简易信号发生器、频率计

1、 电子技术综合题 目：简易信号发生器、频率计院 系：电子信息学院指导教师： 班 级：学 号：学生姓名： 2013年1月15日中 原 工 学 院电子技术综合任务书姓名 学号学院电子信息学院班级题 目简易信号发生器和频率计设计任务1. 设计一个的正弦波、方波和三角波发生器：(1) 频率可调范围：2Hz20KHz，分为4档： 220Hz；20200Hz；2002KHz；2K20KHz；(2) 幅度可调范围：05V；(3) 可调偏置。2.设计一个简易数字频率计： (1) 可测量信号频率范围：1100 KHz，显示单位为Hz； (2) 输入电压幅度VPP：100mV10V； (3) 输入信号波形：任意周

2、期信号；(4)显示方式: 6位十进制数显示。 时间进度总体时间为1周；星期五下午：讲解；星期六：理解电路原理；星期日中午：发放元器件和工具，设计电路和连线；星期一下午：验收电路；星期五之前：上交课程设计报告；主要参考文献1 康华光：电子技术基础 数字部分(第五版)，高等教育出版社2 康华光：电子技术基础 模拟部分(第五版)，高等教育出版社引 言信号发生器是一种用于在科研和生产中产生基本波形（如正弦波、方波、三角波）的波形产生器，信号发生器用来产生频率为2Hz20kHz的低频信号，除具有电压输出外，还具有功率输出，因此在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。此次课程设计中采用由集成运算放大器组

3、成的正弦波方波三角波函数发生器的设计方法，首先通过RC正弦波振荡电路形成正弦波，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转换成三角波；波形变换的原理利用了差分放大器传输特性曲线的非线性。 频率计是一种应用较为广泛的频率测量计，用于对于信号发生器所产生的信号频率进行粗略的测量，一般来说频率计有一定的测量误差和测量范围，但在误差范围内频率计的测量值仍然具有可靠地科学性和应用性，并且频率计具有体积小，操作方便等特点，因此在实际应用中具有一定的代表性。目 录任务书引言目录1 绪论·········&

4、#183;·········································62 设计步骤和方法······

5、83;·································72.1 设计目的···············

6、··························72 .2 设计设计任务及技术指标·····················&

7、#183;···72.3 设计步骤·········································82.4 设计方案··&

8、#183;······································83 设计内容及原理·········

9、83;······························93.1 信号发生器设计原理·················&

10、#183;············93.1.1 产生自激振荡的原理·························93.1.2 正弦波发生电路·······&

11、#183;······················113.1.3 偏置电路·························&

12、#183;··········173.1.4 方波发生电路································173.1.5 三角波发生电路··&#

13、183;···························183.1.6 调幅电路····················&#

14、183;···············213.2 频率计设计原理································&

15、#183;··213.2.1 放大整形电路································223.2.2 清零和锁存脉冲时序··········

16、···············233.2.3 脉冲发生电路································234

17、安装与调试·············································244.1 PCB板的焊接··

18、···································244.2 电路板的调试·············

19、························245 实验总结························

20、3;······················265.1 实验结果··························

21、···············265.2 心得体会·································&#

22、183;·······30附录一：电路原理图······································32附录二：工具清单·

23、;·······································35附录三：元器件清单·········

24、·····························35附录四：简易信号发生器和频率计··················&

25、#183;······37附录五：主要元器件的引脚图和功能表·····················381、绪论当代电子技术的迅速发展，为人们的文化、物质生活提供了优越的条件，数码摄像机、家庭影院、空调、电子计算机、智能手机等，都是典型的电子技术应用实例，可谓是琳琅满目，异彩纷呈。至于电子技术在科技领域的应用，更是起着不可代替

26、的关键作用。随着科技的不断发展电子电路及其应用系统的设计手段也越来越先进。传统的电子电路与系统设计方法，周期长、耗材多、效率低，难以满足电子技术飞速发展的要求，逐渐被新型的科技产品所代替。此次课程设计是一次综合性的设计，包括EWB软件的仿真应用，PROTEL软件的应用，电路板的焊接，电子器件的调试。课程设计中涉及到的理论知识包含了大二学年中所学的电子技术基础的数字部分和模拟部分，对于软件的应用则是对我们有关EWB和PROTEL软件操作的又一次检测。EWB是利用计算机技术在电子设计过程中对电路进行设计和仿真的技术，它已广泛应用于电子电路分析、设计、仿真、印刷电路板的设计等各项工作之中。同时EWB

27、 还具有庞大的电子元器件库和比较齐全的仪器仪表库，使得在仿真过程中的操作更为简单可行。PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100布通率。对于这次课设中所使用的电子元器件包括电阻、电位器、电容、

28、可调电容、二极管、数码管、集成电路等。集成电路是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按照一定的电路相互连接，集成在一块半导体晶片上，并按照一定的封装方式和封装规格封装在一个外壳内，用于执行特定的电路功能或系统功能的一种器件。 本次课程设计的重点是简易信号发生器和简易频率计，由正弦信号产生电路、波形转换电路、数据处理电路和数据显示电路等功能模块组成。课设过程中基于题目基本要求，所设计系统对秒脉冲信号发生器、门控电路、信号输入电路、计数器和显示电路进行了重点设计。采用了模块化的设计方法，有助于我们在课设过程中检查，发现和解决问题，培养我们分析问题和解

29、决问题的能力，掌握电子电路设计的一般方法，了解电子产品研发的一般过程。此次课设对我们来说起着一个承前启后的作用。短期内来看，不仅是对大一和大二所学知识的一次综合检测，同时也可作为我们毕业设计的一次小练兵；长期意义上来说，又将是我们毕业后搞电子电路设计的一个开端。 2、设计步骤和方法2.1 设计目的1、掌握正弦波、方波及三角波信号发生器的设计、组装与调试方法；2、掌握数字频率计的设计与调试方法；3、加强学生的动手、思考和解决问题的能力；4、掌握电路设计的一般方法。2.2 设计任务及技术指标 1、设计一个的正弦波、方波和三角波发生器： (1) 频率可调范围：2Hz20KHz，分为4档： 220Hz

30、；20200Hz；200Hz2KHz；2K20KHz； (2) 幅度可调范围：05V； (3) 可调偏置。 2、设计一个简易数字频率计： (1) 测量频率范围：1Hz100 KHz，显示单位为Hz； (2) 输入电压幅度：VPP：100mV 10V； (3) 输入信号波形：任意周期信号； (4) 显示方式： 6位十进制数显示。2.3 设计设计步骤1、原理了解，清楚设计内容。2、原理图绘制，一组一张。3、安装实际电路。4、调试，功能实现。5、指导老师验收及答辩。6、完成设计报告。2.4 设计方案本次电子技术课程设计分为两大部分，即电子技术基础模拟部分和数字部分。通过两部分知识的综合，设计出一个简

31、易信号发生器和简易频率计。1、信号发生器设计方案可先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变成方波，再由积分电路将方波变为三角波；也可先产生三角波方波，再将方波变为正弦波，如下框图所示：图1 信号发生器的组成框图2、简易频率计数字频率计测试的是外部输入信号，被测信号送入电路进行处理、测量，最终在数码管上现实出来。它的整体结构框图如下：图2 测量频率的原理图图3 测量周期的原理图3、设计内容及原理3.1 信号发生器设计原理这一部分是电子技术模拟部分知识的利用，它是通过利用各种器件（如运算放大器、电阻、电容等）构成一个可以产生正弦波、方波、以及三角波的信号发生器。其中正弦波是其它各种波形产生的基础，

32、只有产生了正确的正弦波，其它波形才有形成的条件需要认真谨慎的设计和检查。下图为信号发生器的框图结构：3.1.1 产生自激振荡的原理只有正反馈才能产生自激震荡，如果，则去掉仍有信号输出，反馈信号代替了放大电路的输入信号，即如图3-3所示： 振荡平衡条件由于输入信号为零，所以便有 ， 在上式中，设, 则 即： 振幅平衡条件）相位平衡条件相位平衡条件意味着振荡电路必须是正反馈；振幅平衡条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。一个振荡器只有同时满足这两个平衡条件，才能振荡。3.1.2 正弦波发生电路由正弦波振荡电路产生正弦波，通过电容和电位器调节频率，由4个电容进行换档，分别控制4个量程，量程确定后通

33、过电位器进行频率的微调。RC振荡电路用RC 电路构成选频网络的振荡电路即所谓的 RC振荡电路，可选用的 RC 选频网络有多种，这里用文氏桥选频电路，其电路图如图3-4所示:幅频特性和相频特性曲线如图3-5所示 用运放组成的RC文氏选频电路振荡器，电路图如图3-6所示：因为,只有在处,才满足相位条件,则,输出正弦波的频率由于 ,则能自行启动的RC文氏选频电路振荡器，电路图如图3-7所示：将R F分为二个: 和，并联二极管, +略大于随着的逐渐增加，A自动下降输出自动被稳定于某一幅值。图3-9 RC震荡电路产生课设中应得正弦波形： 参数的确定及元件的选取：A、确定R、C的值根据设计所需求的震荡频率

34、f0，由式子RC=1/(2f0),先确定RC之积。B、 选择集成运算放大器震荡电路选择的集成运算放大器除要求输入电阻高，输出电阻低外，最主要的是运算放大器的增益，宽带积应满足G*BW>3f0C、 选择电容器件选择电容器件时应注意选择稳定性较好的电阻、电容。否则将影响频率的稳定性。此外，还应对RC串并联网络的原件进行选配。本文选择R1=R2，C1=C2.D、 频率的计算因为需w=RC,所以f=1/2RC.3.1.3 偏置电路电路中产生的正弦波以及后面要产生的方波和三角波容易产生上下偏移，所以需要在电路中设置偏置电路，来调节偏移。偏置电路可由运算放大器组成的加法电路来实现。图3-10 偏执电

35、路对波形的影响3.1.4 方波发生电路正弦波由运算放大器组成的过零比较器可实现将正弦波转换为方波的功能。其电路原理图如下所示：图3-11 由正弦波实现方波仿真电路图3-12 输出方波波形图课设中应得方波波形：3.1.5 三角波发生电路由运算放大器组成的积分电路可实现将方波转换为三角波的功能。其电路原理图如下所示：通过对电容的充放电，来实现三角波。图3-13 由方波实现三角波仿真电路方波和三角波的频率与正弦波的频率相同，可通过正弦波振荡电路来调节。在积分电路中，信号的周期和积分时间常数两者在数值上有一定的要求。当信号频率改变时，也应相应地改变积分电路中的电容值。图3-14 积分常数对波形的影响课

36、设中应得三角波波形：3.1.6 调幅电路可由运放组成的比例电路来实现，反 馈电阻由电位器构成，即可达到调幅的目的图3-15 调幅电路仿真电路3.2频率计设计原理其功能是对脉冲的频率进行计数并在数码管上显示出来。它将信号发生器产生的信号经过整形放大，再通过脉冲计数器进行计数，然后经过数据锁存电路锁存，最后经过译码驱动电路连接LED显示电路，将信号的频率值在数码管上显示出来。其简化流程图如下所示放大整形电路脉冲计数器数据锁存电路译码驱动电路LED显示电路时钟电路单稳态清零脉冲输入图3-16 频率计设计流程图3.2.1 放大整形电路由双运算放大器NE5532组成，采用±5V电源。 其中一个

37、运算放大器对输入信号进行放大，放大倍数选用50；另一个运算放大器接成过零电压比较器，对放大后的信号进行整形，产生±5V的脉冲信号。要想得到TTL脉冲信号，需要设计成带限幅的过零比较器。放大整形电路的波形变换：为了能够对直流周期信号的频率进行测量，需要在放大前加入滤波电路。 图3-17 经过滤波放大电路后波形的变化3.2.2 清零和锁存脉冲时钟信号同时又作为锁存器的锁存信号，直接送到锁存器74HC37，在时钟信号的上升沿进行锁存。在时钟信号的上升沿时刻，用单稳态触发器CD4528产生一个宽度25微秒的清零脉冲送至计数器CD4518的CLR端，使脉冲计数器清零后重新开始计数。图3-18

38、清零和锁存脉冲时序3.2.3 脉冲发生器电路 电路如图3-19所示图3-19 脉冲发生器电路时钟信号同时又作为锁存器的锁存信号，直接送到锁存器74HC374，在时钟信号的上升沿进行锁存。在时钟信号的上升沿时刻，用单稳态触发器CD4528产生一个宽度25微秒的清零脉冲送至计数器CD4518的CLR端，使脉冲计数器清零后重新开始计数。由于单稳态触发器的时间延时，可以保证锁存器进行锁存之后，计数器才开始清零操作。 至此，简易信号发生器的设计和频率计数器的设计便完成了。4、安装与调试实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装，往往也难以达到预期的效果 ，所以必须通过安装后的测试和调整，来发

39、现和纠正设计方案的不足。然后采取措施加以改进，以使装置达到预期的技术指标。调试常用的仪器有：万用表、示波器、信号发生器。4.1 电路的焊接首先要搞清楚PCB板的结构原理和各个元器件的位置。实验开始的第一步是根据电路图将各个元件在电路板上焊接好，在焊接的时候应注意电路板的整体布局，焊点要美观，线路整齐，焊电路板是一项很有技巧的工作，如果焊不好，就很容易出现虚焊等情况，并且在选择器件时要两个人同时配合，以免把元件焊错。在焊的过程中，要服从从高到底的原则，这样焊出来的板子才会美观大方。所以在焊接时要细心并且有耐心，这样才能使电路板的板面的美观，使人赏心悦目。4.2 电路的调试：A、在电路板好以后，先

40、不要急着通电源，因为如果连线中有短路，很容易造成面包板上集成器件被烧掉。所以，在通电前需要用确认连线正确。方法是：用万用表的欧姆档测“地”与电源、高电平与低电平之间的电阻，一般为几百欧姆。若显示为零，则说明地线与电源之间或高低电平之间存在短路，需要排查连线。注意，每一个集成器件的地线与总的地线之间以及VCC端与电源端电阻必须为零。用万用表，测试过后，确认无误，方可通电。焊接好的电路板如下图所示：B、通上电观察电路使出波形，先调试正弦波波，若示波器上无正弦波则需要调节电位器RW 以找出正弦波形。C、若正弦波有失真现象，则需要调节电位器RW或RW1，RW3, RW4 以得到正确的，无失真的正弦波形

41、。图21 几种正弦波的失真正弦波调试出来以后，分别改变接通的电容，查看各频率段是否正确。该换方波和三角波调试，调节无误后，下一步调试频率计。D、 频率计调节时用频率发生器可测量信号频率范围，和实验要求为1100 KHz，显示单位为Hz；输入电压幅度应为VPP：100mV10V；E、测试频率计精度，将信号发生器和频率计相连，观察示波器上的频率值和频率计上的显示是否一致.F、 综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因数有：1 原件本身存在误差2 焊接时焊点存在微小电阻；3 万用表本身的精度而造成的系数误差；4 读数误差G、 在调试过程中，不但要认真检查和观测，还要勤于记录。记录的内容包括

42、实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠地实验记录并与理论结果加以比较，才能发现问题的所在，从而更好地解决问题。5、实验总结5.1 实验结果经过仔细反复的调试，我们对图像的频率的可调范围、幅度的可调范围，以及偏置情况和频率计的精度都得到了相对满意的结果，实验所得波形及数据记录如下：1、正弦波 方波 三角波的波形图：正弦波：方波：三角波：实验记录数据：波形幅度可调范围：3.96mV5.03VA、接J6（R5=10K欧姆）时：正弦波方波三角波2-20HzMaxF(Hz)21.0221.3520.89U（V）0.06-3.913.120.26-3.41MinF(Hz)2

43、.943.96U（V）0.08-3.893.4720-200HzMaxf(Hz)214.41207203U（V）0.06-4.213.840.23-3.35Minf(Hz)19.9618.6v0.06-3.893.32200-2KMaxf(Hz)208020602030U（V）0.05-3.343.140.06-3.32Minf(Hz)197193U（V）0.08-3.793.88 2K-20KMaxf(Hz)186001904021920U（V）0.07-3.153.390.21-4.35Minf(Hz)145018901960U（V）0.21-3.33.080.07-4.02B、接J5（R

44、21=1M欧姆）时：正弦波方波三角波2-20HzMaxF(Hz)19.8620.1619.43U（V）0.24-3.492.980.04-0.41MinF(Hz)7.943.964.81U（V）0.20-3.573.170.02-0.5220-200HzMaxf(Hz)203207199U（V）0.11-3.213.480.26-3.95Minf(Hz)20.0518.6201U（V）0.06-3.893.320.27-3.93200-2KMaxf(Hz)189518561906U（V）0.04-4.343.280.21-3.93Minf(Hz)197.35193201.6U（V）0.08-3

45、.793.880.24-3.062K-20KMaxf(Hz)225102139021300U（V）0.20-4.563.350.21-4.39Minf(Hz)243021402219U（V）0.21-4.424.810.20-4.235.2 心得体会：忙碌了四天，这次课设算是结束了，虽然时间有些仓促，但这几天里的收获却并不少。首先应当感谢老师在忙碌之中抽出时间为我们指导，感谢老师为我们付出的辛苦劳累和谆谆教诲。这次课设的关键在于信号发生器的调试工作，对于前两天的电路仿真和电路板及元器件的焊接则是我们在大一和大二的学习中必须要掌握的基本技能。其实对于信号发生器的调试工作也并不困难，关键是在于我们

46、要对设计电路有深刻的理解，必须深化掌握正弦波的产生原理，正弦波到方波的转换原理以及由方波通过积分电路转换为三角波的原理。其次，要敢于面对调试中遇到的困难，因为调试是一个反复而枯燥的过程，不仅要求我们做到认真细心，还要有耐心。我在调试的时候，在纠正多处错误之后仍然没有得到预期中的波形，觉得实验台有问题时就去问同学借试验台，觉得器件损坏了，就问老师换器件，虽然的确有其中的问题，但还是没有结果，当时浮躁，只想早点结束算了，但没有得到波形怎么能轻易结束最后还是坚持下来了，在老师的帮助下耐心调试之后终于得到了所需的波形。在此，再次感谢老师的帮助，因为自己学的知识还不够深入，有很多地方都还不明白，多亏了老师的指导，我才能在限定的时间内顺利的完成任务，并且享受自己辛苦付出之后的成果。在以后的日子里，我要多加强自己的动手能力，使自己能更好地适应以后的生活。通过这次课设，我还体会到很多时候我们看似很难的一些事情其实当我们用心去做的时候就会发现它们并不向我们想象中的那么困难。就像这次课设一样，第一次看到指导书的时候觉得很难，因为没有丝毫的理解头绪，仔细阅读分析之后终于找到了突破口那就是波形。在做完电路图仿真后觉得清