简易矩形波发生器报告教材

1、数字电路设计研讨-简易矩形波信号发生器姓名：尹晨洋学号：13211023班级：通信1301同组成员：程永涛学号：13211007 扌旨导老师：任希1综述目录*9六、参考文献*9电路元件结构及工作原理*1）、555计数器*2）、74IS160同步计数器*3）、74IS175 4位寄存器*三、频率可调的矩形波发生器*1）、频率可调的矩形波发生器电路图仿真电路图*2）、频率可调的矩形波发生器工作原理分析*3）、仿真结果分析*四、可显示频率计数器*1）、可显示频率计数器仿真电路图*2）、工作原理分析*3）、仿真结果分析*4）、实验误差*五、总结与体会*、综述信号发生器是一种能提供各种频率、波形和输出电

2、平电信号的设备。在测量各种电信系统或电信设备的振幅特性、频率特性、传输特性及其它电参数时，以及测量元器件的特性 与参数时，用作测试的信号源或激励源。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用，能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。早在二十年代，当电子设备刚开始出现时，信号发生器就出现了，随着通信和雷达技术的发展，四十年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信 号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器成为定量分析的测量仪器，同时还出现了可用来测试脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。由于早期的信号发生器机械结构比较复杂

3、，功率比较大，因此发展速度较慢。直到1964年才出现了第一台全晶体管的信号发生器。自六十年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器的主要性能指标也都有了 大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展。而矩形 波发生电路在测量、自动控制、通讯、无线电广播和遥控等许多技术领域中有着广泛的应用， 甚至在收音机、电视机和电子表等日常生活用品中也离不开它。总之矩形波发生电路广泛地用于工业生产、科学实验和日常生活等各个领域中。二、电路元件结构及工作原理1）、555计数器D图1 555计数器具体内部

4、电路共组原理分析：555计数器内部包括 3个等值电阻构成的分压器和运放构成的比较器和基本RS触发器和三极管构成的功率输出级。它提供两个基准电压 TH为VCC/3和TR为2VCC/3。555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制SR触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器 C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为 VCC/3。若触发输入端TR的电压小于 VCC/3 则比较器C2的输出为0可使SR触发器置1，使输出端0UT=1如果阈值输入端 TH的电压大 于2/3VCC,同时TR端的电压大于 VCC/3，则C1的输出为0,

5、C2的输出为1,可将SR触发 器置0,使输出为0电平。UrUthU TROUT放电端D0XX0与地导通1 匚 U DD3dd30与地导通12吒U DD31 _ U DD3保持原状态不变保持原状态不变1dd3二 U dd31与地断开表1 555定时器功能表利用Uth和Utr同时大于0或小于0即可产生矩形波。2）、74IS160同步计数器工作原理分析：这种同步可预置十进制计数器是由四个D型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。对所有触发器同 时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工 作。这种工作方式消除了非同

6、步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器。电路有全独立的时钟电路。 改变工作模式的控制输入（使能ENR ENT或清零）纵使发生变化，直到时钟发生为止，都没有什么影响。计数器的功能（不管使能、不使能、 置数或计数）完全由稳态建立时间和保持时间所要求的条件来决输入输岀qj丁 门CTr CTp CP Do D D： DQ： Qi Q； Qm0XXXXXXxX0 0 0 010XXtdO dl d2 d3d0 dl d2 d31111fXXXX计数110KXXXXX保持11x0xxxxx保持表2 74IS160功能表从功能表的第一行可知，当 CR = 0

7、（输入低电平），则不管其他输入端（包括CP端）状态如何，四个数据输出端 Q、Q、Q、Q全部清零。由于这一清零操作不需要时钟脉冲CP配合（即不管CP是什么状态都行），所以CR为异步清零端，且低电平有效，所以该计数器 具有“异步清零”功能。从功能表的第二行可知，当 CR = 1且LD = 0时，时钟脉冲 CP上升沿到达，四个数 据输出端QA QB QC QD同时分别接收并行数据输入信号 a、b、c、d。由于这个置数操作 必须有CP上升沿配合，并与 CP上升沿同步，所以称那么该芯片具有“同步置数”功能。从功能表的第三行可知，当CR = LD = 1, CTr = CTp= 1时，则对计数脉冲 CP实

8、现同步十进制加计。而从功能表的第四行又知道，当CR = LD = 1时，只要CTr和CTp中有一个为0,则不管CP状态如何（包括上升沿），计数器所有数据输出都保持原状态不变。因此，CTr和CTp应该为计数控制端，当它们同时为1时，计数器执行正常同步计数功能；而当它们有一个为0时，计数器执行保持功能。另外，进位输出 Qcc= CTr Q0- Q1 - Q2 - Q3表明，进位输出端仅当计数控制端CTr = 1且计数器状态为15时它才为1,否则为03）、74ls175 4位寄存器V(x O3 6 Dj pj 6 Qj CPin而而 而 而nn rsoi rrEL LlI I2J E U E E E

9、TUTQo ?Jo Do DiHi Q* GND图3 74IS175引脚图工作原理分析：当 CR = 0 （输入低电平）时，输出端异步清零。当CR = 1 （输入高电平）时，在 CP上升沿作用下，将输入端 DoD3送入触发器输出端锁存，在CP非上升沿情况下，输出端与输入端DbD无关三、频率可调的矩形波发生器1）、频率可调的矩形波发生器电路图仿真电路图:VCC： :LI：8OThF -:it:-：| ； ； ； :XFtl：C5 :：3-?pF：W-A:C2 ：;4OTnF :?OOhFDIS I 遇：III I I dfiiil -LM5S5CM.I7DC.图4频率可调的矩形波发生器电路图2）

10、、频率可调的矩形波发生器工作原理分析由555定时器构成的多谐振荡器如图所示，R1, R2和C（ C由C3 C4 C5 C6、C7、C8C1构成）是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C5的连接处，将放电端（7脚）接到R1, R2的连接处（引脚标号见图1）。由于接通电源瞬间，电容 C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3 ） Vcc,故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管 VT截止。这时，电源经R2, R1对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3 ） Vcc时，输出uo为低电平，放电管 VT导

11、通，把uc从（1/3 ） Vcc上升到（2/3 ） Vcc这段时间内电路的状 态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数 T=（ R1+ R2） G所以可求得振荡频率为1.43f(R1 2R2)C开关全部闭合，记开关状态为000000,此时 C=6.4uF,输出 out 频率为 f =10Hz。S6断开，开关状态为000001,此时C=C4/C7=3.2uF,输出out频率为f = 20Hz2S5断开，开关状态为000010,此时C=C4/C9=3.2 uF,输出out频率为f二30Hz3S6, S5断开，开关状态为000011，此时C=C4/C7/C9=1.6

12、uF,输出out频率为f =40Hz以此类推，可以通过开关 S6S1不断调节C的大小，开关从000000111111可 使频率从10Hz到640Hz变化，频率可调，步进为10Hz,3）仿真结果分析i）开关状态为000001时，输出20HZ见图5vcc :I 5.(ivXTW T A置攻谢 A.:土舉曲FW - A.:C4 : 丰T币pF图5Hl .2 USDii）开关状态为111111时，输出为643Hz,见图6图6四、可显示频率计数器1）、可显示频率计数器仿真电路图图7具体电路:图8寄存器与数码管部分图9计数器部分图10矩形波发生器2）、工作原理分析信号发生器XFG伪频率0.5Hz的方波，信

13、号发生器 XFG2为需要测试的方波频率。当XFG1输入高电平1时，持续1s，计数器74IS160的CLR=1,在XFG2的时钟脉冲下降 沿实行计数功能。当 QA=QD=1（即计数到9）时，通过与非门反馈至 LOAD端和下个74Is160 的ENT端，使在下一个 CP下降沿的时候该计算器置零并且下个74ls160加一，如此可实现十进制数的计数功能。当XFG1下降沿的时候（从高电平变为低电平），锁存器将计数器的输出端数据送入8段数码管并且显示出来（如图，从右到左依次为百位、十位、个位），同时通过6个7404N非门使XFG1的低电平到来延时，使数码管显示数据后再对计数器实现清零。在下一次XFG1输入

14、高电平1时，重新开始计算，下一次下降沿时可再一次显示频率， 使数码管能够每2秒刷新一次频率。3）、仿真结果分析当S1S6为0000010时，矩形波发生器产生频率为20HZ的矩形波，在频率计数器上显示为19HZ与计算大致相同图11波形为:图12当S1S6为0000100时，矩形波发生器产生频率为30HZ的矩形波，在频率计数器上显示为32HZ与计算大致相同7.33 &Q8 Hz誦冲丄升/F障CRMS；sao*竣电甲oJi波形为:图13T1 ggT2囹囹时间39.219 s39.219 s通道申5,000 V5.000 VT2-T10.000 s0.000 v反向杲荐外融发时基回诵加B/A A/B通

15、道AMb刻度；Y轴位移：05 V/Div触左图144）、实验误差5hz以内。加深了我对知识的理解,并且我也感受到平时生实验的实际显示频率和理论值有一定的误差，是因为在频率的选取推导中忽略了放电开 关T的电阻，使得存在误差。但误差较小，根据结果显示最终误差在五、总结与体会在这次实验仿真，我将平时学习到的书本知识运用到了实际中，同时也锻炼了我查找集成芯片和它们相应的引脚图及功能表的能力，活工作中一个严谨认真的态度的重要性，例如在这次试验中平时在我们开来很简单的一个计数器级联构成多位计数器，却让我犯了愁，应为我在设计好电路后发现在触发器上方的后两个数码管始终没有显示，在我大概重新连接了两遍之后我才发现我没有设置对三个74IS160统一的始终导致后两个根本不计数。同时，在试验中有一些知识也是要我们自己去积累的，例如，在用555定时器设计方波发