音频函数发生器设计

1、- -音频函数发生器设计鹿群娟学号：200401594长江大学电子信息学院摘要:本系统可心产生2020KHz的音频信号，利用ICL8038作为信号发生器，以分立数字器件为主要器件搭建的计数器式频率测量平台。系统可独立输出三种波形：方波、三角波、正弦波，信号幅值为范围020VP-P；具有输出过载保护功能，当IO 400 mA (P-P)时，输出自动限流停顿输出；右4位数字显示输出信号频率，具有量程自动转换，小数点自动定位，单位指示灯自动显示功能。关键字：音频信号，信号发生器，频率测量一 方案设计：1、 整体设计图3 ICL8038的引脚图整体电路大体上可分为三个局部： 音频信号的产生 频率的测量

2、 功率的放音频信号产生电路频率测量电路功率放大及限流输出电路选择一路图1 整体设计电路框图大。可用图1来说明2、 信号发生局部的设计此局部由集成芯片ICL8038来完成。ICL8038是集成模拟信号发生器，可产生0.001Hz300kHz的正弦、方波、三角波信号，并且可以通过调节4和5脚的电阻来改变产生信号的占空比。既可过改变RC时间常数来实现，也可发通过压控方式来实现。由ICL8038构成的信号发生器外围电路简单，调节简单，且波形好。3、 频率测量局部的设计图4 改变RC时间常数改变频率用数字测量法测量一定时间内的脉冲数。测量1s内的脉冲数，即为频率。假设用4位显示，那么最大可显示9999H

3、z，误差为 。假设做相应更改，如加上自动量程转换那么可测量更高的频率。这种方法测量思路简单，准确度也较高。二 设计根本原理：1、 信号发生局部的设计图5 用压控频率的电路原理图ICL8038的引脚图如图3示。其中，1和12脚用来调节正弦波的形状；2为正弦波输出；3为方波输出；4和5接电阻用来调节点空比及与10脚接的电容来调节频率；6脚接正电源；7为波形基准输出电压，接8脚时输出为固定频率；8脚为压控输入端，输入的电压可控制输出的频率；9为方波输出；11脚接负电源或接地。用ICL8038构成的信号发生器，可输出VP-P=V+V-的方波信号和VP-P=(V+V-)/2的正弦波和三角波信号。图6 信

4、号输出放大使用ICL8038来构成信号发生器，可以用改变RC时间常数的方法，也可以用压控的方法。用改变RC时间常数的方法的电路原理图如图4所示。当RA=RB时，占空比为1:1，频率。假设分三个频段控制:20Hz 200Hz、 200Hz 2KHz、2KHz 20KHz，那么右选用三个不同阻值的固定电容来选择频段，RA和RB可选用变阻器来在每个频段连续调节频率。但这样存在一个问题：要使占空比为1:1，那么要使RA和RB的变化量一样，这不容易实现。使用压控方式的原理图如图5所示。其中15M的变阻器是用来调整波形质量的，1K的变阻器用来微调由于两个4.7K的电阻阻值不同造成的占空比不同，10K的变阻

5、器用来调节8脚的电压从而控制输出频率，0.1uF的电容用来消除外界干扰对频率造成的不稳定。这样构成的电路只需调整一个变阻器，就可以改变输出频率，没有改变RC时间常数的不便。为了使频率调节更方便，也可以分多个频段，通过改变10脚的电容来选择频段。由于要求输出信号幅值范围： VP-P=020V，而此电路输出的三角波和正弦波最大幅值为10V，故还需要对其幅度进展放大。考虑到方波放XX论值即使超过放大器电压也不会造成失真，故放大电路放到输出线路，即三选一输出的总线上。这样便完成了信号发生局部的设计。将ICL8038的2,3,9脚分别接入图6中的1,2,3即可，信号从VO输出，然后卷入功率放大电路最终输

6、出即可。2、 频率测量电路的设计时基信号被测信号门控制电路计数电路译码显示电路图7 频率计电路原理框图频率测量采用的是数字法测量。这种方法是对单位时间内的脉冲计数得到的。大致原理可用图7所示框图来表示图8 由555构成的多谐振荡器图9 由555构成的时基信号发生器时基信号假设采用1S，时计数器所得结果即为被测信号的频率。时基信号可使用555构成的多谐振荡器来完成。其电路如图8所示。假设使tpH=1S ，tpL=0.2S ，那么应有0.7R1C1=0.2S ， 0.7R2C1=1S ，取C1=10uF ，那么可得R1=107K ，R2=35.7K。R1取68K电阻和47K滑动变阻器串联，R2取3

7、6K，其电路原理图如图9所示，3脚为时间控制信号输出。理论上，这局部产生的1S信号的误差小于0.1% 。另外，时期信号也可以用晶振产生。假设使用32768那么经过分频后，可得到准确的1S的时基信号。电路如图10所示，D触发器的5脚输出即为1S的时基信号。由于晶振产生的信号中上下电平时间是相等的，也就是说时基信号为1S时，测量周期为2S，测量速度慢；而用上面555的设计方法，测量周期为1.2S，较用晶振明显加快，故在设计中选用的是由555构成的时基产生电路。门控制电路采用一个二输入与门即可实现，比较简单。计数电路用4位10进制计数器来做，最高可测量9999Hz的频率。译码显示电路用BCD译码器7

8、4LS48和7段数码显示管来做，可以简单地实现高位动态灭零的功能。设计的难点在于，在计数期间，显示的结果是不能随计数过程中计数器的状态变化。为实现这一点，有必要在计数器与译码器之间参加锁存器。在时基信号完毕后的0.2S内依次进展以下操作： 对计数器的数据进展锁存， 对计数器清零以备下一周期的测量。在这里要求对锁存器的锁存提前于对计数器的清零，假设锁存器使用8D型锁存器74LS273，那么对各信号有如图11的要求图11 锁存器与计数器清零信号的时序关系图中在锁存时序的下降沿，触发清零时序。要得到图示的时序关系，那么可采用单稳态触发器74LS123产生。它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。在如图1

9、2所示的图中，其图12 由74LS123构成的单稳电路tW=0.45RC。由于74LS123为可重触发的，故两个tW之和要小于时基信号的低电平时间。取tW0.02S，假设取R=100k，那么C=4.4uF。取电容标称4.7uF。另外，被测信号的幅值不同，可能不是数字电路可以承受的范围，故在被测信号与门控制电路间还要有整形电路。至此，可得到测量完整框图如图13所示。逻辑控制电路译码显示电路锁存器计数器闸门电路时基电路整形电路图13 频率测量的原理框图由此可设计出其原理图如图14所示图14 频率测量的原理图但是，这个电路只能测量最大频率9999Hz，而信号发生器产生的频率范围为20Hz20kHz。

10、这就要扩展频率计测量频率的范围。可参加一些控制电路，使基具有量程转换功能。原理上可使用一个10分频电路和一个测量选择电路，当频率超过9999kHz时，那么先对被信号进展分频，再卷入上面的频率计；当频率再降低时，那么返回原量程。这里可用数据选择器对选通信号进展选择，用最高位的进位信号来判断是否超过量程，从而控制量程是否需要转换。参加量程转换后的电路原理图可用图15来说明。图15 扩展的频率测量的原理图当频率计的千位计数满，产生进位量，千位的Q3产生一个负跳变，加到计数器74LS92的计数输入端，使其Q1产生一个正跳变，使触发器1U15:A输出1，在下一个时基信号的有效期，触发器1的状态又在清零信

11、号的作用下重置为0，从而产生了一个负跳变使计数器U16加1，同时触发器2U15:B也在触发器1的反相输出端的作用下输出为1。此时，计数器U16的清零仅由千位译码器的RBO决定，当千位无计数时，那么RBO输出为0，通过一反相器，对计数器U16清零，从而降低了量程。这样便实现了量程的自动转换。整形电路可由晶体管和与非门组成。其中晶体管用来放大信号，与非门构成施密特触发器，对波形进展整形，使之成为标准的矩形脉冲。整形电路如图16所示。图16 波形整形电路至此，频率测量局部已设计完毕。3、 功率放大及限流电路的设计功率放大可使用双源甲乙类互补放大，可使输出效率提高，并且输出的幅度也提高。互补对管采用功

12、率管TIP41和TIP42，其最大输出电流可达3A。要求输出大于400mA时对其限流，其限流电路用图中的Q1和Q6及采样电阻R3和R5来完成。当电流增大时，R上的电压升高，升高到0.7V左右时，使Q1和Q6导通限制了输出。图17 功率放大及限流电路功率放大限流的原理图如图17所示。4、 整体电路评论在电路的三个局部中，信号发生局部和功率放大局部为模拟电路，频率测量局部为数字电路。一般说来，在模拟与数字电路的相接处要予以注意，因为两局部的电压一般来说是不同的，要存在电压转换的问题。如这里测量频率的局部，参加波形整形电路就是为了匹配两局部的电压。三 设备及元件选择1、 实验所用元器件由上述原理分析

13、可知，各局部所需元件如下：1 信号发生局部的元件如下表序号名称型号数量备注1集成信号发生芯片ICL803812R4.7k23R20k14R15k15RP10k16RP100k17C47218C10412 频率测量局部的元件如下表序号名称型号数量备注1与非门74LS001做整形电路2二极管13R10R14R1k15R10k26R39k27R68k18RP47k29C0.1u110C4u7111C10u112C100u113二极管114计数器74LS90515计数器74LS192216可重触发单稳触发器74LS123117BCD显示译码器74LS48418D型锁存器74LS273219555555

14、120与门74LS08121D触发器74LS741222-4线译码器74LS139123数据选择器74LS153124非门74LS04125数码显示管426发光二极管RED1做单位指示27发光二极管GREEN1做单位指示3 功率放大及限流局部元件如下表序号名称型号数量备注1NPN三极管901332PNP三极管901413功率管NPNTIP4114功率管PNPTIP4215R1k26R10k27R2.2R28RP10k12、 调试过程中所需设备序号名称型号数量备注1示波器INSTEK GOS-62012直流电源13万用表UT58A14信号发生器1调试频率计时使用5电脑1仿真使用四 装配与调试1、 电路的装配电路的布局对连线有很大的影响，好的布局可以使连线方便，走线美观。装配时也可分三个局部来完成，各个局部用简单的几条线就可以关联起来。这样只需将每个局部调试出来之后，联调就会比较快了。2、 电路的调试1 信号发生局部：ICL8038看起来使用挺简单，但是如果调节不好，波形质量很差，尤其是正弦波的失真会非常明显。按照上面的原理图接出来的电路很难调整，还需在1脚参加调节电阻，才会得到比较好的疲形效果。2 频率测量局部：由于仿真过程中已排除原