2数显多波形信号源课设报告V10

1、南京航空航天大学现代电子技术课程设计June-20155南京航空航天大学代电子技术课程设计数显多波形信号源设计报告学号 姓名指导老师：2015 年 6 月 20 日摘要：本设计使用函数发生器( ICL8038 )， 3 数字 BCD计数器( MC14553B)，锁存、译码、驱动 BCD-7段集成电路( CD4543)，二进制计数、分频、振荡集成电路(CD4060)，驱动、十进制计数集成电路( CD4017BC)，数码显示管等电子器件，设计一款功能全面的信号 源, 满足日常维修和测量。数显频率计是具备锁存，复位清零功能的六位十进制计数显示电 路，通过计数器将输入脉冲信号转换为对等的四位BCD码，

2、再进入译码器将其转换为七位二进制数，最后经过驱动电路输入到七段式数字显示器显示十进制数。关键词： 信号发生器，数显频率计， ICL8038 ，计数器0 引言波形发生器是一种常见的信号源，可以产生多种波形信号，应用十分广泛。传统的信号 发生器采用模拟电子技术，由分立元件构成振荡和整形电路，产生各种波形，在电子信息、 通信，工业等领域发挥了很大的作用。但采用这种技术的波形发生器电路结构复杂、体积庞 大、稳定度和准确度较差。随着电子技术的发展和需求，开发一款新式波形发生器数显 多波形信号源，显得尤为重要。这款数显多波形信号源是用数显频率计和信号发生器的电路 组合而成，可获得三种常用的波形：正弦波、方

3、波、三角波。频率调节范围大，波形失真 小，制作简单，价格低廉。1 设计要求技术要求：(1) 方波、正弦波、三角波频率可调范围为1Hz-100kHz，分档输出为 1Hz-10Hz、10Hz-100Hz、100Hz-1kHz、1kHz-10kHz、10kHz-100kHz。(2) 数字显示三种波形的频率，频率分辨率为1Hz， 6 位数码管显示。(3) 波形失真小于 1%。2 基本原理该数显多波形信号源的设计框图下图所示，信号发生模块产生所需信号并输入到频率计 模块有它进行计数，而后输出进入显示模块进行显示。信号发生模块 频率计模块 显示模块2.1 信号发生模块信号发生模块的主要作用是产生所需要的波

4、形，如三角波、正弦波、方波。该模块是由 函数发生器集成电路芯片 ICL8038 和一些参数控制电路以及一些必要的电路组成。线路简 单，调试方便，功能完备输出波形稳定清晰，信号质量好，精度高，系统输出频率范围较宽 且经济实用，具备较高的温度稳定性和频率稳定性。其原理框图如下图。2.2 数显频率计模块 频率计模块的主要作用是对信号发生模块产生的信号进行计量。使用二进制技术、分 频、振荡集成电路 CD4060 来充当时基单元产生时基信号，使用驱动、十进制计数集成电路 CD4017 来充当控制单元部分，用来产生闸门控制取样和显示控制。在此设计中的计数单元、 主控门单元和延时单元则是由 3 数字 BCD

5、 计数器 MCI4553 来充当，它完成了频率计的多数组 成部分，因而它也是频率模块的重要组成部分。2.3 显示模块在显示模块中的主要作用是对频率计模块计量出来的BCD数值进行译码并通过数码管显示出来。在设计中使用锁存、译码、驱动BCD-7段集成电路（ CD4543）来充当译码部分，来将计数模块输出的 BCD码译成七段码并驱动数码管组成动态显示模式将数值直观的显示出 来。2.4 设计电路图左侧由晶振产生一个 32768kHz 的脉冲，经过 CD4060十四分频后变成 2Hz 的脉冲，再经 过 CD4017 后变成一个周期为 5s 的时序信号，用来控制 MC14553 计数 1s，保持 3.5s

6、，清零 0.5s。右侧由 ICL8038 产生一个频率分段可调的方波，三角波，正弦波的波形，经 MC14553 计 数以及 CD4543 译码，最终在数码管上显示频率。3 主要元器件说明3.1 二进制计数、分频、震荡集成电路（ CD4060）CD4060由一振荡器和 14 级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路， CR 为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。所有的计数器位均为主从触发器。在 CP1（和 CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数。在时钟脉冲线上使用斯密特触发器对时钟上 升和下降时间无限制。芯片引脚知识如下：1：十二分频输出2：十三分频输出10：信号反向输出3：

7、十四分频输出11：信号输入4：六分频输出12：复位信号输入5: 五分频输出13: 九分频输出6：七分频输出14：八分频输出7：四分频输出15：十分频输出8： Vss接地16: VDD 电源9： 信号正向输出芯片特性： 1、在 15v 的电源下有 12MHz 的时钟输出速率。2、公共复位端3、完全静态动作4、缓冲输入输出5、施密特触发脉冲输入端震荡特性： 1 由片内精密元件组成2、可接 RC或晶振的外部振荡电路3、在 15V 电源下 RC振荡电路可提供至少 690KHz 的频率。3.2 驱动、十进制计数集成电路（ CD4017）CD4017 是 5 位 Johnson 计数器，具有 10 个译码

8、输出端， CP、 CR、INH 输入端。 钟输INH入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。 为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。 CR 为高电平时，计数器 清零。Johnson 计数器，提供了快速操作、 2 输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通， 保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在 每 10 个时钟输入周期 CO 信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。芯片引脚知识如下：南京航空航天大学现代电子技术课程设计June-20151 脚：第 5 输出端2 脚：第 1 输出端3 脚：第 0 输

9、出端，电路清零时，该端为高电平4 脚：第 2 输出端5 脚：第 6 输出端6 脚：第 7 输出端7 脚：第 3 输出端8 脚：电源负极9 脚：第 8 输出端10 脚：第 4 输出端11 脚：第 9 输出端12脚：级联进位输出端，每输入 10 个时钟脉冲时，就可以得到一个计数器的时钟信 号13 脚：时钟输入端，脉冲输入端，脉冲下降沿有效14 脚：时钟输入端，脉冲上升沿有效15 脚：清零输入端，在该管脚加高电平或正脉冲时，CD4017计数器中，各计数单元输出低电平“ 0”，在译码器中，只有对应“ 0”状态的输出端 3 脚为高电平16 脚：电源正极，可以使用 3 18V直流电源供电3.3 信号发生器

10、( ICL8038 )ICL8038 是单片集成函数信号发生器，其内部框图如下图所示。它由恒流源 I1 和 I2 、 电压比较器 A 和 B 、触发器、缓冲器和三角波变正弦波电路等组成。外接电容 C 由两个恒流源充电和放电，振荡电容 C 由外部接入，它是由内部两个恒流源 来完成充电放电过程。恒流源 2 的工作状态是由恒流源 1 对电容器 C 连续充电，增加电容电 压，从而改变比较器的输入电平，比较器的状态改变，带动触发器翻转来连续控制的。当触 发器的状态使恒流源 2 处于关闭状态，电容电压达到比较器 1 输入电压规定值的 2/3 倍时， 比较器 1 状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开

11、关 K 由 B 点接到 A 点。由于恒 流源 2 的工作电流值为 2I ，是恒流源 1 的 2 倍，电容器处于放电状态，在单位时间内电容器 端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器 2 的输入电压规定值的 1/3 倍时，比较器 2 状 态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。芯片引脚知识如下：脚 1、 12：正弦波失真度调节脚 2 ：正弦波输出脚 3 ：三角波输出脚 4、 5：方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节脚 6 ：正电源脚 7 ：内部频率调节偏置电压脚 8 ：外部扫描频率电压输出脚 9 ：方波输出，为开路结构脚 10 ：外接振荡电容脚 11 ：负电源

12、脚 13、 14（NC）：空脚3.4 数字 BCD计数器（ MC14553）MC14553 内部有 3 组 BCD码计数器（计数最大值为 999），BCD 的输出端只有一组 Q0 Q3通过内部的多路转换开关能分时输出个、十、百位的BCD码，相应地，也输出 3 位位选通信号。例如：当 Q0Q3 输出个位的 BCD码时， DS1 端输出低电平；当 Q0Q3 输出十位的 BCD码时， DS2端输出低电平；当 Q0 Q3 输出百位的 BCD码时， DS3端输出低电平时，周而 复始、循环不止。 本实验通过两个 4553 芯片进行工作， 驱动两片 4543 进行工作， 电路原理图 如下芯片引脚知识如下：1

13、2 脚（ CLOCK）：计数脉冲输入端，下调沿有效。4 脚（ CIA）、 3 脚（ CIB）：内部振荡器的外界电容端子。13 脚（ MR）：计数器清零（只清计数器部分） ，高电平有效。10 脚（ LE）：锁定允许。当该端为低电平时，3 组计数器的内容分别进入 3 组锁存器，当该端为高电平时，锁存器锁定，计数器的值不能进入。11 脚（ DIS）：该端接地时，计数脉冲才能进行计数。2 脚（ DS1）、 1 脚（ DS2）、 15 脚（ DS3）：位选通扫描信号的输出，这 3 端能循环地输出 低电平，供显示器作为位通控制。9 脚（Q0）、7 脚（ Q1）、 6 脚（ Q2）、5 脚（Q3）：BCD码

14、输出端，它能分时轮流输出 3 组锁存器的 BCD 码。8 脚（ Vss）：接地。16 脚（V）:接电源。3.5 BCD码转七段译码器 / 驱动器（ CD4543）CD4543 在设计中充当译码部分，来将计数模块输出的BCD码译成七段码并将驱动数码管组成动态模式将数值直观的显示出来。芯片引脚知识如下：CD4543为 BCD码转 7 段码的译码器。2、3、4、 5 脚为 BCD码的输入端9-15 脚为输出的数码管信号8 脚 Vss 接地16 脚 Vdd 接电源3.6 数码管显示部分（ d5631 ）从 MC14553 输出的信号到 CD4543 ，经 CD4543 译码后的信号由 CD4543 的

15、输出端直接接 至 DPY 数码管， cd4543 输出的信号直接接至数码管，由于数码器输出的电流较大，大于数码 管所能承受最大电流，所以要在译码器和数码管之间接入电阻，以保护数码管不被烧坏。用 三个三极管由低位到高位依次驱动六片数码管依次显示从而完成数码管的显示工作。其中数 码管的基本原理图如下。4 数据测量4.1 三角波，正弦波，方波，高频失真方波波形展示三角波波形正弦波波形方波的波形高频时方波出现的失真状况4.2 对信号发生模块的检测 信号发生器能够发出方波、三角波、正弦波。 调节滑动变阻器，使波形占空比在 50%附近，得到数据：波形方波三角波正弦波占空比49.7%49.0%50.0%占空

16、比符合要求，在 50%左右，波形失真度也在误差允许范围内。各个频率段的频率调节都能够达到要求，各个频段上下限如下表：波形要求调节范围（Hz）测得调节范围（Hz）直流电平（ V）峰峰值（ V）方波1-101-123.615.9210-1009-1043.618.40100-1K82-1.05k3.888.001K-10K376-10.4k3.637.8810K-100K4.5k-112.3k3.347.60三角波1-101-92.734.2110-1009-1042.804.12100-1K57-1.6k2.734.201K-10K304-10.8k2.814.4210K-100K4.4k-12

17、1.3k2.824.80正弦波1-101-102.134.2210-1009-1032.624.34100-1K57-1.6k2.734.201K-10K108.4-12.6k2.864.2110K-100K4.7k-112.3k3.004.454.3 对频率计的检测用频率计检测 CD4060的各脚的频率，频率计显示如下表：4060 引脚Q12Q13Q14Q6Q5Q7频率（ Hz）84251210242574060 引脚Q4CP0Q9Q8Q10频率（ Hz）2048327686512932可见，频率计的误差控制在 1 Hz 内，满足设计要求。（1） 用信号发生器代替信号发生模块，用频率计检测其发生频率，得到数据：信号发生器频率（ Hz）频率计测得频率（ Hz）精确度5.0005100.0%50.0050100.00%50050399.40%5000499999.98%500004999199