合，电容开始放电，放电电流为。因放电电流是恒流，所以，电容上电压随时间的增长而线性下降。起初，的下降虽然是RS触发器的S端从高电平跃变到低电平，但，其输出不变。一直到C下降到时，是电压比较器II的输出电压跃变为低电平，此时时，使得开关S断开，电容又开始充电。重复上述过程，周而复始，电路产生了自激振荡。由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上电压为三角波，和为方波，经缓冲放大器输出。三角波信号通过三角波变正弦波电路输出正弦波电压。因此，改变电容充放电电流，可以输出占空比可调的矩形波和锯齿波。但是当输出不是方波时，也得不到正弦波。3.3.2.3 方案三单元电路图3-3-4 单元应用电路如图3-3-4所示，ICL8038输出各输出波形信号的频率和占空比取决于外接的、以及电容。三角波和正弦波上升时间或方波持续高电平的时间为 (3-18)而下降时间或方波持续低电平的时间为 (3-19) 联立式（3-18）、式（3-19）得： (3-20)则矩形波的占空比D为： (3-21)重复频率： (3-21)当时：。3.3.2.4 方案三总电路Proteus仿真图图3-3-5 ICL8038信号发生器Proteus仿真总图3.3.2.5 方案三总电路Proteus仿真结果图3-3-6 方案三ICL8038信号发生器产生占空比可调矩形波图3-3-7 方案三ICL8038信号发生器产生锯齿波图3-3-6 方案三ICL8038信号发生器产生正弦波3.4 基于单片机ICL89C51的函数信号频率计3.4.1 频率计设计思路说明测量函数信号频率的一般方法有两种：1 计时法：通过设定基准信号，输入被测信号比较基准信号计算输入信号的高电平持续的时间，转换成被测信号的频率。2 计数法：通过设定基准信号，输入被测信号计算在基准信号高电平期间通过的被测信号个数，转换成被测信号的频率。考虑需要测量频率的被测信号形式多样，首先将被测信号通过过零比较转换成矩形波信号，通过测量生成对应矩形波得出频率。当被测信号的频率过高时，测量精度将超出测量极度要求，这时需要将被测信号进行分频处理。如果被测信号频率很高需要将被测信号进行多次分频直到达到设计的精度要求。根据设计要求用单片机AT89751内部计数器T0产生基准信号，由P3.4/T0引脚输入被测信号，通过定时方式计算被测信号的高电平持续时间，计算得出结果，由六位共阴极LED显示器显示测量结果。频率克表示为周期性信号在单位时间内变化的次数。本文采用计时法对函数信号频率进行测量，即通过测得输入周期信号重复变化次所需要时间计算其自身频率。此种方法测量的频率可表示为本文对频率测量模块进行了简化处理，除去分频模块，只进行了最简化的设计，但其精度经过检测完全满足实际测量的要求。3.4.2 频率计电路设计方案图3-4-1 频率计设计电路图本文频率计设计采用AT89C51单片机、7SEG-MPX6-CC六位共阴极LED显示块、LM833N构成。输入信号首先由LM833N进行过零比较，将输入信号转换成对应矩形波由线路1向单片机输入端P3.0口输入测量矩形波信号。由六位共阴极LED六位共阴极LED块实现测量频率的数字现实。电路图如图3-4-1所示。3.4.3 单片机AT89C51的软件设计3.4.3.1 程序流程图图3-4-2 AT89C51程序流程图 3.4.3.2 AT89C51程序设计根据要求，函数信号发生器的工作测量频率区间为10Hz10KHz。AT89C51的振荡脉冲频率为求得机器周期设定定时器1工作在定时方式，定时时间为0.05s由初始值计算公式可得定时器1的初始值为X = 0011 1101 1111 0000B= 3CD0H故可知R1作为计数器溢出的次数，在这1s内信号高电平出现个数及为频率f:3.4.3.3 AT89C51程序编写 VALUEHEQU20H;暂存TH1的值 VALUELEQU21H;暂存TL1的值 DATE0EQU22H ;暂存计数值的BCD码 DATE1EQU23H DATE2EQU24H DATE3EQU25H DATE4EQU26HDATE5 EQU 27H COUNTEQU 30H;-ORG 0000HSJMP MAINORG 000BHLJMP INT_T0ORG 001BHLJMP INT_T1MAIN:MOVDPTR,#TABLEMOV20H,#00H ;存储空间初始化MOV21H,#00HMOV22H,#00HMOV23H,#00HMOV24H,#00HMOV25H,#00HMOV26H,#00HMOV30H,#00HMOV R1,#00H ;R1作为计数器溢出的次数MOV TMOD,#15H ;定时器1工作在定时方式 ;定时器0工作在计数方式MOV TH1,#3CHMOV TL1,#0B8HMOV TH0,#00HMOV TL0,#00HMOV IE,#8AH ;开启定时器0和1 SETB TR0 ;启动定时SETB TR1 ;启动计数W1: LCALL DISP ;显示计数值 LJMP W1;-INT_T0: ;中断0作为计数器溢出 ;溢出R1加1 MOV TH0,#00HMOV TL0,#00H INC R1CLR TF0RETI INT_T1: MOV TH1,#3CHMOV TL1,#0B8HINC COUNTMOV A,COUNT CJNE A,#20,RETUNE ;是否计满1秒 MOV COUNT,#00HCLR TR0 ;关闭定时器CLR TR1 ;关闭计数器MOV VALUEL,TL0 ;存放计数值MOV VALUEH,TH0 LCALLHTOD ;将十六进制数转换为十进制数RETUNE: RETI;-;这段程序将VALUEH/VALUEL中的16进制数转成10进制并且把5位数依次存入DATE0至DATE4;-HTOD: MOVR2,VALUEH;把计数器的值送到R2,R3 MOVR3,VALUEL;送到R2,R3后把R2,R3里面压缩的十六位的二进制数转换成十进制数 CLRA;然后存放到R4,R5,R6中 MOVR4,A MOVR5,A MOVR6,A MOVR7,#18HLOOP1: CLRC MOVA,R3 RLCA MOVR3,A MOVA,R2 RLCA MOVR2,A MOVA,R1 RLCA MOVR1,A MOVA,R6 ADDCA,R6 DAA MOVR6,A MOVA,R5 ADDCA,R5 DAA MOVR5,A MOVA,R4 ADDCA,R4 DAA MOVR4,A DJNZR7,LOOP1CZ: MOVR0,#DATE5;把R4,R5,R6中的数放到DATE0DATE5中 MOVA,R6 ANLA,#0FH MOVR0,A DECR0 MOVA,R6 SWAPA ANLA,#0FH MOVR0,A DECR0 MOVA,R5 ANLA,#0FH MOVR0,A DECR0 MOVA,R5 SWAPA ANLA,#0FH MOVR0,A DECR0 MOVA,R4 ANLA,#0FH MOVR0,A DECR0 MOVA,R4 SWAPA ANLA,#0FH MOVR0,A RET ;-显