简易发生器与频率计数器设计概要.docx

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简易发生器与频率计数器设计概要

********学院

课程设计任务书姓名学号

班级学院

课程电子技术综合

题目简易信号发生器和简易频率计

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:

2Hz—20KHz,分为4档:

2—20Hz;20—200Hz;200Hz—2KHz;2—20KHz;

（2幅度可调范围:

0—5V;

（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:

1—100KHz,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。

时间进度第17、18周2010.12.27-2011.1.7

星期一、二预设计及验收

星期三、四、五计算机仿真及仿真结果验收星期一上午发放元器件、领取工具

星期一下午焊接

星期二、三、四安装、调试、教师验收

星期周五打印图纸、写设计报告

主要参考资料【1】康华光.电子技术基础.高等教育出版社

【2】任为民.电子技术课程设计指导书.北京大学出版社

摘要:

函数信号发生器是一种能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波、正弦波的电路。

函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。

通过对函数波形发生器的原理以及构成分析,可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。

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,先通过比较器产生方波,再通过积分器产生三角波,最后通过差分放大器形成正弦波。

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。

数字频率计属于时序电路,它主要由具有记忆功能的触发器构成。

在计算机及各种数字仪表中,都得到了广泛的应用。

在电子技术中,频率是最基本的参数之一,并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系,因此频率的测量就显得更为重要。

测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速,以及便于实现测量过程自动化等优点,是频率测量的重要手段之一。

关键词:

函数信号发生器方波三角波正弦波

数字频率计测量频率过程自动化触发器

Abstract

Functionsignalgeneratorisabletogenerateavarietyofwaveforms,suchasthetrianglewave,sawtoothwave,rectangularwave（includingsquarewave,sinewavecircuit.Functionsignalgeneratorhasaverywiderangeofusesinthedetectioncircuitexperimentsandequipment.Functionwaveformgeneratorprincipleandcompositionanalysis,designcantransformatrianglewave,sinewave,squarewavefunctionwaveformgenerator.Thistopicusedjointlybytheintegratedoperationalamplifierwithtransistordifferentialamplifierconsistingofsquarewave-triangularwave-sinefunctiongeneratordesignmethod,thefirstcomparatorgeneratesasquarewave,triangularwavegeneratedthroughtheintegrator,formedbythedifferentialamplifiersine.Waveformconversionprincipleistousenonlineardifferentialamplifiertransfercharacteristiccurve.

Digitalfrequencymeterisatimingcircuit,itismainlyconstitutedbytheflip-flophasamemoryfunction.,Havebeenwidelyusedincomputeranddigitalinstrument.Inelectronictechnology,thefrequencyisoneofthemostbasicparameters,andmanyelectricalparametermeasurementsolutions,themeasurementresultsareverycloserelationshipbetweenthefrequencymeasurementbecomesmoreimportant.Measurementfrequencyvariety,electroniccountermeasuresthefrequencywithhighprecision,easytouse,rapidmeasurement,aswellasfacilitatetherealizationofthemeasurementprocessautomationisoneoftheimportantmeansoffrequencymeasurement

Keywords:

Functionsignalgenerator,squarewave,trianglewave,sinewaveDigitalfrequencymeter,measurementfrequency,process

automation,triggers

一、前言

本次课程设计是数电和模电知识结合的来实际运用,这次课设计,将设计电路、计算机仿真、安装调试等过程,全部结合在一起,并由此让我们掌握一些测试电路的基本方法,和一些集成器件的功能以及怎样运用的技能,通过这次课程设计让我们的理论和实践更好地结合起来。

二、总体方案设计

通过不同的电阻电容根据RC振荡电路的原理设计一个信号发生器正弦波、方波、三角波,经过整波放大之后传送到由一些集成器件构成的一个简易的频率计数器输入端进行计数。

三、设计原理

1.信号发生器

信号发生器的整体结构如下

（1正弦波

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,量程确定后通过电位器进行频率的微调。

（2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。

调偏电路频率可调正弦波正弦波振荡电路方波三角波

调节幅度

（3方波

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。

（4三角波

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。

方波和三角波的频率与正弦波的频率相同,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。

注意:

在测试三角波的时候,当积分常数过小,三角波幅值过大,会出现顶部和底部都失真的情况;当积分常数过大时,三角波的幅值过小,所以调节的时候要合适的调节三角波的积分常数。

（5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。

2.频率计

（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。

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

（2时钟电路、清零和锁存脉冲

晶振采用平常较为多见的时钟晶振,谐振频率为32.786kHz,用CD4060对其进行214分频,得到2Hz的信号,再由J-K触发器CD4027进行2分频得到需要的1秒的时钟信号。

u

t

ω带限幅过零比较器输出:

锁存信号

1S

待测信号

时钟信号锁存信号

清零信号

25Sμ25S

μ滤波后信号

u

t

ω放大后信号

u

t

ω待测信号

u

t

ω

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。

（3计数,锁存,译码,显示电路

同步六进制加法计数器构成,可以选择同步六进制加法计数器74LS160、同步十进制加法计数器74LS190或74LS192、双BCD码计数器CD4518等电路来实现。

本次实验采用了74LS160作为同步十进制加法计数器。

计数部分电路（只画其中两个如图所示

D03

Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO

15

ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1

U7

74LS160

D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO

15

ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1

U8

74LS160

D03Q014D14Q113D25Q212D3

6

Q311RCO

15

ENP

7ENT10CLK2LOAD9MR

1

U9

74LS160D03Q014D14Q113D25Q212D3

6

Q311RCO

15

ENP7ENT10CLK2LOAD9MR

1

U10

74LS160

U7（ENP

U6（MR

锁存器可采用8D锁存器74373或74LS273.本实验采用的是74LS273。

锁

存器的作用是将计数器在1S结束时的计数值进行锁存,使显示器上或得稳定的测量值。

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。

正脉冲结束后,输出不再改变。

译码器及数码管译码器可采用共阴极显示译码器74LS48或共阳极显示译码器74LS47,由于本实验中采用的是74LS48来实现的译码功能,并与六个数

码管相连。

四、电路调试与仿真

1、电路的调试

1方波—三角波发生器的调试

比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路,同时输出方波和正弦波,A1输出为方波,A2输出为三角波,微调RP

1

使三角波的输出幅度满足设计指标要

求,调节RP

2

则输出频率连续可变。

2三角波—正弦波变换的调试

1差分放大器传输传输特性曲线调试。

将C4与RP3的连线断开,经电容C

4输入差模信号电压uid=50mV,fi=10kHz的正弦波。

调节RP4及电阻R,使传输特性曲线对称。

再逐渐增大uid,直到传输特曲线形状如图2-3-2所示,记下此时对应的uid,即uidm值。

移去信号源,再将C4左端接地,测量差分放大器的静态工作点Io、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。

2三角波-正弦波变换电路的调试。

将RP

3与C

4

连接,调节RP

3

使三角波的输

出幅度经由RP

3

后输出等于uidm值,这时U03的输出波形应接近正弦波,调整

C

6

大小可以改善输出波形。

如果U03的波形出现如图3-1-1所示的几种正弦波失真,则应调整和修改电路参数,产生失真的原因及采取的相应措施有:

①钟形失真:

如图（a所示,传输特性曲线的线性区太宽,应减小RE2。

②半波圆顶或平顶失真:

如图b如示,传输特性曲线对称性差,工作点Q偏上或偏下,应调整电阻R。

③非线性失真:

如图（c所示,三角波的线性度较差引起的失真,主要受运放性能的影响。

可在输出端加滤波网络（如C6=100pF改善输出波形。

2、电路的仿真

方波---三角波发生电路的仿真

三角波---正弦波转换电路的仿真

五、焊接与调试

1、焊接部分

这次课设有两个板子需要焊接,器件也不少,虽然不用自己排版设计电路,但是将各个元器件正确的焊在板子上,也是需要很认真。

在焊接的时候,正确的理解原理图和各个器件的功能是很重要的。

因为对各个器件比

较熟悉,所以两三个小时就把板子焊好了,经过测试之后确定板子能够通路的话,就开始调试。

2、调试部分

经过测试之后确定电路板没问题,就开始通电调试。

首先是调试波形发生器的那块板子。

先通过调节RW1让A点产生正弦波,然后分别测出B、C、D三点的波形。

然后换成不同频率段的不同波形,若是不同长生波形或则失真的话。

就再次调节RW1、RW3等。

按照课设要求分别记录数据。

六、心得体会

此次课程设计是我们小组分工完成的,周一到周二我们按老师给的原理图开始认真了解此次课设的原理,整理思路,然后通过其他软件重新设计原理图然后进行仿真。

在老师发完器件之后,我们便开始进行焊接。

焊接可以说还是比较简单的,只要认真就行。

让我感触最深的调试阶段。

刚开始时,因为对示波器应用和原理图不是很了解。

所以一直调不出来波形。

后来在慢慢分析之后。

开始慢慢调RW1,通过A点测出正弦波之后,慢慢的调节其他的滑动变阻器,进而得到各个阶段的不同波形。

在调试三角波是最难的,因为它最容易失真,而且由于RC的不合适,得到的波形也是各种各样。

不过,我在其他班上倒是看到有同学做出来的,而且波形也很不错。

请教过别人之后,我就又重新调试,还是先调RW1。

然后调RW2,接着调节控制幅值的RW3和RW4。

最后终于调出来了。

因为板子上的器件好像反应不是太灵敏,你需要慢慢地调。

特别是在测量最大最小频率时,调节RW对波形的影响反应比较慢,需要慢慢来,不然的话波形会一直出不来。

频率计数器相对于波形发生器就简单一点,因为焊接没什么问题,所以通电之后就能正常工作。

不过对于正弦波当低于20HZ时,不能够正确计数。

不过方波和三角波能够准确的测到7HZ。

经过这次课程设计,我觉得以为对于实验要求的器件一定要有深入的了解,不能马马虎虎,对于器件的空脚问题,一定要搞清楚。

另外对于在电脑仿真能出来的电路图,在连好板子之后并不一定能成功,这时候就要慢慢的调试,一定不能着急。

而且,这时第一次模电和数电的综合设计,学到了不少东西。

特别是在示波器的应用和波形调试上。

只要原理没问题,一定能成功。

七、附录

参考文献

《数字电子技术基础》康华光高等教育出版社2005《数字电路逻辑设计（第三版》王毓银高等教育出版社2005《数字电路实验基础》崔葛瑾同济大学出版社2005

《数字电路实验与课程设计》吕思忠、施齐云哈尔滨工程大学出版社2001《电子线路设计实验测试（第三版》谢自美华中科技大学出版社2006《Multsim9在电工电子技术中的应用》董玉冰清华大学出版社2008《数字电路及制作实例》陈振官国防工业出版社2006

常用逻辑器件引脚排列示意图

16

15

14

13

12

11

10

4

5

6

7

1

2

3

9

8

LT/BIRBORBIBCD-七段译码器

CC4511

DD

Vf

g

a

b

c

d

e

A3A1A2

ASS

V输入

输出RBILHLLHHH××a~gL××××有效（测灯无效（消隐74LS47/48和CD4511功能表BIA3A2A1A0LT×

正常显示

××××LLLL×无效（消零8421BCD码16

15

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10

4

5

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1

2

3

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f

Yg

Ya

Y0A1A2

ALT/BIRBORBI

3

Ab

Yc

Yd

Ye

YBCD-七段译码器

74LS47

CCVGND16

15

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13

12

11

10

4

5

6

7

1

2

3

9

8

LT/BIRBORBIBCD-七段译码器

74LS48

CC

Vf

g

a

b

cd

e

0AGND

3

A1

A2

A

4

5

6

7

1

2

3

8

8D锁存器54AC273

CR9

10

GND

17

16

15

14

20

19

18

13

12

11

77665544QDDQQDDQCCV00112233QDDQQDDQCP

输入输出CPLHQn××

（清零8D锁存器54AC273功能表

LCRDn

L

LH

H

H（Qn=Dn（Qn=Dn

（备注

456712388D锁存器CT54/74LS373

EN

910

GND

17

16

15

14

20

19

18

13

12

11

77665544QDDQQDDQCCV00112233QDDQQDDQLE

输入

输出LELLQnH

保持8D锁存器CT54/74LS373功能表

ZENDn

L

LHL

H（Qn=Dn（Qn=Dn（备注

L×（高阻

HH××

4

5

6

7

1

2

3

8

8D锁存器74LS374/377

EN9

10

GND

17

16

15

14

20

19

18

13

12

11

77665544QDDQQDDQCCV00112233

QDDQQDDQCP

输入

输出CPLLQn××

保持

8D锁存器74LS374/377功能表

ZENDn

LLH

LH（Qn=Dn（Qn=Dn（备注H

××（高阻

4

5

6

7

1

2

3

8

4D锁存器CC4042

M

4D4

QSS

V17

16

15

14

20

19

18

9

1D1Q2

Q3

Q4Q2D3

DDDVCP1

Q2Q3Q

输入输出CPLLQn×

4D锁存器CC4042功能表

MDnH

Qn=Dn（透明Qn=Dn（锁存（备注H×L××Qn=Dn（透明Qn=Dn（锁存

H

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12

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10

4

5

6

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1

2

3

9

8

1R4R-S锁存器CC4044

DD

VSS

V1S

1Q

2R

2S2Q

3R

3S

3Q

4R

4S

4QEN

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10

4

5

6

7

1

2

3

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8

1R4R-S锁存器74LS279

CC

VGND

1AS1B

S1Q2R2S

2Q3R

3A

S3Q

4R

4S

4Q

3B

S

16

15

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12

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10

4

5

6

7

1

2

3

9

8

31Q1CP11Q01Q1CR21Q双十进制计数器

CD4518

DDVSS

V1EN32Q2CR12Q02Q2CP

22Q2EN输入输出

CP

CRLLHHQ3Q2Q1Q0××保持

加法计数LCD4518功能表LLLLEN加法计数其它状态

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1

2

3

9

8

1/EXTEXTRC1Q

1A1B1CR

1Q

2Q2Q

2CR2B2A

双单稳态触发器

CD4538

DDVSS

V1EXTC2/EXTEXTRC2EXTC输入输出QAB

L

LHQH双单稳态CD4538功能表

××××××L

HH

L

H

LHLH

CR

16

15

14

13

12

11

10

4

5

6

7

1

2

3

9

8

1/EXTEXTRC1Q1A1B

1CR

1Q

2Q2Q2CR2B

2A

双单稳态触发器

74LS123

CCVGND

1EXTC2/EXTEXTRC2EXTC

输入输出QAB

L

LHQH双单稳态74LS123功能表

××××××L

HH

LHLHLH

CRLH

4

1

2

3555定时器

TH

D

vGND5

8

7

6

D

Rco

vCCVo

uTL

16

15

14

13

1211

10

4

5

6

7

1

2

3

9

8

振荡分频器HCC/HCF4060

DDVSSV1213146574QQQQQQQ1089QQQR

100φφφ

简易函数信号发生器元器件清单

序号名称型号及参数数量

1C11、C211uF2

2C12、C22、C320.1uF3

3C13、C23、C330.01uF3

4C14、C24、C341000pF3

5C312uF1

6D1、D21N41482

7DZ1、DZ21N47312

8RW100K（双联、含旋钮1

9RW3100K（32961

10RW1、RW2、RW410K（32963

11R6、R77.5K2

12R8R205.1K2

13R96.2K1

14R10~R14、R5、R1710K7

15R15、R16100K2

16R18、R19、R22、R231K4

17RP15101

18U1、U2、U3NE55323

19排针2×43

20排针2×31

21排针2×21

22LED1电源指示发光二极管1

23OUT+、OUT-测量信号输入端2只

24电源接线端子3位端子（电源接口1只

25测试针A、B、C、D4

26印刷电路板PCB板1