电子技术课程设计-低频正弦信号发生器1.doc

长 安 大 学电子技术课程设计课题名称 低频正弦信号发生器班 级 姓 名 指导教师 日 期 2011年1月6日前 言正弦交流信号是一种应用极为广泛的信号，它通常作为标准信号，用于电子电路的性能试验或参数测量。另外，在许多测试仪中也需要用标准的正弦信号检测一些物理量，正弦信号用作标准信号时，要求正弦信号必须有较高的精度，稳定度及低的失真率。本次电子课程设计的低频正弦信号发生器的要求为：信号的频率范围为20hz20khz;输出电压幅度为5v；输出信号频率数字显示；输出电压幅度显示。针对以上设计要求，我们从图书馆收集，借阅了大量相关书籍，从网上下载了诸多相关资料，其次安装并学习使用了电路设计中所常使用的multisim仿真软件。在设计的要求下，画出了整体电路的框图，将其分为正弦信号发生器，输出电压和幅度数字显示，输出信号频率和其数字显示三大部分。其次我们对每个单元电路进行设计分析，对其工作原理进行介绍，通过对电路分析,确定了元器件的参数,并利用multisim 软件仿真电路的理想输出结果,克服了设计低频信号发生器电路方面存在的技术难题,使得设计的低频信号发生器结构简单,实现方便。完成电路的设计与分析后，对资料与设计电路进行整理，排版，完成课程设计报告。目 录摘要4关键字4设计要求4第一章 系统概述4第二章 单元电路设计与分析5 第一节 正弦信号产生和放大电路模块设计5 第二节 数字的频率显示9 第三节 数字电压表设计15 第三章 系统综述22 第四章 结束语24参考文献24鸣谢.24元器件明细表25收获与体会，存在的问题25评语26低频正弦信号发生器摘要 本设计的正弦信号发生电路时采用一片max038函数发生器芯片，该芯片可通过控制管脚的输入参数来控制芯片输出三角波，正弦波，矩形波等波形，本文用于输出正弦波工作状态，正弦波产生后通过运放opa604组成的放大电路对信号进行放大，从而满足设计要求；电压的数字显示主要由555定时器构成的放大整形电路，时基电路和控制电路构成，最终由十六进制加法器74ls160，锁存器74ls373，译码器74ls48使数码管显示电压；频率数字显示主要由芯片mc14433,mc1413,mc4511和mc1403构成。关键字 正弦信号，放大电路，电压显示，频率显示设计要求1、 信号频率范围20hz20khz;2、 输出信号电压幅度5v；3、 输出信号频率数字显示；4、 输出电压幅度数字显示。第一章 系统概述根据任务书的要求，系统可分为三大部分，即正弦信号的产生；输出频率的范围和其显示；输出电压的幅度和显示，我们采用rc选频率网络构成的振荡电路产生正弦信号，信号产生后再通过同相比例运算放大器来满足输出电压的幅度要求，然后通过555定时器组成的施密特触发器，单稳态 电路，多谐振荡电路对其放大整形和控制，最终通过十六进制加法器74ls160，锁存器74ls373，译码器74ls48使数码管显示电压，由于本学期刚学过555定时器，74ls160,74l48等芯片，设计过程中易于理解和操作，其次是电压的显示，我们采用集成电路mc14433,mc1413,mc4511和mc1403设计成数字电压表，实现对电压的显示。其中mc14433的作用是将输入的模拟信号转换成数字信号，mc1403为mc14433提供精密电压，供mc14433a/d转换器作参考电压，mc4511的功能是将二-十进制转换成七段信号，mc1413的作用为驱动显示器的 a,b,c,d,e,f,g七个发光段，驱动数码管进行显示，数码管只将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出a/d转换结果，该模块集成度高，外围电路简单，便于实现。以下为电路的系统框图： 图1电路系统框图第二章 单元电路设计与分析 第一节：正弦信号产生和放大电路模块设计1. 正弦波发生器正弦波发生器是本设计的核心部分，以下介绍四种方案：方案一：采用传统的直接频率合成法直接合成。利用混频器，倍频器，分频器和带通滤波器完成对频率的算术运算。但由于采用大量的倍频，分频，混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。方案二：采用锁相环间接频率合成（pll）。虽然具有工作频率高，宽带，频谱质量好的优点，但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。另外，由模拟方法合成的正弦波的参数（如幅度，频率和相位等）都很难控制，而且要实现大范围的频率变化相当困难，不易实现。方案三：用函数产生芯片直接产生所需信号。采用max038函数产生芯片，通过设置管脚参数的输入，可设计组成产生幅频精度很高且易于调整的波形信号，该波失真度很小，而且可实现的频率范围很大，在电路参数要求苛刻的工作场所能够得到较好的应用，用该芯片设计组成的信号产生电路集成度高，而且简单，容易控制。方案四：采用rc选频率网络构成的振荡电路产生所需正弦波。rc振荡电路适用于低频振荡，结构简单,经济方便，一般用于产生1hz1mhz的低频信号。由以上分析可知，方案一和方案二不易实现，方案三虽然可行，但max038已经停产，所以我们选择第四种方案中的rc选频率网络构成的振荡电路来实现所需正弦波。2.rc桥式振荡电路及工作原理图2.1.1为rc串并联正弦波振荡电路，其放大电路为同相比例运算放大器，反馈网络和选频网络由rc串并联网络组成。 图2.1.1 rc串并联正弦波振荡电路由rc串并联网络的选频特性可知，在w = w 0 = 1/rc或f = f0 = 时，rc选频网络的相角为0，而同相比例运算放大电路的相位差为0，从而满足振荡的相位条件。由于rc串并联网络的选频特性，使信号通过闭合环路af后，仅有f = f0 =的信号才满足相位条件，因此该电路振荡频率为f0 ，从而保证了电路输出为单一频率的正弦波。为了使电路能振荡，还应该满足起振条件，即要求af1。由于w = w 0 时，f=1/3，则要求a =1 +rfr3. 3 ，即rf2r1，输出波形就接近正弦波。 振荡电路起振后，如一只维持a 3 ,则因振幅的增长，致使放大器件工作到非线性区域，波形将会产生严重非线性失真。为此必须设法是输入电压的幅值在最增大的同时，让af的绝对值适当减小，以维持输出电压的幅值基本不变。 图2.1.2 具有二极管稳幅环节的rc串并联正弦波振荡电路通常可以在放大电路中采用非线性原件来自动调节反馈的强弱以维持输出电压恒定。我们可以利用二极管的非线性特性来实现。如图2.1.2所示的电路，图中的两个二极管d1，d2便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻r4两端的电压低，二极管d1、d2截止，负反馈系数由r3、及r4决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管d1、d2在正负半周轮流工作，其动态电阻与r4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。3.放大电路的设计由于设计要求的电压幅度为5v，上述图2.1.2所示信号产生电路不能满足要求，因此必须对产生的信号进行二级放大，本设计的放大电路主要由同相比例器来担任 。图2.1.3同相比例器同相比例运算放大器的放大倍数au = 1+ rf /r1 。4正弦信号发生总电路把上述各分电路集中在一块电路板上,共用电源和接地后,整个信号发生器的结构变得紧凑美观，集成电路图如图2.1.4 所示。图2.1.4 正弦信号发生总电路调整电阻r6 和 r5（即改变了反馈rf），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大rf ，如波形失真严重，则应适当减少 = r5+ r4+ ( r6 / rd ) 。改变选频网络的参数c 或r，即可调节振荡频率。一般采用改变电容c 作频率量程切换（粗调），而调节r作量程内的频率细调。本设计要求输出地正弦波的频率为20hz20khz,因此由式f = 取值应满足以下关系：当f0=20hz时， rc0.08 ;当f0=20khz时，rc;因此当r=200k时，c的变化范围约为40pf0.04uf 。调节滑动变阻器r6可以改变放大倍数，可帮助电路起振，调节滑动变阻器r9可进一步改变输出波形幅度，可以实现幅值从15v之间的调节变化。通过multisim软件调试后可得仿真的结果如下图2.1.5所示。图中信号幅值较小的为初级放大后的输出信号，另一个为二级放大后的输出信号。图2.1.5放大电路仿真结果图第二节：频率的数字显示频率的数字显示电路设计中要求输出的频率能够进行数字显示，本电路中频率显示电路利用555定时器构成控制电路，实际电路和延时电路，控制计数器对输入信号进行计数，延时和清零，将计数结果用锁存器锁存输出到数码管驱动器驱动数码管静态数位显示。一 总体框架图如下整波电路正弦信号计数器锁存器译码器数码管 延时电路控制电路时基电路 图6频率显示计总体框架图二 基本原理 为了提高输出信号的频率的精确度和稳定度本装置设置了频率检测电路，该电路先使检测信号通过由555构成的施密特触发器将正弦信号转化成同频率的脉冲信号。应用multisim仿真如图3将被测信号直接加到主控门的输入端，时基信号经控制电路产生闸门信号至主控门，只有在闸门信号采样期间（时基信号的一个周期），输入信号才能通过主控门。对于频率为f的周期信号，用一个标准闸门信号（闸门宽度为tg）对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为n时 f=n/tg。改变时基信号的周期范围tg时，即可得到不同的测频范围第一档：最小量程档，最大读数是999.9hz，闸门信号的采样时间为10s。第二档：最大读数是9.999khz，闸门信号的采样时间 为1s。第三档：最大读数是99.99khz,闸门信号的采样时间为 0.1s。 当主控门关闭时，计数器停止工作，显示器显示记录结果，此时控制电路输出一个置零信号，为后续新的取样做好准备，即能锁住一次显示时间，使保留到接受新的一次取样为止。三 总体设计与原理3.1 整波电路 具体电路图7，并进行仿真，得到输入波形与输出波形如图8图7整波电路 图8 整波电路仿真图 3.2时基电路 频率显示计的时基电路是采用555构成的多些振荡器，控制计数器的输入脉冲。多谐振荡器不需要外加输入信号，只需要接通电源，就能自动产生矩形脉冲信号，矩形脉冲信号的频率是由电路参数r，c决定的，当拨码开关波导c5档时，频率计为第二档位，产生的方波高电平时间长度为t1为1s，低电平时间长度t2为为0.25s，其电路图如图9。当标准时间信号（1s正脉冲）到来时，闸门开通，被测信号通过闸门进入计数器；当标准脉冲结束时，闸门关闭，计数器无脉冲输入。计数器的cp脉冲信号是由待测信号和闸门信号的与门来实现的。 图9 时基电路其中t1=0.7(r5+r6)c3=1.022s t2=0.7r6c3=0.25s 同理，当拨码开关拨到c7时，闸门信号为10s，频率计为第一档位。拨码开关拨到c8时，闸门信号为0.1s，频率计为第三档位。 3.3 控制电路3.3.1 锁存信号和清零信号的产生 频率显示器的控制电路是由555构成的单稳态电路。单稳态触发器的特点是：它有一个稳态和一个暂稳态，在外加脉冲作用下，电路从稳态发转到暂稳态，依靠r，c定是电路的充，放电过程来维持暂稳态时间，然后自动返回稳态。其电路图如图10所示控制电路利用标准时间信号结束后产生的负跳变来产生锁存信号，同时锁存信号经过反相器又产生清零信号。将时基电路的的输出信号与控制电路的输出信号在multisim10中进行仿真，得到如图4。图10 控制电路 图11时基电路与控制电路输出信号3.3.2延时信号的产生 图 12 延时电路图延时电路由d触发器cc4013，积分电路（有电位器rw和电容c6组成），非门u15以及单稳态组成，如图12所示，由于cc4013的d端接vdd，因此，在清零信号所产生的上升沿的作用下，cc4013翻转，翻转后q非=1，由于开机置零，则q非=1，经过二极管迅速给电容c6充电，是c6两端的电压达到“1”，而此时q非=0，电容器c6经过电位器rw缓慢放电。当电容器c6上的电压放电至与非门u15的阀值电平vt时，与非门的输出端立即产生一个上升沿，触发下一级单稳态电路。此时，电路输出一个正脉冲，该脉冲宽度主要取决于时间常数c7rt的值，延时时间为上一级电路的延时时间及这一级延时之和。 如果电位器rw用510电阻代替，c6取3uf，则总的延时时间也就是显示时间为3s左右，如果电位器rw用2m电阻代替，c6取3uf，显示时间可达到10s，可见调节电位器可改变显示时间。3.4锁存器的使用锁存器的作用是将计数器在1s结束时的计数值进行锁存，使显示器获得稳定的测量值。当时钟脉冲cp的正跳变到来时，锁存器的输出端等于输入，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端，正脉冲结束后，输出不再改变。我们采用74ls373，其管脚图如图13 d1-d8是数据输入端q1-q8是输出端oc 是三态允许控制端，低电平有效eng 锁存允许端 当oc为低电平时q1-q8为正常逻辑状态，可用来 驱动负载或总线。当oc为高电平时，q1-q8为高阻态即 不驱动负载。 当eng=1时q随d改变而改变。当eng=0时，q被锁存在已建立的数据电平。对于我们设计的电路eng端是由控制电路的输出信号决定的。图13 74ls373管脚图3.5 计数器及数码管的显示 由于频率显示的范围是20hz-20khz，则计数器能计数的最大数不小于20000 ，将4片同步十进制计数器74ls160进行级联 即可实现对10000个脉冲数以下的脉冲计数，通过控制小数点位置的移动，可使最大读数达到99.99khz。4片计数器的清零端是由控制电路产生的，cp脉冲端是由待测信号经整波后产生的矩形波提供的。其级联电路图如图14。从右到左依次是十进制的个位，十位，百位，千位。小数点的位置根据量程的改变而自由移动。 将计数器的输出值通过锁存器输送到共阳极译码管驱动芯片74ls47，驱动数码管显示。通过延时电路可改变数码管显示频率的长短，便于读数。 图14 计数器级联第三节：数字电压表设计方案一：以a/d转换器mc14433为核心器件，它有多路调制bcd码输出端和超量程，采用动态扫描显示，便于实现自动控制。它连接着输入放大器、基准电源、计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。其中，a/d转换器将输入的模拟量转换成数字量，逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将a/d转换器中各组模拟开关接通或断开，保证a/d转换正常进行。a/d转换结果通过计数译码电路变换成笔段码，最后驱动显示器显示相应的数值。方案二：采用单片机89c51作为系统的控制核心,以a/d转换器adc0809作为主要部件，原理是模数（a/d）转换芯片的基准电压端，北侧电压输出端分别输入基准电压和被测电压。模数（a/d）转换芯片将被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法来计算出被测量电压的值，最后单片机系统将计算好了的被测电压按一定的是与送入显示电路模块加以显示。对比两种方法，第二种方案优点是的单片机技术成熟、运算功能较强、编程灵活、设计成本也较低，能较准确地测量输入电压。但在单片机系统中必须使用许多分立元件组成其外围电路，整个系统显得十分复杂，可靠性较低，抗干扰能力差，而且功耗高。况且对于我们还未接触单片机的大学生来说，此种方案无疑是非常困难的，而且第二种方案中还要用到编程，对于刚学完汇编语言的我们来说，也是非常困难的。第一种方案都是运用我们所学过的知识，所以我们选用第一种方案。图15频率倍数控制电路 图16数字电压表电路图备注： 1. 单刀双掷开关的电压输入端uo接信号发生器的电压输出端，电压输出端ui接数字电压表的输入电压端，即引脚3.2. 单刀双掷开关接的电阻，当s接到左边的开关时，则将信号发生器输出的电压缩小了10倍，当数码管上显示电压时，对于读出的数字应该乘以10,，此时的结果才是真正的电压值；而当开关s打到右边时，则将信号发生器输出的电压缩小了5倍，当数码管上显示电压时，对于读出的数字应该乘以5，此时的结果才是真正的电压值。各部分的功能如下：1. 3位半a/d转换器（mc14433）：将输入的模拟信号转换成数字信号。2. 基准电源（mc1403）：提供精密电压，供a/d转换器作参考电压。3. 译码器（mc4511）：将二十进制(bcd)码转换成七段信号。4. 驱动器（mc1413）：于东显示器的a, b, c, d, e, f, g七个发光段，驱动发光数码管(led)进行显示。5. 显示器：将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出a/d转换的结果。6. 一个单刀双掷开关和三个定值电阻起到了对输入电压的缩小作用。工作过程如下： 3位半数字电压表通过位选信号ds1ds4进行动态扫描显示，由于mc14433电路的a/d转换结果是才有bcd码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果字方式实现四位数字的led发光数码管动态扫描显示。ds1ds4输出多路调制选通脉冲信号。ds选通脉冲为高电平时表示对应的数位被选通，此时该位数据在q0q3端输出。 每个ds选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。ds和eoc的时序关系是在eoc脉冲结束后，紧接着是 ds1输出正脉冲。以下依次为 ds2，ds3和 ds4。其中 ds1对应最高位(msd)，ds4 则对应最低位(lsd)。在对应ds2，ds3 和 ds4 选通期间，q0q3 输出 bcd 全位数据，即以 8421 码方式输出对应的数字09在 ds1选通期间，q0q3输出千位的半位数 0 或 1及过量程、欠量程和极性标志信号。 在位选信号 ds1选通期间 q0q3的输出内容如下：（1）q3表示千位数，q3=0 代表千位数的数宇显示为 1，q3=1 代表千位数的数字显示为 0。 （2）q2表示被测电压的极性，q2的电平为 1，表示极性为正，即 ux0，q2的电平为 0，表示极性为负，即 ux1999，则溢出。 | ux| ur则 or 输出低电平。（4）当 or = 1 时，表示| ux|vref时，or 输出低电平，正常量程 or 为高电平。(16)(19)端：对应为 ds4ds1，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端，当 ds 端输出高电平时，表示此刻 q。q3输出的 bcd 代码是该对应位上的数据。(20)（23）端：对应为 q0一 q3，分别是 ad 转换结果数据输出 bcd 代码的最低位(lsb)、次低位、次高位和最高位输出端。(24) 端：vdd，整个电路的正电源端。七段锁存-译码-驱动器 mc4511 mc4511 是专用于将二-十进制代码(bcd)转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由4 位锁存器，7 段译码电路和驱动器三布分组成。(1)四位锁存器(latch)：它的功能是将输入的 a，b，c 和 d 代码寄存起来，该电路有锁存功能，在锁存允许端（le 端，即 latchenable）控制下起锁存数据的作用。(2)七段译码电路：将来自四位锁存器输出的 bcd 代码译成七段显示码输出 。(3)驱动器：利用内部设置的 npn 管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达 20ma。图19 mc1413管脚图七路达林顿驱动器阵列 mcl413mcl413 采用 npn 达林顿复合晶体管的结构，因此具有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受 mos 或 cmos 集成电路的输出信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载该电路内含有 7 个集电极开路反相器(也称 oc 门)。mcl413 引脚如图 采用 16 引脚的双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的续流二极管。高精度低漂移能隙基准电源 mcl403 mcl403 的输出电压的温度系数为零，即输出电压与温度无关该电路的特点是：温度系数小；噪声小；输入电压范围大，稳定性能好，当输入电压从+45v变化到+15v 时，输出电压值变化量小于 3mv；输出电压值准确度较高，y。值在 2475v2.525v 以内；压差小，适用于低压电源；负载能力小，该电源最大输出电流为 10ma。第三章 系统综述本此电路图我们采用画单图的形式，其中，信号产生，放大与电压显示已在前面的单元电路设计中给出，以下为数字频率计的电路总图。结束语此电路基本可以完成任务要求的各个功能，具有电压频率数字显示，电压幅度可调的功能。能够产生比较稳定、失真度较小的低频正弦信号，频率和幅值都能较好的满足题目的要求。并且能够较准确的测出输出波形的频率以及幅值。尽管如此，此电路也存在许多问题。存在的具体问题有：频率调节，由于rc振荡的选频回路的要求，两个r和两个c必须相同，这个调节带来了不便。频率选择的档位不是很方便，不能很容易的选择频率；多级比例运算放大器的电压调节不是很方便，如果要求负电压，还得单独调节旋钮；没有设计隔级电路，各级电路之间