简易信号发生与检测电路设计报告

1、湖南涉外经济学院课程设计报告课程名称：电子技术课程设计报告题目：简易信号发生与检测电路设计学生姓名：所在学院：信息科学与工程学院专业班级：电信1102班学生学号：指导教师：2013年06月28日电子技术课程设计任务书报告题目简易信号发生与检测电路设计完成时间2013.6.17至2013.6.28学生姓名专业班级指导教师职称讲师总体设计要求和技术要点一、设计要求1.设计一个由集成运算放大器和晶体管放大器组成的简易信号发生器，要求能产生方波、三角波、正弦波。2. 用小规模数字集成电路设计一个计数器，要求能对简易信号发生器产生方波、三角波、正弦波进行计数。3.每小组应同时完成1、2两部分电路。设计的

2、信号发生器产生方波、三角波、正弦波能用示波器检测验证，设计的计数器对信号发生器产生方波、三角波、正弦波进行计数应与专用仪器检测数据一致。二、技术要点1. 信号发生器部分技术要点系统图如下：要求：(1)输出波形 正弦波、方波、三角波。(2)频率范围 频率范围1HZ10HZ,10HZ100HZ。(3)输出电压 方波的输出电压峰峰值为10V, 三角波峰峰值、正弦波峰峰值>1v.(4)波形特性 表征正弦波特性的参数是非线性失真r1,一般要求r1<3%：表征三角波特性的参数是非线性系数是 r2,一般要求r2<2%；表征方波的参数是上升时间一般要求小于100ns（1KHZ,最大输出时）。

3、2.计数器部分技术要点系统图如下：按学号从以下课题中选择一个课题。要求：（1）电路设计要简单，译码显示器不需要做出实物，只要理论设计。（2）必须按指定触发器设计，不能由其它触发器转换。（3）必须采用指定的元器件设计电路。（4）计数器与译码显示器之间必须用4个LED指示计数的二进制编码值。（5）理论设计中要将其扩展成4位十进制。（6）此部分系统图中时钟脉冲选用信号发生器产生的正弦波、方波或三角波，跳线连接。各种码制的编码表如下：材料清单及工具一、材料清单元件类型型号主要参数单组数量稳压管2CW21B2个电解电容470F3个100F1个独石电容10F1个0.05F1个0.1F11个电阻固定电阻10

4、K2个20K4个2 K2个1 K13个75 K1个100 1个6.8K2个电位器47 K2个100 K1个4.7 K1个集成块7412个74HC008个74HC732个74HC742个三极管90134个发光二极管5mm5个IC插座14脚11个香蕉插头4mm6个香蕉插座4mm6个焊锡丝若干其它电阻、电容、导线若干松香1个万能板17cm*22cm1块二、工具及检测仪器1.焊接工具1套。2.常用检测仪器1套。如万用表、示波器、信号发生器等。工作内容及时间进度安排一、预设计阶段(第17周星期一）: 包括教师授课、方案论证、设计计算和完成预设计（1天）。二、安装调试阶段（第17周星期一至第18周星期三）

5、: 包括组装电路、调试和检测,完成实际电路（7天）。三、总结报告阶段（第18周星期四至第18周星期五）: 包括总结设计工作,写出设计说明书和最后的考核（2天）。课程设计成果一、课程设计作品同时完成两部分电路设计与制作，实现其设计内容和功能，布局美观、布线工整，电路运行稳定、可靠。二、课程设计总结报告（1）严格遵守课程设计报告格式要求。做到内容完整正确、格式规范。（2）课程设计报告正文部分内容应包括：a.设计题目；b.主要指标和要求；c.方案选择及电路工作原理；d.单元电路设计计算,元器件的选择,画出电路图等；e. 安装、调试中遇到的问题,解决的方法以及实验效果等；f.电路性能指标测试结果,是否

6、满足要求及对成果的评价；g.收获、体会和改进设计的建议。出勤与纪律1.课程设计时间：上午8：0011：30，下午2：005：302.学生应严格遵守纪律，不迟到、不早退、不无故缺课。3.学生在课程设计期间，注意自身与他人安全，爱护实验室财产，违者按相关文件追查责任。4.课程设计报告独立完成，不得以任何形式抄袭他人资料或成果（包括但不限于同学的资料或网上资料）。一经发现该科目计0分。摘要方波与三角波发生器由集成运放电路构成，包括比较器与RC积分器组成。方波发生器的基本电路由带正反馈的比较器及RC组成的负反馈构成；三角波主要由积分电路产生。三角波转换为正弦波，则是通过差分电路实现。该电路振荡频率和幅

7、度便于调节，输出方波幅度大小由稳压管的稳压值决定，方波经积分得到三角波；而正弦波发生电路中两个电位器实现正弦波幅度与电路的对称性调节，实现较理想的正弦波输出波形。在数字系统中，常需要对时钟脉冲的个数进行计数，以实现测量，运算和控制等功能。具有计数功能的电路，称为计数器。而本次实验我们将用集成块74HC73、74HC00进行设计十进制同步加法计数器。关键词：函数信号发生器，方波，三角波，正弦波，十进制计数器目录一、概述1二、设计的作用、目的1三、性能指标1四、设计方案的选择及论证14.1. 方案一14.2. 方案二14.3. 方案比较与选择2五、函数发生器的具体方案25.1 总的原理框图及总方案

8、25.2各组成部分的工作原理35.2.1 方波发生电路35.2.2 三角波发生电路45.2.3 正弦波发生电路55.2.4 电路原理分析65.2.5 选频特性分析65.2.6 起振过程分析65.3 测试实物图65.3.1方波测试图65.3.2 三角波测试图75.3.3 正弦波测试图75.4 总电路图8六、同步十进制加法计数器96.1计数器部分技术要点96.2同步十进制计数器原理96.3脉冲反馈式96.4 特征方程106.5 十进制加法计数器状态转换图106.6 同步十进制加法计数器的逻辑图116.7集成块116.8总电路11七、故障及问题分析12八、实验结果分析13九、实验总结13十、心得体会

9、14十一、参考文献14一、概述电子技术课程设计的任务是让学生设计、组装并调试一个简单的电子电路装置。需要学生综合运用电子技术课程的知识，通过调查研究、查阅资料、方案论证与选定；设计和选取电路及元器件；组装和调试电路，测试指标及分析讨论，完成设计任务。 设计一个由集成运算放大器和晶体管放大器组成的简易信号发生器，要求能产生方波、三角波、正弦波。 用小规模数字集成电路设计一个计数器，要求能对简易信号发生器产生方波、三角波、正弦波进行计数。二、设计的作用、目的1. 掌握函数信号发生器工作原理。2. 熟悉集成运放的使用。3. 熟悉Multisim软件。三、性能指标1输出波形：正弦波、方波、三角波等；2

10、频率范围：10100Hz、1001kHz；3输出电压：方波Up-p=12V,三角波Up-p=6V,正弦波U>1V；四、设计方案的选择及论证函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。4.1. 方案一采用分立器件实现电路组成，主要的部件有双运放uA741运算放大器、

11、电压比较器、积分运算电路、差分放大电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案由三级单元电路组成的，第一级单元可以产生方波，第二级可以产生三角波，第三级可以产生正弦波，通过第二级的选择开关可以实现频率波段的转换，通过对差分放大电路部分元器件的调节来改善正弦波产生的波形。4.2. 方案二采用集成电路实现，主要部件有高速运算放大器LM318、单片函数发生器模块5G8038、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案通过调节不同电位器可调节函数发生器输出振荡频率大小、占空比、正弦波信号的失真，可产生精度较高的方波、三角波、正弦波，且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。4.3. 方案比较与选择方

12、案二采用芯片虽然精度较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，而它们只能产生300kHz以下的中低频正弦波、矩形波和三角波，且频率与占空比不能单独调节，从而给使用带来很大不便，也无法满足高频精密信号源的要求。uA741是美国仙童公司较为早期的产品,由于其性能完善,如差模电压范围和共模电压范围宽,增益高,不需外加补偿,功耗低,负载能力强,有输出保护等,因此具有较广泛的应用。uA741这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作，可以方便的输出精度较高的方波、三角波、正弦波，且可以通过调节差分放大电路的各个参数调节正弦波的失真。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作

13、为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，可将频率很低的三角波变换成正弦波。综上所述，本课题选用方案一。五、函数发生器的具体方案 5.1 总的原理框图及总方案多波形信号发生器方框图如图1所示。 图1 函数信号发生器原理图 本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。并采用先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。设计差分放大器时，传输特性曲线要对称、线性区要窄，输入的三角波的的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截

14、止区。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。5.2各组成部分的工作原理5.2.1 方波发生电路从一般原理来分析,可以在滞回比较器电路的基础上,靠正反馈和RC充放电回路组成矩形波发生电路,由于滞回比较器的输出只有两种可能的状态，高电平或低电平，两种不同的输出电平式RC电路进行充电和放电，于是电容上的电压降升高或降低，而电容的电压又作为滞回比较器的输入电压，控制其输出端状态发生跳变，从而使RC电路由充电过程变成放电过程或相反，如此循环往复，最后在滞回比较器的输出端即可得到一个高低电平变化周期性交替的方波信号。方波发生电路仿真电路模型如图2所示。图2 方波发生电路仿真模拟图3 方波发生

15、电路仿真模拟5.2.2 三角波发生电路在产生方波之后，利用此波形输入到一个积分电路便可输出一个三角波。由于三角波信号是电容的充放电过程形成的指数形式，所以线性度较差，为了能得到线性度较好的三角波，可以将运放和几个电阻，电容构成积分电路。三角波发生电路仿真电路模型如图4所示。图4三角波发生电路仿真模拟图5三角波发生电路仿真模拟5.2.3 正弦波发生电路利用差分放大器传输特曲线的非线性，将三角波信号转化成正弦波信号。其传输特性曲线越对称，线性区越窄越好，三角波的幅值pp应正好使晶体管接近饱和区和截止去。正弦波发生电路仿真电路模型如图6所示。图6正弦波发生电路仿真模拟图7正弦波发生电路仿真模拟5.2

16、.4 电路原理分析在电路中 ,运放741和电阻 R3 , Rw , R4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。5.2.5 选频特性分析 （1）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。5.2.6 起振过程分析根据起振条件| AF| >

17、 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。5.3 测试实物图5.3.1方波测试图图8 方波测试图5.3.2 三角波测试图图9 三角波测试图5.3.3 正弦波测试图图10 正弦波测试图5.4 总电路图图11 焊接电路实物图图12 仿真电路图六、同步十进制加法计数器6.1计数器部分技术要点系统图如下：图13 计数器过程6.2同步十进制计数器原理二进制计数器结构简单，但是读数不习惯，所以在有些场合采用十进制计数器较为方便。十进制计数器是在二进制计数器的基础上得出的，用四位二

18、进制数来代表十进制的每一位数，所以也称为二-十进制计数器。6.3脉冲反馈式通过反馈线和门电路来控制二进制计数器中各触发器的 RD 端，以消去多余状态（无效状态）构成任意进制计数器。表1 十进制加法计数器状态转换表CP顺序Q3Q2Q1Q0等效十进制数00000010001120010230011340100450101560110670111781000891001910000010从表1和图14、图15中可以看出，在Q3由1变为0之前，即从0000到1001为止，当第十个计数十进制加法计数器和 4位二进制加法计数器的计数顺序完全相同。脉冲CP到来后，要求计数器返回到0000。此时可以向4位二进

19、制加法计数器各触发器的RD端输入一个负脉冲，是各触发器置0，计数器回到0000状态，从而实现十进制加法计数。图14 十进制加法计数器的工作波形图6.4 特征方程由表1可以列出各触发器JK端的逻辑关系式(又称驱动方程) （2）代入各个JK触发器的状态方程 （3）将触发器的十六种取值组合代入各触发器的状态方程，得到如图15所示的状态转移图。6.5 十进制加法计数器状态转换图图15 十进制加法计数器状态转换图6.6 同步十进制加法计数器的逻辑图图16 同步十进制加法计数器6.7集成块 图17 74HC00引脚图 图18 74HC73引脚图 6.8总电路图19 十进制加法计数器实物图图20 十进制加法

20、计数器测试图图21 十进制加法计数器电路仿真图七、故障及问题分析对于方波-三角波产生电路，遇到的第一个问题是波形无法显示。检测后发现电路中电流几乎为零，原因是电阻过大，电容有些小，使得电路无法有效起振。因此在保证电路安全基础上减小电阻值同时保证电阻间的比值，换用较大的电容，在示波器上检查波形，得出方波波形，但是其占空比不为50%，调节发现不是电路连接问题，检查器件，发现是稳压管损坏造成，更换稳压管得到理想波形。然后观测三角波波形，发现有些失真，可知是由于电容造成的，更换变容，将其增大得到理想波形。在第三级上输出正弦波形，发现有较大失真，计算电流可知电阻较大，但是更换后仍有失真。此时电路中电阻器

21、件并未有不当，考虑电容影响。换用较大电容，不断调节，得到失真较小的波形。此些调节均在基本电路基础上完成。由于要使方波占空比可调添加电位器与二极管实现。八、实验结果分析 比较器与积分器组成正反馈闭环电路，方波、三角波同时输出。电位器Rp1与Rp2要事先调整到设定值，否则电路可能会不起振。只要接线正确，接通电源后便可输出方波、三角波。微调Rp1，使三角波的输出幅度满足设计要求，调节Rp2，则输出频率在对应波段内连续可变。 调整RP4及电阻R7，可以使传输特性曲线对称。调节Rp3使三角波的输出幅度经Rp3输出等于Uidm值，这时输出波形应接近正弦波，调节C6的大小可改善波形。 因为运放输出级由PNP

22、型与NPN型两种晶体管组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，导通时受输出电阻的影响，使方波输出值小于电源电压值，故方波输出电压Up-p2Vcc。方波的上升时间tr主要受运算放大器转换速率的限制。 实验中若波形幅值太小，可适当添加一个放大电路以达到课设要求。九、实验总结本课题根据设计中要实现的功能，经过自己认真地分析、实践，确立方案，书写文档，设计出电路，在设计过程中翻阅了大量资料，通过对所得的各种资料的综合分析，提炼出自己需要的信息，从而提高自己的分析能力；通过对主要技术指标的分析，认真体会了设计时的各项技术政策；通过对设计时出现的各种问题的分析与解决，锻炼了独立分析，进行工程设计的能力；通过对电路设计中的某些问题的较为深入的探索，培养了自己的科研工作能力；通过设计论文的书写，进一步锻炼了绘图技巧，文字表达能力和对工作的认真态度。 当然，在设计中遇到了一些实际困难，通过本人及同组同学多次查找参考资料，以及指导老师的悉心讲解，终于豁然开朗；通过这次设计不仅巩固了本专业的