简易信号发生器和简易频率计

1 中中 原原 工工 学学 院院 课课 程程 设设 计计 课程名称 电子技术综合设计与实践 题目名称 简易信号发生器和简易频率计 学生学院 电子信息学院 专业班级 信息 113 学 号 201100484311 学生姓名 赵鹏鸽 指导教师 李晓荃 2014 年 1 月 7 日 2 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 姓名赵鹏鸽学号 201100484311 班级信息 113学院电子信息学院 课程电子技术综合 题目简易信号发生器和简易频率计 设计任 务 1 设计一个的正弦波 方波和三角波发生器 1 频率可调范围 2Hz 20KHz 分为 4 档 2 20Hz 20 200Hz 200Hz 2KHz 2 20KHz 2 幅度可调范围 0 5V 3 可调偏置 2 设计一个简易数字频率计 1 可测量信号频率范围 1 100 KHz 显示单位为 Hz 2 输入电压幅度 VPP 100mV 10V 3 输入信号波形 任意周期信号 4 显示方式 6 位十进制数显示 时间进 度 星期一 二 布置设计方案 预设计及验收 星期三 四 五 计算机仿真及仿真结果验收 星期一上午 发放元器件 领取工具 星期一下午 焊接 星期二 三 四 安装 调试 教师验收 星期周五 打印图纸 写设计报告 主要参 考资料 1 康华光 电子技术基础 数字部分 第五版 北京 高等教育出版 社 2006 2 康华光 电子技术基础 模拟部分 第五版 北京 高等教育出版 社 2006 3 电子技术 下 实验指导书 中原工学院电子技术课程组 自编 2011 3 目录目录 1 前言前言 4 2 总体方案设计总体方案设计 5 3 设计原理设计原理 6 3 1 简易信号发生器的基本原理简易信号发生器的基本原理 6 3 2 数字频率计的基本原理数字频率计的基本原理 9 4 元器件清单元器件清单 12 4 1 简易函数信号发生器元器件清单简易函数信号发生器元器件清单 12 4 2 简易数字频率计元器件清单简易数字频率计元器件清单 13 5 电路调试与仿真电路调试与仿真 14 5 1 电路的调试电路的调试 14 5 2 电路的仿真电路的仿真 14 5 3 电路板的调试电路板的调试 16 6 参数测试参数测试 17 7 心得体会心得体会 20 8 参考文献参考文献 21 4 1 1 前言前言 频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值 输入电路 由于输入的信号可 以是正弦波 方波 而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波 所以需 要设计一个整形电路则在测量的时候 首先通过整形电路将正弦波或者三角波 转化成矩形波 在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况 所以在通过整 形之前通过放大衰减处理 当输入信号电压幅度较大时 通过输入衰减电路将 电压幅度降低 当输入信号电压幅度较小时 前级输入衰减为零时若不能驱动 后面的整形电路 则调节输入放大的增益 时被测信号得以放大 通过时基电 路及控制电路 锁存器 将最终频率稳定的显示在数码管上 函数波形发生器的 原理以及构成分析 可设计一个能变换出三角波 正弦波 方波的函数波形发 生器 5 2 总体方案设计总体方案设计 1 可先产生正弦波 然后通过整形电路将正弦波变成方波 再由积分电路 方 波变成三角波 也可先产生三角 方波 再将三角波变成正弦波 如下框图所示 方波 三角波 正弦波 2 频率计是直接用十进制来显示被测信号频率的一种测量装置 它可以测量正 弦波 方波和三角波的频率 利用施密特触发器将输入信号整形为方波 并利 用计数器测量1s 内脉冲的个数 利用锁存器锁存 稳定显示在数码管上 数字 频率计的整体结构要求如图 1 1 所示 图中被测信号为外部信号 送入测量电 路进行处理 测量 档位转换用于选择测试的项目 频率 周期或脉宽 若测量频率则进一步选择档位 6 3 设计原理设计原理 1 信号发生器信号发生器 设计内容是要求设计一个函数信号发生器 能输出正弦波 方波和三角波三 种波形 而且幅度可以调节 有技术指标可以知道 三个波形发生电路可以共 用一个限幅电路 所以 可以得到此电路可有三部分组成 正弦波发生电路方 波发生电路 三角波发生电路 限幅电路 调频和调幅原理 调频原理 根据 RC 振荡电路的频率计算公式可知 只需改变 RC f o 2 1 R 或 C 的值即可 本方案中采用两个可变电阻 R 调节来改变频率 调幅原理 本方案选用了最简单有效的电阻分压的方式调幅 在输出端通 过电阻接地 输出信号的幅值取决于电阻分得的电压多少 其最大幅值为电路 的输出电压峰值 最小值为 0 在电路中 运放 NE5532 和电阻 R Rw 构成正常的负反馈放大电路 而 R1 C1 R2 C2 则构成 RC 串并联选频网络 同时又由该选频网络作为反馈网络形 成正反馈环节 其 R1 C2 上的反馈电压作为输入代替放大器的输入信号 D1 D2 起稳幅作用 采用参数扫描还可以对振荡频率进行分析 同时改变选频网络的电阻 R1 R2 或同时改变 C1 C2 即可改变振荡输出的频率 使得频率分别为 300Hz 1KHz 10KHz 输出幅值通过 RW 可调 起振过程分析 根据起振条件 AF 1 选频网络的反馈系数 Fmax 1 3 只要负反馈 放大器的放大倍数 A 大于 3 即 RW 接入电阻 与 R4 的和略大于 R3 的两倍 就可产生正弦波振荡 1 正弦正弦 7 2 偏置电路偏置电路 电路中产生的正弦波以及后面要产生的方波和三角波容易产生上下偏移 电路中产生的正弦波以及后面要产生的方波和三角波容易产生上下偏移 所以需要在电路中设置偏置电路 偏置电路可由运算放大器组成的加法电路来所以需要在电路中设置偏置电路 偏置电路可由运算放大器组成的加法电路来 实现 实现 3 方波方波 由运算放大器组成的过零比较器可实现将正弦波转为方波的功能 由运算放大器组成的过零比较器可实现将正弦波转为方波的功能 在输入是正弦波的情况下 在正弦波过零变负的时候 经过过零比较器后比较在输入是正弦波的情况下 在正弦波过零变负的时候 经过过零比较器后比较 器的幅值就会变负且幅值保持不变 在正弦波过零变正后过零比较器产生正的器的幅值就会变负且幅值保持不变 在正弦波过零变正后过零比较器产生正的 幅值不变的电压 由此产生稳定的方波 并且和正弦波同频率 幅值不变的电压 由此产生稳定的方波 并且和正弦波同频率 8 dtuu IO RC 1 uIuI 3 3 三角波电路三角波电路 由运算放大器组成的积分电路可实现将方波转 换为三角波的功能 方波和三角波的频率与正弦波的频率相同 可 通过正弦波振荡电路来调节 在积分电路中 信号的周期和积分时间常数两 者在数值上有一定的要求 当信号频率改变时 也应相应地改变积分电路路中 的电容值 三角波的产生是由积分电路实现的 积分电路将方波转换成三角波 积分 电路的原理图如下 由于集成运放的反相输入端 虚地 故 又由于 虚断 运 uu CO 放反相输入端的电流为零 则 故 由以上几个表达式 ii CI RiRiuCII 可得积分电路输入电压和输出电压的关系为 由于输入的是方波 所以 的值为两个状态 当 0 时 输出波形以的斜率上升 当 uI 0 时 输出波形以的斜率 t u u RC I O RC uI RC uI 下降 上升和下降的斜率相等所以波形对称 形成三角波 9 5 幅度调节幅度调节 2 幅度可调范围 0 5V 由运放的幅值调节电路可知 Av V0 Vi RW Ri 因此在三种波形的输出端加 入幅值调解电路就可以对信号输出幅值进行调节 使三种波形的幅值在 0 5V 内进行调节 3 2 频率计频率计 由于输入的信号可以是正弦波 三角波 而后面的闸门或计数电路要求 被测信号为矩形波 所以需要设计一个整形电路则在测量的时候 首先通过 整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波 在整形之前由于不清楚被测信 号的强弱的情况 所以在通过整形之前通过放大衰减处理 当输入信号电压 幅度较大时 通过输入衰减电路将电压幅度降低 当输入信号电压幅度较小 时 前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路 则调节输入放大的增 益 时被测信号得以放大 10 频率测量 测量频率的原理框图如图 测被测信号经整形后变为脉冲信 号 矩形波或者方波 送入闸门电路 等待时基信号的到来 时基信号 CD4060 构成一个较稳定的多谐振荡器 经整形分频后 产生一个标准的 1S 时基信号 作为闸门开通的基准时间 被测信号通过闸门 作为计数器的时 钟信号 计数器即开始记录时钟的个数 这样就达到了测量频率的目的 放大整放大整 形电路形电路 脉冲脉冲 计数器计数器 数据锁数据锁 存电路存电路 译码驱译码驱 动电路动电路 LED显显 示电路示电路 时钟电路时钟电路 单稳态单稳态 清零脉冲清零脉冲 输入输入 1 放大整形电路 由双运算放大器 NE5532 组成 采用 5V 电源 其中一个运算放大器对输入信号进行放大 放大倍数选用 50 另一个运算放大器接成过零电压比较器 对放大后的信号进行整形 产生 5V 的脉冲信号 要想得到 TTL 脉冲信号 需要设计成带限幅的过零比较器 放大整形电路的波形变换 为了能够对直流周期信号的频率进行测量 需要在放大前加入滤波电路 2 时钟电路 清零和锁存脉冲时钟电路 清零和锁存脉冲 晶振采用平常较为多见的时钟晶振 谐振频率为 32 786kHz 用 CD4060 对其进行 2 14 分频 得到 2Hz 的信号 再由 J K 触发器 CD4027 进行 2 分频 得到需要的 1 秒的时钟信号 1S 25S 25S 11 时钟信号同时又作为锁存器的锁存信号 直接送到锁存器 74HC374 在时钟信号的上升沿进行锁存 在时钟信号的上升沿时刻 用单稳态触发器 CD4528 产生一个宽度 25 微秒的清零脉冲送至计数器 CD4518 的 CLR 端 使脉冲计数器清零后重新开 始计数 由于单稳态触发器的时间延时 可以保证锁存器进行锁存之后 计数 器才开始清零操作 3 译码显示电路译码显示电路 译码电路与数码显示 本设计所选用的是半导体数码管 是用发光二极管 简称 LED 组成的字 形来显示数字 七个条形发光二极管排列成七段组合字形 便构成了半导体数 码管 半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型 共阳极数码管的七个发光二 极管的阳极接在一起 而七个阴极则是独立的 共阴极数码管与共阳极数码管 相反 七个发光二极管的阴极接在一起 而阳极是独立的 12 当共阴极数码管的某一阴极接高电平时 相应的二极管发光 可根据字形使某 几段二极管发光 所以共阴极数码管需要输出低高平有效的译码器去驱动 共 阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动 当数字钟的计数器在 CP 脉冲韵作用下 按到 9 进 1 的计数规律计数时 就应将 其状态显示成清晰的数字符号 这就需要将计数器的状态进行译码并将其显示 出来 我们选用的计数器全部是二 十进制集成片 个位和十位的状态分别由集 成片中的四个触发器的输出状态来反映的 每组 四个 输出的计数状态都按 BCD 代码以高低电平来表现 因此 译码显示电路选用 BCD 7 段锁存译码 驱动 器 CD4543 将计数器 译码显示器和显示数码管连在一起 由 4511 的电路图 可知 当有 4518 产生的进位信号 3 对应 7 4 对应 1 4 对应 2 5 对应 6 同 时 4511 的 3 4 5 应接高电平 4543 才能进行正常的译码功能 七个输出出端 13 12 11 10 9 15 14 分别对应于数码管的对应输入端 4 元器件清单元器件清单 4 1 简易函数信号发生器元器件清单简易函数信号发生器元器件清单 序号序号名名型号及参数型号及参数数量数量 1C11 C211uF2 2C12 C22 C320 1uF3 3C13 C23 C33 0 01uF3 4C14 C24 C34 1000pF3 5C312uF 1 6D1 D21N4148 2 7DZ1 DZ21N4731 2 8RW100K 双联 含旋钮 1 9RW3100K 3296 1 10RW1 RW2 RW410K 3296 3 11R6 R77 5K2 12R8 R205 1 K2 13R96 2K1 14R10 R14 R5 R1710K7 15R15 R16100K2 16R18 R19 R22 R231K4 17RP15101 18U1 U2 U3NE55323 19排针 2 43 20排针 2 31 21排针 2 21 22LED1 电源指示发光二极管 1 13 23OUT OUT 测量信号输入端2 只 24电源接线端子3 位端子 电源接口 1 只 25测试针A B C D 4 26印刷电路板PCB 板1 27R211M1 4 2 简易数字频率计元器件清单简易数字频率计元器件清单 序号序号名称名称型号及参数型号及参数数量数量 1CP1100uF 16V1 2CU110 01uF1 3CY112pF1 4CY2可变电容 30pF 1 5Cin2uF 1 6D11N4148 1 7DS1 DS6数码管 共阴 6 8RDSxx RP151043 9RY120M1 10RY2330K1 11RU11 RU12310K2 12RU121 RU125 1272K4 13RU122 RU124100K2 14U1 U2 U1474HC3743 15U3 U6 U15 U16 CD45436 16U7 U8 U13CD45183 17U9CD40601 18U10CD40271 19U11CD45281 20U12NE55321 21Y1晶振 32 768KHz 1 22LED1 电源指示发光二极管 1 23 IN IN 测量信号输入端2 只 24电源接线端子 3 位端子 电源接口 1 只 25测试针A B C D E 5 26印刷电路板PCB 板 1 14 5 5 电路调试与仿真电路调试与仿真 5 15 1 电路的调试电路的调试 1 方波 三角波发生器的调试 比较器 A1 与积分器 A2 组成正反馈闭环电路 同时输出方波和正弦波 A1 输出 为方波 A2 输出为三角波 微调 RP1 使三角波的输出幅度满足设计指标要求 调节 RP2 则输出频率连续可变 2 三角波 正弦波变换的调试 1 差分放大器传输传输特性曲线调试 将 C4 与 RP3 的连线断开 经电容 C4 输入差模信号电压uid 50mV fi 10kHz 的正弦波 调节RP4及电阻R 使传输特 性曲线对称 再逐渐增大uid 直到传输特曲线形状如图 2 3 2 所示 记下此时 对应的uid 即uidm值 移去信号源 再将 C4左端接地 测量差分放大器的静态 工作点 Io Uc1Q Uc2Q Uc3Q Uc4Q 2 三角波 正弦波变换电路的调试 将 RP3与 C4连接 调节 RP3使三角波的输 出幅度经由 RP3 后输出等于uidm值 这时U03的输出波形应接近正弦波 调整 C6大小可以改善输出波形 如果U03的波形出现如图 3 1 1 所示的几种正弦波失 真 则应调整和修改电路参数 产生失真的原因及采取的相应措施有 钟形失真 如图 a 所示 传输特性曲线的线性区太宽 应减小RE2 半波圆顶或平顶失真 如图 b 如示 传输特性曲线对称性差 工作点 Q偏上或偏下 应调整电阻R 非线性失真 如图 c 所示 三角波的线性度较差引起的失真 主要受 运放性能的影响 可在输出端加滤波网络 如C6 100pF 改善输出波形 5 25 2 电路的仿真电路的仿真 方波方波 三角波发生电路的仿真三角波发生电路的仿真 15 16 17 5 3 电路板调试电路板调试 18 6 参数测试参数测试 信号发生器数据信号发生器数据 正弦波正弦波 MinMin336 2mv MinMin2 37KHZ MaxMax2 65V MinMin267 5mv 2KHZ2KHZ 20KHZ20KHZ f f MaxMax18 65KHZ U U MaxMax2 98V MinMin960 4mV MinMin231 6HZ MaxMax1 65V MinMin589 5mV 200HZ 200HZ 2KHZ2KHZ f f MaxMax1 81KHZ U U MaxMax2 89V MinMin562 5mV MinMin26 8HZ MaxMax2 67V MinMin1 24V 20HZ 200HZ f f MaxMax186 5HZ U U MaxMax2 65V MinMin2 65V MinMin2 63HZ MaxMax4 98V MinMin1 21V 2HZ 20HZ f f MaxMax18 69KHZ U U MaxMax2 21V 19 方波方波 MinMin296 8mV MinMin2 69KHZ MaxMax3 65V MinMin798 5mV 2KHZ2KHZ 20KHZ20KHZ f f MaxMax18 65KHZ U U MaxMax4 32V MinMin562 5mV MinMin234 6HZ MaxMax3 45V MinMin334 2mV 200HZ 200HZ 2KHZ2KHZ f f MaxMax1 75KHZ U U MaxMax4 24V MinMin462 1mV MinMin18 65HZ MaxMax1 98V MinMin271 2mV 20HZ 200HZ f f MaxMax179 6HZ U U MaxMax3 01V MinMin368 2mV MinMin1 90HZ MaxMax3 14V MinMin369 1mV 2HZ 20HZ f f MaxMax18 69HZ U U MaxMax3 84V 三角波三角波 2KHZ2KHZ f fMinMin2 21KHZU UMinMin461 2mV 20 MaxMax6 34V MinMin461 2mV 20KHZ20KHZ MaxMax18 65KHZ MaxMax4 8V MinMin442 1mV MinMin185 6HZ MaxMax6 89V MinMin469 2mV 200HZ 200HZ 2KHZ2KHZ f f MaxMax1 98KHZ U U MaxMax4 61V MinMin339 1mV MinMin18 65HZ MaxMax6 12V MinMin564 1mV 20HZ 200HZ f f MaxMax189 6HZ U U MaxMax4 61V MinMin442 1mV MinMin2 64HZ MaxMax5 87V MinMin564 12mV 2HZ 20HZ f f MaxMax19 6HZ U U MaxMax6 64V 频率计数据频率计数据 2 76V2 76V 1HZ1HZU U 9 64V9 64V 5 97mV5 97mV 200KHZ200KHZU U 18 32V18 32V 7 74mV7 74mV 300KHZ300KHZU U 8 64V8 64V F F 400KHZ400KHZU U0 64V0 64V 21 2 69V2 69V 0 42V0 42V 520HZ520HZU U 0 6V0 6V 7 心得体会心得体会 首先感谢这次机会进行课程设计 让我们在为期一周的电子课程设计中懂 得了更多 学到了更多 电子设计是我们必需要学会的技能 这也是我们步入 社会的一个个小小的动手能力提高 通过此次课程设计 使我们很快认清了现在的自己有多么年轻 而且也更加 领悟到了老师的作用 上课老师都仔细讲过的东西 当时没由好好听讲 课下 花了好多时间去看它 十分感谢这次课设老师对我的帮助 让我对这门课有了更 深的了解 通过网上搜索等多方面的查询资料 我学到许多在书本上没有的知 识 也认识到理论联系实践的重要 理论学得好 但如果只会纸上谈兵 一点 用都没有 以后也很难找到工