2015年测控大二小学期实习(地大北京).doc

分类号 密级中国地质大学（北京）本 科 实 习 报 告题 目 组合函数信号发生器及波形 巡回切换电路的设计与实现 学生姓名 熊林森 学 号 1010132221 学生姓名 钮月锋 学 号 1010132227 院（系） 地球物理与信息技术学院 专 业 测控技术与仪器 二零一五 年 七 月摘 要 这次暑期实习的目的是针对我们学过的模拟电子技术等课程，将所学的理论知识运用到实际。此次小学期实习要求我们自己设计，焊接，调试我们经常要用到的各种信号源电路，如：方波-三角波-正弦波电路，锯齿波-阶梯波电路。本次实习我们自己动手设计电路图，焊电路板，在动手的过程理解电路的原理，在调试、查错的过程中学会运用示波器帮助我们找到错误的根源。让我们自己设计并制作函数发生器，克服了纯理论教学的枯燥，既激发我们的学习兴趣，加深了我们对集成运算放大器、计数器等理论知识的理解，又提高了我们的动手能力，加深了我们对自己专业的了解。关键词： 仿真；调制与解调； 集成运放； 自动切换； 焊接ABSTRACT This summer internship was aimed at the analog electronic technology courses we have learned, and change the theoretical knowledge into practical use. The internship requires us to design, weld and test-run a variety of signal source circuit , such as: square wave - triangle wave sinusoid circuit, sawtooth - ladder wave circuit. The practice of our own hands-on design schematics, weld circuit boards, during this process we understand the principles of the circuit. The debugging, troubleshooting process helps us to learn how to use the oscilloscope to find the source of the error. Our own design and weld a function generator overcoming the boring plain theoretical teaching, not only stimulate our interest in learning, deepen our understanding of the theoretical knowledge of integrated operational amplifiers, counters, etc. also improve our hands-on ability and enhance our understanding of our own profession.Key words: Emulate; Modulation and demodulation; Op-amp integrated; Automatic switchover; Soldering目 录1 实习任务及要求.11.1 实习任务.11.2 技术指标.11.2.1基本部分.11.2.2发挥部分.11.3 工作流程.11.4 设计提示.12 设计过程与方案.22.1方波-三角波产生电路.22.1.1电路原理描述.22.1.2元件值的计算与选择.32.1.3电路仿真.42,2正弦波产生电路.42.2.1电路原理描述.42.2.2元件值的计算与选择.52.2.3电路仿真.52.3锯齿波产生电路.62.3.1电路原理描述.62.3.2元件值的计算与选择.62.3.3电路仿真.72.4阶梯波产生电路.72.4.1电路原理描述.72.4.2元件值的计算与选择.82.4.3电路仿真.82.5调幅电路.92.5.1电路原理描述.92.5.2元件值的计算与选择.92.5.3载波信号电路仿真.102.5.4调制信号电路仿真.102.5.5乘法器电路.122.5.6振幅调制电路仿真.122.6准时序产生2s，3s的波形自动循环控制电路.142.6.1电路原理描述.142.6.2元件值的计算与选择.152.6.3电路仿真.152.7模拟开关.163 测试记录.164 实习体会与建议.174.1实习体会.174.2建议.18 参考文献.18中国地质大学（北京）2015年本科实习报告1 实习任务及要求1.1 实习任务完成组合函数信号发生器的硬件制作。组合波形包括：正弦波、锯齿波、方波、阶梯波、调幅波。对上述前四种波形进行巡回切换输出；对调幅波进行调幅输出，分别在示波器上进行观测。1.2 技术指标1.2.1 基本部分1、 正弦波、锯齿波、方波、阶梯波的频率均为1000 Hz，频率稳定度为1000ppm。2、 输出信号的峰峰值为2V，幅度失稳度、波形失真度均小于1%。3、 在一个周期内，阶梯波的阶梯不小于3个，阶梯台阶均匀。4、 每种波形的巡回切换时间间隔为2 S。5、 调幅波的包络线频率为100、200、300 Hz，载波频率为10000 Hz。1.2.2 发挥部分对调幅波的包络线进行变频循环输出，频点为100Hz，200Hz、300Hz，循环间隔时间为3S。1.3 工作流程1）调研、查找并收集资料；2）画出原理框图；3）单元电路设计与计算；4）绘制电路图；5）列元器件明细表；6）电路焊接与调试；7）撰写设计报告。1.4 设计提示 电路主要由五个模块组成，包括DC-DC电路、信号产生电路、基准时序产生电路、波形自动循环控制电路、调幅电路。其原理框图如图1。各模块功能如下：1） DC-DC电路。实验室所能提供的供电电压为12V，而数字电路工作电压为5V。因而，可用7805和7905实现5V的工作电压。若需使用8V，可用7808和7908实现。2） 信号产生电路。主要分为：方波-三角波产生电路，低通滤波电路，锯齿波产生电路。可以由积分器和比较器同时产生三角波和方波，其中比较器起电子开关的作用，将恒定的正、负极性的电位交替地反馈至积分器而得到三角波。三角波经低通后可产生正弦波。锯齿波通过比较运算后可得到阶梯波。3） 调幅电路。采用10KHz载波信号进行AM调制，对调幅波的包络线进行变频循环输出，频点为100Hz，200Hz，300Hz。4） 基准时序产生电路。循环的时间基准由此电路实现。5） 波形自动循环控制电路。要求方波、正弦波、锯齿波、阶梯波等均能够自动循环输出，且每种波形显示时间为2S；调幅波能够自动变幅循环输出，各调幅波显示时间为3S。调制输出阶梯波锯齿波方波正弦波低通滤波电路方波-三角波产生电路锯齿波产生电路比较及加法运算电路载波信号发生电路100Hz调制信号产生电路200Hz调制信号产生电路300Hz调制信号产生电路模拟开关模拟开关波形自动循环控制电路基准时序产生电路手 动 开 关示波器显示振幅调制电路件K选频电路就波形自动循环控制电路基准时序产生电路图1 组合函数信号发生器及波形巡回切换电路原理框图2 设计过程与方案2.1 方波-三角波产生电路2.1.1 电路原理描述 如将滞回比较器和积分器首尾相接形成反馈的闭环系统，如图2-1所示，则比较器输出方波经积分器积分后可得到三角波，三角波又经触发器自动翻转形成方波，这样即构成了方波-三角波发生器。图中运用了TL074组成的运放积分电路。图2-1方波-三角波发生电路其中， R7控制电路的震荡频率，R5控制方波的幅度，R7控制方波三角波的频率，R6控制三角波的幅度，实际可调。2.1.2 元件值的计算与选择电路震荡频率：f=方波幅值：Uom=三角波幅值：Uom=f=1KHz，根据已有元件选定=10nF，则，。2.1.3 电路仿真图2-2仿真得到的方波-三角波发生图2.2 正弦波产生电路2.2.1 电路原理描述将发生的三角波经过一个一阶低通滤波电路，如图2-3所示，则三角波经低通滤波后可产生正弦波。图中运用了TL074及电容和电阻共同构成了低通滤波器。图2-3方波-三角波-正弦波发生电路其中，R11控制正弦波的幅度，实际可调。2.2.2 元件值的计算与选择通带放大倍数Aup=1+特征频率fo=当f=fo时，Au=故通带截止频率fp=fo。f=1kHz，所以RC=0.000159，根据已有元件取C=0.1uF，R=1.62.2.3 电路仿真图2-4仿真得到的正弦波发生图图2-5仿真得到的方波-三角波-正弦波发生图2.3 锯齿波产生电路2.3.1 电路原理描述锯齿波产生电路可在方波发生器和积分器之间加上两个二极管以及滑动变阻器来实现，滑动变阻器可用来调节占空比。积分电路正向积分的时间常数远大于反向积分的时间常数，或者反向积分的时间常数远大于正向积分的时间常数，那么输出电压上升和下降的斜率相差很多，就可以获得锯齿波。利用二极管的单向导电性使积分电路两个方向的积分通路不同，就可以得到锯齿波发生电路。图2-6锯齿波发生电路2.3.2 元件值的计算与选择根据三角波发生电路振荡周期的计算方法，可得出上升时间和下降时间，分别为T1=t1-t02T2=t2-t12 所以振荡周期：T=占空比：=T=1ms，R3远大于R2时，T=T2，取R4=2R5，C=10nF，R2=220，R3=100K，考虑到实际电路中频率便于调整，加入滑动变阻器R18。调整滑动变阻器滑动端的位置，可以改变占空比以及锯齿波上升和下降的斜率。2.3.3 电路仿真图2-7仿真得到的锯齿波发生图2.4 阶梯波产生电路2.4.1 电路原理描述阶梯波产生电路可由比较及加法运算电路来实现。设置三个单限比较器，设置三个比较电压，可使锯齿波斜率比较大的那条线上发生三次电压跳变，从而产生三个方波，再通过同相比例加法运算电路使它们叠加，从而产生阶梯波。图2-8锯齿波发生电路2.4.2 元件值的计算与选择要实现三个阶梯，需设置三个阈值电压，要使阶梯均匀，应将峰峰值2V平分为4部分，即3个比较器的阈值电压分别为-0.5V，0V，0.5V，考虑到实验室可提供12V电压，故3个外加参考电压为12V，0V，根据及已有元件，选择43K和1.8K电阻。同相比例加法运算电路中R7使用滑动变阻器易于调节输出阶梯波的幅值。2.4.3 电路仿真图2-9仿真得到的锯齿波-阶梯波发生图2.5 调幅电路2.5.1 电路原理描述调幅电路主要由载波信号发生电路和调制信号产生电路两部分组成。载波信号是10KHz的正弦波信号，调制信号分别为100Hz、200Hz、300Hz的正弦波信号，均可由RC桥式正弦波振荡电路产生。将产生的载波信号和调制信号通过乘法器运算便可得到振幅调制信号。图2-10载波信号与调制信号经过乘法器的总电路2.5.2 元件值的计算与选择电路振荡频率起振的振幅条件：2.5.3 载波信号电路仿真图2-11仿真得到的载波信号2.5.4 调制信号电路仿真图2-12仿真得到的100Hz调制信号图2-13仿真得到的200Hz调制信号图2-14仿真得到的300Hz调制信号2.5.5 乘法器电路将产生的载波信号和调制信号通过乘法器运算便可得到振幅调制信号。乘法器是由MC1496芯片及一些电容、电阻共同连接而成。 图2-15乘法器总电路2.5.6 振幅调制电路仿真图2-16仿真得到的载波信号与调制信号经过乘法器的结果2.6 基准时序产生2s，3s的波形自动循环控制电路2.6.1 电路原理描述 利用NE555产生周期为2s的脉冲电路，然后接入四进制计数器，其中QA、QB作为模拟开关CD4052 A、B的输入，555的输出端口与74LS161的CLK相连，同时Q0、Q1用7ALSOO与非门输出到LD端口，将方波，正弦波，锯齿波和阶梯波分别接到模拟开关上，以达到四个波形周期为2s的自动循环效果。3s循环电路原理类似，模拟开关直接接入调制电路中，使其3秒自动切换一种频率的电路显示。图2-17 2s电路波形自动循环控制电路图2-18 3s电路波形自动循环控制电路2.6.2 元件值的选择与计算上图555定时器组成的电路的震荡周期T=，T=2s时，取C1=10uF，则R1+2R2=288K，根据已有元件确定R1=68K，R2=110K同理T=3s时，可确定R3=62K，R4=110K，R5=75K2.6.3 电路仿真由于软件时间问题，电路仿真将电路中的电容缩小了一千倍，便于观察仿真波形。图2-19仿真得到的2s电路输出脉冲图图2-20仿真得到的3s电路输出脉冲图2.7 模拟开关实验中用CD4052实现了波形自动切换。其中A,B分别与74LS161的QA,QB相连，INH,VSS接地，VDD接+5V，VEE接-5V。3 测试记录6月29日（星期一）7月1日（星期三）电路设计及仿真阶段。任务测试现象故障原因解决办法结果方波三角波产生电路仿真正常无无正常正弦波电路仿真正常无无正常阶梯波-锯齿波电路仿真锯齿波出现偏置不明使用加法器正常调幅波电路仿真正常无无正常基准时序及自循环电路仿真正常无无正常 7月3日（星期五）7月17日（星期五）焊接电路及调试阶段。7月3日：焊接方波-三角波-正弦波发生电路 现象：方波不出现 解决：拆掉电路重新焊接 结果：方波波形正常7月5日：焊接方波-三角波-正弦波发生电路 现象：三角波和正弦波波形正常7月6日：焊接锯齿波-阶梯波发生电路 现象：锯齿波频率正常，但有毛刺 解决：加低通滤波电路 结果：锯齿波和阶梯波波形正常7月8日：焊接10K载波及100Hz，200Hz，300Hz调制电路 现象：100Hz正弦波波形的频率变成200Hz，其他波形皆正常 解决：换上更为精确的电容和负反馈电阻 结果：100