函数信号发生器实验报告

1、青海师范大学课程设计报告课程设计名称：函数信号发生器专业班级：电子信息工程学生姓名：李玉斌学号：20131711306同组人员：郭延森 安福成 涂秋雨指导教师：易晓斌课程设计时间：2015年12月目录1 设计任务、要求以及文献综述2 原理综述和设计方案 2.1 系统设计思路 2.2设计方案及可行性2.3 系统功能块的划分2.4 总体工作过程3 单元电路设计 3.1 安装前的准备工作 3.2 万用表的安装过程4 结束语1 设计任务、要求 在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路称为函数信号发生器，又名信

2、号源或振荡器。函数信号发生器与正弦波信号发生器相比具有体积小、功耗少、价格低等优点, 最主要的是函数信号发生器的输出波形较为灵活, 有三种波形（方波、三角波和正弦波）可供选择，在生产实践，电路实验，设备检测和科技领域中有着广泛的应用。 该函数信号发生器可产生三种波形，方波，三角波，正弦波，具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能，其产生频率信号范围1HZ100kHZ，输出信号幅值范围010V，信号产生电路由比较器，积分器，差动放大器构成，频率计部分由时基电路、计数显示电路等构成。幅值输出部分由峰值检测电路和芯片7107等构成。 技术要求：1. 信号频率范围 1Hz1

3、00kHz；2. 输出波形应有： 方波、三角波、正弦波；3. 输出信号幅值范围010V；4. 具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能。2 原理叙述和设计方案2.1 系统设计思路函数信号发生器根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以是集成器件（如单片集成电路函数信号发生器ICL8038）。产生方波、正弦波、三角波的方案也有多种，如先产生方波，再根据积分器转换为三角波，最后通过差分放大电路转换为正弦波。频率计部分由时基电路、计数显示电路等构成，整形好的三角波或正弦波脉冲输入该电路，与时基电路产生的闸门信号

4、对比送入计数器，最后由数码管可显示被测脉冲的频率。产生的3种波经过一个可调幅电路，由于波形不断变化，不能直接测出其幅值，得通过峰值检测电路测出峰值（稳定的信号幅值保持不变），然后经过数字电压表（由AD转换芯片CC7107和数码管等组成），可以数字显示幅值。2.2设计方案及可行性方案一：采用传统的直接频率合成器。首先产生方波三角波，再将三角波变成正弦波。方案二：采用单片机编程的方法来实现（如89C51单片机和D/A转换器，再滤波放大），通过编程的方法控制波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率变换。方案三：是利用ICL8038芯片构成8038集成函数发生器，其振荡频率

5、可通过外加直流电压进行调节。经小组讨论，方案一比较需要的元件较多，方案二超出学习范围，方案三中的芯片仿真软件中不存在，而且内部结构复杂，不容易构造，综合评定，最后选择方案一。2.3系统功能块的划分该系统应主要包括直流稳压电源，信号产生电路，频率显示电路和电压幅值显示电路四大部分。直流稳压电源将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压，信号产生电路产生的信号，经过适当的整形，作为频率显示电路的输入，从而达到了数字显示频率的要求；产生的信号经过幅频显示部分（峰值检测电路和数模转换），便实现了幅值数字显示。2.4 总体工作过程先由反相输入的滞回比较器和RC电路组成方波发生电路，然后方波经积分器得到

6、三角波，由差分放大器来完成三角波到正弦波的变换电路。频率计部分由时基电路、计数显示电路等构成，整形好的三角波或正弦波脉冲输入该电路，与时基电路产生的闸门信号对比送入计数器，最后由数码管可显示被测脉冲的频率。产生的3种波经过一个可调幅电路，由于波形不断变化，不能直接测出其幅值，得通过峰值检测电路测出峰值（稳定的信号幅值保持不变），然后经过数字电压表（由AD转换芯片CC7107和数码管等组成），可以数字显示幅值。3 单元电路设计一、 信号产生电路1. 函数发生器总方案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

7、器，使用的器件可以是分立器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片集成电路函数信号发生器ICL8038）。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，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，如图。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。本课题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

8、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。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。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。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。函数发生器组成框2 各组成部分电路的工作原理 方波发生电路的工作原理 此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压=+ ,则同相输入端电位 =+ 。通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t

9、趋于无穷时，趋于+ ；但是，一旦 =+ ,再稍增大，从+ 跃变为- ,与此同时从 跃变为- 。随后，又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，趋于- ；但是，一旦 =- ,再减小，就从- 跃变为+ ，从- 跃变为+ ，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。 方波三角波转换电路的工作原理 图22 方波三角波转换电路图22所示的电路能自动产生方波三角波。工作原理如下：若R2左断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压，R1

10、称为平衡电阻。比较器的输出的高电平等于正电源电压+ ，低电平等于负电源电压- （|+ |=|- |）, 当比较器的U+=U- =0时，比较器翻转，输出从高电平跳到低电平- ,或者从低电平跳到高电平。设 =+ 则 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位为若 = -,则比较器翻转的上门限电位为比较器的门限宽度由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图23所示 图23 比较电压传输特性 图24 方波、三角波的转化R2左端断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为时，时，可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形

11、关系如图24所示。R2左端闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为方波-三角波的频率f为由以上两式可以得到以下结论：a) 电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。b) 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。三角波正弦波转化电路的工作原理三角波正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。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。特别是作为直流放

12、大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。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。分析表明，传输特性曲线的表达式为： 式中差分放大器的恒定电流； 温度的电压当量，当室温为25°C时，26mV。如果为三角波，设表达式为式中，三角波的幅度；T三角波的周期。 图25 三角波正弦波变换为使输出波形更接近正弦波，由图可见：a)传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；b)三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。图26为实现三角波正弦波变换的电路。其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C1,C

13、2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。 图26三角波正弦波变换电路2. 计频显示电路测量正弦波、方波、三角波的频率，利用施密特触发器将输入信号整形为方波，并利用计数器测量1s内脉冲的个数，利用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。2.1频率测量的方法1) 测周法测周期法，测周期法使用被测信号来控制闸门的开闭，而将标准时基脉冲通过闸门加到计数器，闸门在外信号的一个周期内打开，这样计数器得到的计数值就是标准时基脉冲外信号的周期值，然后求周期值的倒数，就得到所测频率值。首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平时间是一个信号周期T的方波信号；然后用一个一直周期T1的高频方波信号作

14、为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对T1信号进行计数，如图2-7所示。若在T时间内的计数值为N2,则有：T2=N2*T1 f2=1/T2=1/(N2*T1)=f1/N2 N2的绝对误差为N2=N+1。N2的相对误差为N2=(N2-N)/N=1/NT2的相对误差为T2=(T2-T)/T=(N2*T1-T)/T=f/f1从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准计数信号的频率成反比。当f1为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。2）测频法测频法是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时间为T，计数器得到的计数值为N1，则被测

15、频率为f=N1/T。改变时间T，则可改变测量频率范围。设在T期间，计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是N1=N+1,N1的相对误差为N1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相对误差可知，N的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f已确定的条件下，为减少N的相对误差，可通过增大T的方法来降低测量误差。当T为某确定值时（通常取1s），则有f1=N1,而f=N，故有f1的相对误差：f1=(f1-f)/f=1/f 从上式可知f1的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此测频法适合用于对高频信号的测量，频率越高，测量精度

16、也越高。 本次课设要求测1100KHZ的信号，因此，采用测频法测频率。因此可得计频显示电路框图如下：数码显示锁 存计数译 码放大电路闸门检测待测信号 计数 清零控 制 电 路时基电路 控制信号计频显示电路原理框图2.2 整形电路由于由门限电压比较器构成的整形电路会产生较大的信号干扰造成计数不准确，所以采用555构成的施密特触发电路构成整形电路（如图2.2.1所示）。用555构成的施密特触发器作用是将输入的周期性信号，如正弦波、三角波变换成脉冲波形，其周期不变。图2.2.1 整形电路三角波和正弦波整形后的电路图图2.2.2图2.2.32.3 时基电路时基电路的作用是控制计数器的输入脉冲。当标准时

17、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技数：当标准脉冲结束时，闸门关闭，计数器无脉冲输入。时基电路可以由555定时器构成的多谐振荡器实现，如图2-12。利用式计算参数。仿真的结果如图2.3.2所示。图2.3.12.4控制电路 控制电路是整个计频显示电路正常工作的核心部分，需仔细分析各种频率信号（计数，选通，锁存，清零）的时序关系，以最终控制计数译码显示电路的工作状态。由于功能要求识别的最小频率是1Hz，因此将选通信号的高电平时间定为1s，在这个时间段内允许待测信号输入进行计数，锁存和清零信号的输出均为高电平。在选通信号为低电平时关闭闸门，计数停止，处于数据锁存的时间段

18、，此时的锁存信号为低电平，清零信号仍为高电平，直到选通信号的下一个高电平到来前（开始下一个计数），清零信号端输出一个低电平实现数码管显示的清零，准备进入下一个计数周期。如此往复，以实现待测信号的反复测量。这几个信号的工作时序如图2.4.1所示。选通信号计数信号 。 。锁存信号清零信号实现此电路主要由两种方案：方案一：采用CD4017计数芯片方案二：采用JK触发器比较两种方案可知，CD4017计数器构成的数字频率计时序关系相对简单，固定，控制电路中的各信号频率的可调节性较小，控制电路的控制脉冲必须是1Hz，由此来固定选通信号的周期，唯一可以变化的是延长锁存和清零保持的时间，采用JK触发器构成的数

19、字频率计虽然时序关系稍微复杂一点，但其最大的优势在于控制电路中的各信号频率的可调节性较大，通过门电路的使用可以改变锁存和清零的时间。实际当中，只需选通信号为1s，并不需要太长的锁存时间和清零时间。因此，在对锁存和清零时间较为严格时，宜采用一JK触发器为核心控制电路的数字频率计。由JK触发器构成的控制电路如图2.4.2所示。图2.4.22.5用到的芯片这部分芯片有555定时器、四位二进制同步计数器74LS160、JK触发器74LS175、译码器74471）同步十进制计数器74LS160（计数作用）该计数器外加适当的反馈电路可以构成十进制以内的任意进制计数器。图3-7中是预置数控制端，D、C、B、

20、A是预置数据输入端，是清零端，EP、ET是计数器使能控制端，RCO是进位信号输出端，它的主要功能有： a. 异步清零功能 若=0，则输出DCBA=0000，与其它输入信号无关，也不需要CP脉冲的配合，所以称为“异步清零”。b. 同步并行置数功能 在=1，且=0的条件下，当CP上升沿到来后，触发器DCBA同时接收D、C、B、A输入端的并行数据。由于数据进入计数器需要CP脉冲的作用，所以称为“同步置数”，由于4个触发器同时置入，又称为“并行”。 c.进位输出RCO在=1、=1、EP=1、ET=1的条件下，当计数器计数到1001时进位RCO=1，其余时候RCO=0。d.保持功能在=1，=1的条件下，

21、EP、ET两个使能端只要有一个低电平，计数器将处于数据保持状态，与CP及D、C、B、A输入无关，EP、ET区别为ET=0时进位输出RC00，而EP=0时RC0不变。注意保持功能优先级低于置数功能。 e. 计数功能在=1、=1、EP=1、ET=1的条件下，计数器对CP端输入脉冲进行计数，计数方式为二进制加法，状态变化在DCBA=00001001间循环。图2.5.1 74160 芯片管脚图2） D触发器74LS175（锁存作用）锁存器的作用是将计数器在1s结束时的计数值进行锁存，是显示器上获得稳定的测量值。当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。

22、74LS175是用4个D触发器组成的四位寄存器，它的逻辑电路图如图2.5.2图2.5.2 74LS175逻辑电路图其管脚图如图2.5.3图2.5.3 74LS175管脚图由图3-9的电路图可见，在CP上升沿到达时端的状态被同时寄存到各触发器中,直到下一个CP上升沿到达时再一次置数。为了增加电路灵活性，74LS175中加了异步清零端，当=0时，不需要和CP同步，就可以完成寄存器Q0到Q3的清零工作。3）显示译码器74477447七段显示译码器输出为低电平有效，用以驱动共阳极数码管。逻辑符号见图2-17。7447有4个 BCD码输入端 A、B、C和D，其中 D为最高有效位，A为最低有效位，它们分别

23、与输出端口中的4位相连。7447的7个输出引脚 ag直接与 LED的相应引脚相连。当灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或为高电平而试灯输入为低电平，则所有输出端都为1。BI/RBO是线与逻辑，作灭灯输入（BI）或动态灭灯（RBO）之用，或者兼为二者之用 图2.5.4 显示译码器7447a.要求015时，灭灯输入（BI）必须开路或保持高电平，如果不要灭十进制数零，则动态灭灯输入（RBI）必须开路或为高电平。b.将一低电平直接输入BI端，则不管其他输入为何电平，所有的输出端均输出为低电平。c.当动态灭灯输入（RBI）和A,B,C,D输入为低电平而试灯输入为高电平时，所有各段输出都为0，并且

24、动态灭灯输出（RBO）为低电平（响应条件）。d.当灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或为高电平而试灯输入为低电平，则所有输出端都为1。4）七段数码管七段数码显示器是于发光二极管组成的，用来显示特定的的显示器。7段数码管发光二极管使用灵活，简单方便，当有电流通过时，相应的发光二极管就点亮；当电流消失没有电流时，发光二极管就灭。同样，共阳极LED显示器就是将所有发光二极管的阳极接到一起，接到电源正极。这样，当某个发光二极管的阴极加有低电平，该发光二极管即被点亮。 图2.5.5 七段数码显示器通过a,b,c,d,e,f,g,dp各点和公共点的电位，就可以控制个发光二极管的亮暗，而不同的发光的

25、亮暗组合就可以显示不同的数字（dp点是来表示小数点，在显示数字中不起作用）。比如，要显示“3”，则只需点亮a,b,c,d,g5个发光二极管，而其他均为暗，对于共阴极LED显示器来说，就是在在这些引脚上输入高电平即可。频率f=，N为t时间内的振动次数，若t=1s，则f=N.因此只要对一秒内信号的振动次数进行计数，即可测出频率。计数器采用74LS160级联构成的10*10*10*10*10*10加计数器。将EP、ET接前一级74LS160的进位RC0，当DDDD=0000，则初始状态为QQQQ=0000,当第九个上升沿过后，计数器处在QQQQ=1001，产生RCO=1信号，同时下一级74LS160

26、的EP、ET被置1，待第十个上升沿到达时，它也计数加1。这样级联可以得到多位十进制计数器。要测量1100KHZ的信号，则需要六位十进制计数器。级联电路图如图2.5.6所示：图2.5.6 74LS160级联电路图当Q=1时Q*CP=CP，计数器开始对CP脉冲计数，经过一秒后Q变为0，停止计数并保持。计数器输出端与D触发器构成的数字锁存电路相连，接置数脉冲输入端，当为上升沿这一瞬间，将此时计数器的输出QQQQ存入D触发器中并保存。待下一个上升沿到来时进行下一次置数。当Q为上升沿时，=+Q=1，计数器开始计数，当Q为下降沿时停止计数，为上升沿，将此时计数器的输出送入D触发器，进行锁存，这样周而复始，不断对输入频率进行更新。D触发器的输出端接显示译码器7447，再接共阳极七段码显示器，将D触发器中锁存的数显示出来，这样就可以读出所测信号的频率。频率计电路图附图2所示。3.电压幅值显示电路本模块主要由ADC进行数模转换，然后将所得的数字信号经过与门和或门的处理连接到显示