示波器功能扩展电路的设计与实现

1、电子电路综合实验报告示波器功能扩展电路的设计与实现学院： 班号：学号：姓名： e2515c4f63121b3c92fb3fc053422591.pdf摘要：本实验是示波器功能扩展电路，即为实现将普通的双踪示波器改造成为多踪示波器。电路分为五个基本分块电路时钟电路、计数电路、选通电路、衰减和放大电路、加法电路，分别实现产生方波时钟信号、对时钟信号的二分频与四分频信号、选通信号、交流放大或衰减，直流脉冲（阶梯波）与阶梯波的叠加功能。电路共有四个输入端和一个输出端。输入端分别接由信号函数发生器产生的四路不同信号，输出端接示波器的探头，最终在示波器的屏幕上实现同时显示四路稳定的被测信号的波形。关键词：

2、计数器、选通电路、信号叠加、555振荡器、交流放大、多踪显示一、实验目的：1. 加深对示波器工作原理和使用的理解。2. 了解掌握555定时器的用作多谐振荡器的方法。3. 掌握集成运放的使用方法。4. 学习模拟多路选择器的工作原理和使用方法。5. 理解电子电路综合设计、安装调试的基本方法。6. 提高独立设计电路和验证试验的能力二、实验仪器：1. 直流稳压电源2. 函数信号发生器3. 示波器4. 数字万用表 三、实验元器件1. 集成运算放大器LF3532. 多路模拟开关CD40523. 74LS1694. 555定时器5. 电阻电容导线若干6. 面包板四、实验任务要求1.基本要求：设计一个将普通双

3、踪示波器改装成为多踪示波器的电路。能够实现用示波器一路探头输入稳定显示四路被测波形。输入信号幅度为010V，频率不低于500Hz，系统电源DC±5V。2.提高要求：四路被测信号波形的大小可分别调整。五、芯片功能及部分电路原理1、相关芯片介绍：1） NE555集成定时器NE555集成定时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5k的电阻而得名。NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度定时器，其输出电流可达200mA，其一个很重要的应用就是构成多谐振荡器，在多谐振荡器工作方式时其延时时间由两个外接电阻和一个外接电容确定，可延

4、时数微秒至数小时，工作电压范围：4.5V<Vcc<16V。555集成定时器的引脚图：555集成定时器引脚功能：2）74LS169计数器74LS169为可预置的4位二进制加/减计数器，74LS169的计数是同步的，靠时钟CLOCK同时加在4个触发器上而实现。当置入控制端（LOAD）为低电平时，在CLOCK上升沿作用下，输出端（QAQD）与数据输入端（AD）相一致。当EN和EN均为低电平时，在CLOCK上升沿作用下QAQD同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制（U/）为高电平时进行加计数，当计数方式控制（U/）为低电平时进行减计数。引脚图：169功能表：3）CD

5、4052模拟开关 CD4052是一个双4选一的多路模拟选择开关，其使用真值表如下表所示： 管脚图： 注意第6脚为使能脚，只有为0时，才会有通道被选中输出，故第6脚在本电路接地。功能表：4）LF353集成运算放大器：LF353为双运算放大器，输入放大级是由两只P沟道JFET组成的共源极差分电路，并且用镜像恒流源做负载来提高增益；在输入差分放大级和主电压放大级之间是一个由射极跟随器构成的电流放大级，用来提高主电压放大级的输入阻抗和共源极差分电路的负载增益；主电压放大级是一个简单的单级共射极放大电路，为了保证放大器的稳定性，在主电压放大级的输出端到输入差分放大级的输出端加入了一个电容补偿网络，跟补偿

6、电容并联的二极管保证单级共射极放大电路构成的主电压放大级不进入饱和状态工作；输出电流放大级是NPN和PNP构成的互补射极跟随器，两个100的电阻用来稳定输出电流放大级的静态电流，200的电阻用来限制输出短路电流。作为与LT1057,NE5532和CA3240齐名的LF353，是早年间在音频放大领域中应用的四大著名集成双运放之一。由一个LF353运放可构成放大电路和加法器电路，其管脚图如下： 2电路原理分别包括对应器件在电路中产生的作用、电路原理图和实物连接图1.时钟产生电路如下图 方波信号由LMC555及其电阻，电容和电位器等器件组成，电位器的阻值可以改变，实际上就是一个滑动变阻器，通过调节电

7、路中的阻值比可以改变方波信号的占空比，从而改变方波的波形2.地址产生电路 此部分电路主要是用来产生输入信号的二分频与四分频信号，产生的信号可表示为阶梯波产生电路输入的信号（如图1）3.阶梯波产生电路 1OtO1t二分频信号四分频信号图1由9，10端口导入的二分频信号和四分频信号经过CD4052BC产生四路阶梯波，产生的原理可如下若上图分别为输入的两路二分频和四分频信号，则有图可以看出，在二分频信号的一个周期内，四分频信号经过了两个周期，若高点位为1，低电位为0，则二分频的信号是1,0，四分频信号是1，0，1,0，则由A,B输入的两路信号可以分为11,10,01,00四种组合信号。CD4052B

8、C实际上是两个四路数据选择器，由A,B控制选择哪一路信号，其中四路直流信号分别为0V,1V,2V,3V,四路交流信号由外接的信号发生器输入，又由于A,B输入的信号在不断地改变，所以选择出来的信号也是按照时间顺序进入下一电路的，但由于频率很大，所以信号看起来是同时输入的，也因此当电路中没有交流输入时，可以看到四路标准的阶梯波。两个四路信号选择器分别由X,Y输出，又在下一级电路中输出，每一路信号都可以看作是特定的一路直流与特定的交流的叠加，由于直流脉冲的频率远大于交流信号，可以通过调整示波器频率使得波形为输入的交流波形。4.加法器与放大电路 此部分电路实现的是信号放大与叠加。其中原理图左半部分电路

9、主要实现由上一级电路输出的交流信号的放大，放大后信号加入到右半部分的反相加法器，与上级信号选择出来的交流信号叠加输出，从而实现了四路信号同时出现在示波器的输出六、实验设计思路如上图，电路由NE555（时钟产生电路）作为时钟电路，74LS169（地址产生电路）组成的计数器作为地址产生电路，为CD4052（阶梯波产生电路）提供地址，CD4052内有两个四选一模拟开关，一个是作为位移电路产生将不同的四路输入信号在垂直方向上分开的阶梯波信号，另一个在不同的时刻选通所观察的信号之一通过，LF353（直流量叠加与信号放大电路）内有两个运算放大器，一个是对选通的被测信号进行放大或衰减，另一个则是将放大或衰减

10、后的被测信号于不同的直流量叠加，以显示在示波器荧光屏上的不同位置，这样就实现了用一个通道看四路波形的功能。时钟产生电路地址产生电路阶梯波产生电路加法器电路放大调整电路多路模拟开关LMC555CH74F169SC多路被测信号CD4052BCLF353M七、总体结构框图与电路原理总结：总之整个电路的原理是：由NE555产生一定频率（远大于输入的交流信号的频率）的方波，由74LS169产生其二分频与四分频信号加入到CD4052BC的控制端，由于二分频与四分频信号的电位是随时间变化的，所以CD4052BC选出的直流脉冲与交流信号也是不同的，但四路直流脉冲电位不同，且控制端输入信号的频率很大，所以可以在

11、示波器上同时显示四路信号，CD4052BC选出的直流信号与经过放大（或衰减）的交流信号由LF353处叠加，最终显示在示波器上。八、实验步骤及相应的电路图1. 按照电路原理图连接电路，连接完毕后首先要认真检查，搭得的电路如图2. 用示波器观察计数器输出的波形是否正确，频率是否是二分频，四分频。测得的正确波形如图二分频波形四分频波形 3. 用示波器观察阶梯波产生电路第一路开关的输出是否为阶梯波信号，台阶数值分别为0V,-1V,-2V,-3V阶梯波波形4. 在阶梯波产生电路接入四路路相同或不同的信号用示波器观察其最终输入波形是否在示波器水平位置显示出来，改变波段开关即可改变其幅值的大小。（由于实验室

12、条件限制，未接入四路不同输入，但若接入四路可实现）示波器显示的四路相同频率的正弦波示波器显示的两路正弦波两路三角波八、故障及问题分析：1.在时钟产生电路测试时，波形不稳定，调节示波器电平不起作用原因分析：电位器电阻不合适，调节电位器到适当数值，最终使频率保持在80khz处后调节电平，故可使波形清晰稳定。2.阶梯波电压阶梯电压为0.8V，不到1V原因分析：阶梯波产生电路电阻组织选择不正确，改变电阻大小后达到要求。3.在最终输出四路波形时，在阶梯波正常的前提下，波形不稳定且不清晰原因分析：由于高频信号输出时较不稳定，并非电路问题，应该在调示波器时调整trig旋钮，改变触发电平，以达到波形稳定输出的

13、目的。九、总结和心得体会：本次实验为示波器功能拓展电路，它能实现将普通示波器拓展显示四路信号。电路包括多踪示波器的时钟电路、位移电路、衰减和放大电路。能够实现用示波器一路探头输入稳定显示四路被测信号波形。通过对实验的设计和实际连接电路、调试信号的经历，我掌握了555定时器的用做多谐振荡器的方法，了解了运算放大器组成的加法器实际应用，学习模拟多路选择器的工作原理和使用方法，复习巩固示波器原理和使用的相关知识，提高独立设计电路和验证实验的能力，对数字电路与逻辑设计的认识更加深刻，对实验原理的理解更进一步，实践能力也进一步增强。在实验中深刻的明白了模拟电路实验在面包板上布线工整的重要性。良好的器件布局布线对于电路的检查调试起着关键作用。在本次实验中，所有的接地线都使用黑色，每级电路之间的走线为白色，电路内部连接为蓝色或绿色，接电源的5V线为红色。这使得在调试过程中能迅速找到电路中的问题，对于解决因为走线失误而出现的问题有着关键作用。并且在调试中采用分级调试的方法，在前一级电路功能达标实现后再调试下一级电路，这样能最大限度的提高调试效率，找到故