压控阶梯波发生器

1、目 录前言.2 任务书. 2 设计思路与解决方法.3一 方案论证. 41.1 提出方案. 41.2 方案论证. 7二 基本原理及设计. 82.1 压频转换部分. 82.2 计数器部分. 92.3 权阻网络部分. 92.4 放大器部分。. .102.5 反相器. 11三 装调过程. . . .12四 结论及误差分析. . 19五 心得体会. 19六 附录. . 206.1 元器件清单. . 206.2 器件管脚图. 206.3参考文献. .21七 总体电路图22前 言电子技术课程设计”是电子技术课程的实践性环节。是在我们学习了模拟电子技术基础和数字电子技术基础等课程的基础上进行的综合性训练，我们

2、组这次训练的课题是“压控阶梯波发生器的设计与制作。此次课程设计的课题是针对我们学习模拟电子技术基础和数字电子技术基础这两门课程的基础上，并在其辅助下完成的。此次进行的综合性训练，不仅培养了我如何合理运用课本中所学到的理论知识与实践紧密结合，独立解决实际问题的能力。通过此次“电子技术课程设计”我们应达到以下的基本要求：首先，综合运用电子技术课程中所学到的理论知识来独立完成此次设计课题，培养我们查阅手册和文献资料的良好习惯，以及培养我们独立分析和解决实际问题的能力。其次，在学习了理论知识的基础上进一步熟悉常用电子器件的类型和特征，并掌握合理选用的原则。再次，就是学会电子电路的安装与调试技能，以及与

3、同组的组员的团结合作的精神。最后，为了满足学生对电工、电子技术课程的实践需求，学校特地给我们提供了为期四周的课程设计时间，这门课程将电子技术基础理论与实际操作有机地联系起来，意在加深我们对所学理论课程的理解。通过让我们运用已基本掌握的具有不同功能的单元电路的设计、安装和调试方法，在单元电路设计的基础上，设计出具有各种不同用途的电子装置。深化所学理论知识，培养综合运用能力，增强独立分析与解决问题的能力。训练培养严肃认真的工作作风和科学态度。同时，它也培养我们查阅资料的能力和学生的工艺素质，培养我们的团队精神以及综合设计和实践能力。就是培养我们严肃认真的工作作风和严谨的科学态度以及学会撰写课程设计

4、报告，为以后毕业论文打好基础。任务书【实验名称】压控阶梯波发生器【设计任务】在规定时间内设计并调试一个油电压控制的阶梯波发生器【设计要求】1、输出阶梯波的频率能被输入的直流电压所控制，皮包率控制范围为600Hz-1kHz2、输出阶梯波的台阶数为十阶，且比例相等3、输出阶梯波的电压为1V/阶4、输入控制电压的范围为0.5V- - -6V5、电路结构简单，所用原器件尽量少，成本低【调试要求】利用实验室设备和指定器件进行设计，组装和调试，达到设计的要求，写出总结报告【参考元器件】1、运算放大器A7412、TTL 电路74LS20 74LS161 74LS1753、CMOS 缓冲器CD40104、稳压

5、管 二极管5、电阻 电容 电位器设计思路与解决方法设计要求：输出阶梯波的频率能被输入的直流电压所控制，皮包率控制范围为600Hz-1kHz解决方案：采用压频转换电路，将电压信号转换成方波信号。采用运算放大器A741芯片设计要求：输出阶梯波的台阶数为十阶解决方案：采用十进制计数器，确保每十个时钟信号后清零。选取74LS161芯片设计要求：输出阶梯波每阶比例相等，电压为1V/阶解决方案：采用权组网路，将数字信号转化为模拟信号运用放大器，将输出信号放大以满足要求。选取运算放大器A741芯片另外，74LS161是单纯的计数功能芯片，带负载能力很弱。对于后面串上的几十千欧级的电阻显得力不从心。用万用表实

6、测74LS161输出管脚的电压值，也确实发现高电平对应的实际电压值并不恒定。为改善这样的情况，需把74LS161输出加到74LS175上，再把74LS175的输出加到CD4010上CD4010是缓冲器，可以把不稳的输入电压缓冲为稳定的输出电压，而且电流加大，大大加强了带负载的能力。74LS175和CD4010共同组成了缓冲器，虽然对电路的逻辑功能没有影响，但却是实现电路功能不可或缺的一部分。综上所述，电路应分为压频转换波分、计数部分、全电阻网络部分和信号放大部分。选取的芯片为：A741、74LS161、74LS175、CD4010一方案论证1.1提出方案方案一：基于模拟电路的设计方案 基于模拟

7、电路的阶梯波信号产生电路如图2所示，它实际上是将方波序列转变为阶梯波的电路。这样，在一个周期中，两端的电压增量为： 由于二极管保证了电荷只能单向传输，所以每一个阶梯的电压幅度均为vC3，保持时间与方波的周期相等。这样，每当方波经过一个周期，输出波形就变化一个阶梯vC3。在忽略复位时间时，阶梯波电压的周期可近似为： 其仿真电路图为： 为了得到一定的级数以及稳定平滑的输出波形，一般取C3(510C2。了阶梯波系统稳定，制作线路板时采用C2=0.04uF，C3=0.2uF，这样可以得到10级稳定的阶梯波形。- 6 -方案二：基于数字电路的设计方案仿真电路图为：首先对压控振荡器进行测试。用示波器观察C

8、LK 信号，发现电源V1确实能对CLK 进行频率控制，仿真成功。在仿真中，为方便起见，计数器直接采用74LS161，74LS161送出的结果直接加到权电阻上，经倒相后，得到了阶梯波形。 - 7 -直流电源用来提供稳定的电流；压控振荡器产生方波，其频率主要由输入电压决定；十进制计数器作为数模转换器的开关，通过数模转换器送出反向的阶梯波；通过反相器，最终得到正向的十阶波形。1.2方案论证数字电路精确度较高、 有较强的稳定性，可靠性和抗干扰能力强，数字系统的特性不易随使用条件变化而变化，尤其使用了大规模的集成芯片，使设备简化，进一步提高了系统的稳定性和可靠性，在计算精度方面，模拟系统是不能和数字系统

9、相比拟的。为此，许多测量仪器为满足高精度的要求，只能采取数字系统。数字系统有算术运算能力和逻辑运算能力，电路结构简单，便于制造和大规模集成，可进行逻辑推理和逻辑判断；具有高度的规范性，对电路参数要求不严，容易大规模集成和大规模生产，价格不断降低，这也是其发展迅速的原因之一，由于采用了大规模集成电路，数字系统体积小重量轻，可靠性强，使用方便灵活。另外，由于数字电路功耗低，因而可以有很高的集成度，也就是功能更强大。数字信号处理具有稳定、不需要调试、设置和修改方便，容易实现自适应处理，等等，这些都是数字电路比模拟电路优越的地方。具有算术运算能力和逻辑运算能- 8 - 力，可进行逻辑推理和逻辑判断。为

10、了得到更精确的波形，采用数模混合方案即第二个方案。具有算术运算能力和逻辑运算能力，可进行逻辑推理和逻辑判断。二基本原理2.1压频转换部分 - 9 -压频转换是将一定的输入电压信号按线性的比例关系转换成频率信号，当输入电压变化时，输出频率也相应。通常它的输出是矩形波。上图采用的是电荷平衡式压频转换电路，滞回比较器的阈值电压为 ±UT=±R4/R5·UZ在波形图的T2时段，UO1是对UI 的线性积分，起始值记作UT ，终值记作UT ，因而T2应满足UT （1/R1C）·UI T2UT ，解得T2(2R4R1C/R5·(UZ/|UI|当R1R2 时，

11、振荡周期T T2，故振荡频率受控于输入电压。f 1T2R52R4R1CUZ ·|UI|2.2 计数器部分用74LS161集成计数器完成十进制计数，期中AD为四个输入端，QAQD为四个输出端，PT 为状态功能控制端，C r 为计数清零端，OC 为进位输出端。LD =0时可实现计数器预置输入；LD =1时，输入端的状态不影响输出端的状态，计数器仅计时钟脉冲CP 的个数。74LS175是常用的四D 触发器集成电路，可以用来构成寄存器，抢答器等 74LS175功能表 - 10 -RD CP 1D 2D 3D 4D 1Q 2Q 3Q 4QL X X X X X L L L LH 1D 2D 3

12、D 4D 1D 2D 3D 4DH H X X X X 保 持H L X X X X 保 持把数字信号转化为模拟信号称为数模转换，简称D/A转化实现数模转换的电路称为数模转换器，其原理是将二进制数字量形式的离散信号转换成以标准量（或参考量）为基准的模拟量的转换器，简称 DAC 或D/A 转换器。市场上有相当多的DAC 芯片，精度高，速度快。但是仅仅为了完成课设要求，没有必要采用集成的DAC 芯片。因此考虑到成本因素，我们决定采用分立元件搭建的电路。我们参考了数电书上的各种DA 电路，有权电阻、权电流、权电容等方案。因为课设DA 的频率要求不高，为了减小电路难度，最终我们采用了权电阻的DAC 设

13、计。这样的DA 转换最后会得到负电压，因此最后还应该加一个反相器。同时，这个反相器还可以起到调整波形幅度的目的。2.4 放大器部分 +A741管脚图运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out ）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。运放的供电

14、方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化2.5反相器部分施密特触发器（CD40106）具有波形整形作用，同时又具有反相、延时、波形变换、检幅等功能，其管脚排列如下图所示： 集成运放有同相输入端和反相输入端，这里的“同相”和“反相”是指运放的输入电压与输出电压之间的相位关系。根据电路要求，选用集成运放的反相输入端。反相比例运算电路是典型的电压并联负反馈电路。输入电压 通过电阻作用于集成运放的反相输入端，故输出电压 与输入电压 反相。同相输入端通过电阻 接地， 为补偿电阻

15、，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性。三实验装调过程首先用万用表对元器件进行测试，确定元器件完好。然后测试面包板，确定面包板的导通状态（横向导通还是纵向导通），然后按照所设计的电路图进行布线，要求连线尽量整齐、简明。然后按照电路原理图连线。对每个模块可以分别连线然后分别检查。确定各个模块功能无误之后再对各模块连接以检查模块间的匹配问题。在这个思路下，我们首先对压控振荡模块进行了调试。由于压控振荡模块是按照标准图连线的，所以其调试比较简单，主要集中在输入电压与输出频率的匹配上。最终我们把电容选择为1u ，再对滑动变阻器进行调节，得到了题目要求的电压频率关系。（1） 电压信号经积分器后形成的

16、三角波图（2） 三角波经滞回比较器后形成的方波换图 对应为0.5V 对应为2.3V我们发现电压范围与频率范围并不是对应的。咨询过老师后，最终我们选择了0.5V 对应600Hz ，然后上限不对应的方案。（3） 对计数器的调试。为体现分模块化的设计思想。调试计数器部分时输入脉冲选择的是实验板上的单步脉冲，然后将四个输出端对应接到实验板的数码管上。显示十进制计数。（4） 然后是对DA 转换的调试。经过这样的改善，对于单脉冲输入已经可以较好的产生间隔相等的电压值。但是一旦把脉冲接到实验板的1KHz 固定脉冲源上就产生了错误结果。经过检查发现是74LS161的EP 、ET 、LOAD 没有接高电平。虽然

17、对TTL 芯片来说空接可以认为是接高，但实际的电路结果却显示这样接在频率较高的情况下会引发错误。在把EP 、ET 、LOAD 接高电平之后，电路的结果就正常了。但是把这样的电路接到示波器上后发现波形却与要求不符：对应较大几个数的台阶消失了：开始时我们也找不到原因。后来用万用表实测DA 输出电压，终于发现了问题所在： 对于初始状态，计数器计数是0，经过DA 转换得到的电压约是0V 。这是完全符合原理的。 之后再输入一个脉冲，使计数器的计数为1，并对此时的输出电压进行测量，发现输出是3.1V 。(反相前 这说明数字量变化1对应的电压变化大约是3.1V 。就原理来说这也是没有问题的。 然后再对数字量

18、变化之后产生的模拟量依次测量，发现在数字量等于5时模拟量已经达到约13V 了。这就意味着再增加数字量也不能线性地增加模拟量了，因为A741的电源电压也不过+/15V ，再增加数字量也不可能让运放输出比工作电压高的电压。这与示波器上看到的波形图是一致的。过对权电阻数模转换电路的分析，发现其工作原理是这样的：运放正极接地，负极虚短，电位也为零。输入电压加到权电阻后转换为，再对电流求和。和电流再经过负极与输出级之间的电阻把电流量转为电压量（负值）。数模转换电路之所以工作是因为权电阻的阻值之比是严格的8：4：2：1，产生的电流也是严格的遵守这个比例的。这个过程与负极与输出级之间的电阻无关。而最后转换出

19、来的电压却与负极与输出级之间的电阻成比例。这样我们就想到将这个电阻的阻值减小，以减小最大电压，保证其能稳定在运放的工作电压内。而最后的电压幅值与这个电阻和反相电路的参数都有关。为达到题目要求可以在反相电路中修改参数。经过调整，示波器的波形变为： 这就证明了我们的理论是正确的，至此，DA 模块的调试结束。（5） 模块间的连接调试。经过上面的调试，各模块都已经工作正常了，只要把模块与模块连接就可以了。但是我们又发现压控振荡模块与后级相连后得不到应得的结果。将压控振荡模块去掉，CLK 选择实验板上的固定脉冲时，后级又工作正常。单独把压控振荡模块的输出接到示波器上又发现其波形没有问题。经过观察发现，压

20、控振荡模块输出的波形占空比太大，我们猜测这样的波形不能被74LS161识别出来。 所以我们又在压控振荡模块的输出上加了一个CD40106集成施密特触发器。施密特触发器能够把不标准的脉冲整形，成为标准的矩形波，从而可以被74LS161识别出来。经过CD40106整形的压控振荡波的波形为： 从示波器看，CD40106输出的波形非常整齐，应该完全可以被74LS161识别。将CD40106的输出接到74LS161后再看最后的波形，发现波形终于正常了。至此，本次课设的实验效果全部达到。最后得到的波形为： 四实验结论及误差分析4.1数据记录实验中系统输入输出数据 4.2误差分析. 电源输出值非常精确，误差

21、基本为零。. 压控振荡器的输出频率：输入电压为为10v 时，理论频率是1000HZ ，但实际频率是924.2HZ ，经过调解滑动变阻器，使得它的频率为理论值，实测的滑动变阻器阻值比理论值大，原因可能是电路中电阻，电容存在误差，再者可能就是没有控制温漂，使频率出现较小误差，但误差在要求范围之内。. 总的输出电压值与理论值误差比较大，原因之一可能是因为数模转换器的权电阻和反馈电阻存在误差，之二可能是数模转换器没有控制温漂，因此误差比较大. 电阻、万用表不可能没有误差，在经过反相器时，由于反相器中的 和 的比例不可能完全为1:1,这也存在误差。此外，反相器温漂的控制也会产生误差。五心得体会为期四周的

22、的电子课程设计很快就结束了，这四周给我的感触很深、收获很多：经过查资料、选方案、设计电路、撰写设计报告、使我得到一次较全面的工程实践训练。理论联系实际，提高和培养创新能力，为后续课程的学习，毕业设计打下扎实的基础。我们的课设题目由于基础知识运用不灵活没能如期完成，小组成员都没有放弃，充分利用课余时间去实验室，咨询老师和助教，终于在多番周折之后成功做出了完整的十阶阶梯波。在此次的电路设计过程中, 我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法，夯实了数点模电基础，懂得了如何灵活运用学过的知识，不盲目拘泥课本，根据实际情况选取最优化的电路。积极地参与电子课程设计设计，不仅让我充分的体会到自己动手实践的乐趣，获得哪怕是前进一小步时候的那种成功的喜悦，还能学到很多我们在理论课中学不到的知识。有利于我们学习能力的提高。包括获取资料的能力、理解前人思路的能力