电子系统课程设计报告 数控脉冲信号发生器文档格式.docx

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设计并制作一个数字控制脉冲信号发生器。

设计要求：

1.基本部分

（1）输出1kHz～15kHz的方波脉冲信号，占空比50%，波形良好，无明显失真。

（2）信号发生器输出电阻不限，在负载电阻为100Ω时，输出脉冲信号电平满足TTL电平要求。

（3）输出信号频率可通过拨码开关输入二进制数字预置，步进频率1kHz（即可输出信号频率1kHz、2kHz、3kHz、……、15kHz），要求拨码开关所预置的二进制数值即为输出频率值（单位：

kHz）。

输出信号频率的精度和稳定度要求优于10-4。

2.发挥部分

（1）输出信号频率范围2.0kHz～20.0kHz，步进频率0.1kHz（即可输出信号频率2.0kHz、2.1kHz、2.2kHz、……、19.9kHz，20.0kHz）。

（2）设计信号发生器输出电阻为50Ω。

在负载电阻为50Ω时，输出信号高电平5V，低电平-5V，误差不大于10%。

（测试时分别测信号发生器空载输出电平UOpen和带负载时的输出电平ULoad，应满足UOpen=2*ULoad）

（3）增加按键输入和显示功能。

要求用按键（可用成品键盘或用按键开关自制，按键数量不限）输入信号频率（按键输入方式不限），利用数码管或液晶显示器显示键入的数字和当前输出信号频率。

（4）增加输出保护功能。

当信号发生器输出发生短路时，自动启动保护电路，切断输出并发出报警。

短路去除后，自动恢复正常输出。

2设计方案及论证

2.1任务分析

因为我们直接做的是发挥部分，所以跳过了基本部分。

根据设计任务的要求我们的设计主要包括以下几个部分：

（1）首先是第一部分：

输出范围为2.0kHz～20.0kHz，步进频率0.1kHz的方波脉冲信号。

根据要求，这一部分我们主要设计的是分为信号产生、分频、锁相和步进四个主要模块。

信号产生：

这部分是要设计出信号发生电路来产生我们所要的脉冲信号，根据任务中要实现的信号频率范围，我们要考虑到信号发生器件的振荡能力，要尽量考虑到各方面原因选择一种最优振荡源。

然后是根据所选的振荡源构成合适的振荡电路，参数的选取根据振荡源的不同而去计算和选择，比如滤波电容的选取一般在20~30PF左右，振荡电阻一般要较大来防止晶体被过分驱动等等。

分频：

这部分主要是要对产生的信号进行分频和步进控制，根据任务要求，我们要产生输出范围为2.0kHz～20.0kHz，步进频率0.1kHz的方波脉冲信号，所以我们要分频使产生的信号达到1kHZ的基准，步进则是通过分频在步进基准频率的基础上达到倍增效果从而实现0.1kHZ的步进。

我们可以选择合适的计数器来构成分频电路或者直接采用分频器。

锁相：

这一部分要用到的是锁相环电路的知识，我们要选择一种合适的锁相环电路或者是芯片来实现。

根据任务要求，我们要对环路滤波器的参数进行设计，因为要将鉴相器比较得到的相位差转换成电压，我们要设计它的截频

（式2-1）.其次，对压控振荡器的参数也要进行设计，主要是根据芯片手册进行的设计，从理论上算出震荡电容、电阻和解调输出电阻的大小。

（2）第二部分（发挥任务2）：

这一部分是要通过功放来实现信号的放大，从而达到输出信号电平的正负值范围的要求。

所以我们应该选择适当的功放或运放来实现信号的放大。

根据计算，要达到任务要求要满足功率

则

（式2-2），然后再结合芯片手册对所要满足的参数进行选择和电路的设计。

（3）第三部分：

用按键或开关输入信号频率，利用数码管或液晶显示器显示键入的数字和当前输出信号频率。

具体是要通过键盘或开关控制步进计数，在通过显示将输入的频率显示出来。

（4）第四部分：

保护电路主要是要在电路输出端短路时对电路进行的一种保护措施，在电路输出短路时能自动切断或进行其他行为的保护或者是提醒，达到对电路的保护功能。

具体参数设计主要根据输出脉冲的特性来设计。

2.2方案比较

方案设计：

根据系统设计框图我们的方案制定也主要是按照这个思路来进行的。

主要是其中每部分的设计选择的器件及相应原理有所不同而产生的两种方案：

第一部分的设计分为信号产生、分频、锁相和步进四个主要模块。

方案一：

用晶振和CD4060构成振荡分频电路；

用74HC191进行分频和步进设计，用的是预置减法计数器分频；

用CD4046进行锁相环电路部分功能实现。

方案二：

用555定时计数器形成信号发生电路；

用74HC191进行分频和步进设计，用的是预置加法计数器分频；

第二部分实现输出信号电平的正负值范围的要求。

用TDA2822M功放实现信号的放大

用LM324集成运放进行放大

第三部分显示控制部分

用单片机加矩阵键盘和液晶显示屏来实现

用开关控制和七段数码管进行显示

第四部分保护电路部分

采用整流桥、比较器和继电器来实现

采用比较器和继电器实现

方案一和方案二的主要区别就如上所述在各个部分的设计选材上有所不同。

我们主要的系统框图如下:

图2-2-1

设计思路：

利用锁相环产生所需信号

利用石英晶体振荡器产生基本频率

利用功率放大电路输出功率，满足输出带载要求

利用单片机或可编程逻辑器件（分立器件亦可）实现按键预置及显示

利用取样电阻和电压比较器检测输出，反馈控制继电器实现输出保护

2.3系统结构设计

通过比较我们选择方案一作为最终方案，具体设计如下：

（1）第一部分：

我们可以将这一部分分为信号产生、分频、锁相和步进四个主要模块。

这部分我们选用的脉冲产生源是晶振，因为晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确，根据分析我们打算采用16.38M的晶振。

但是晶振需要外加振荡电路才可以产生振荡脉冲，而且脉冲波形的占空比是不可调的，所以需要另外设计振荡电路构成脉冲发生器。

晶体振荡器电路可以提供一个频率稳定准确的方波信号，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一信号。

所以我们又用到了接下来的CD4060来进行晶体振荡器的分频。

这部分主要是要对产生的信号进行分频和步进控制，根据任务要求，我们要产生输出范围为2.0kHz～20.0kHz，步进频率0.1kHz的方波脉冲信号，我们采用的芯片是CD4060和74HC191。

CD4060：

CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路，CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。

所有的计数器位均为主从触发器。

在CP1（和CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数。

在时钟脉冲线上使用斯密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。

我们可以根据选择的晶振大小和分频结果对它进行设计。

因为我们用的是16.38M的晶振，根据需要输出1kHZ的信号，所以要进行14级分频，即

（式2-3），同时根据晶体振荡电路的构成选择滤波电容15~30PF和电阻。

74HC191：

是一种可逆计数器，在这里我们用它来进行分频。

我们主要在步进的设计上用到了它，因为要进行0.1kHZ的步进，我们先把CD4060输出的1kHZ信号再进行10分频得到100HZ，再经过锁相环进行鉴相比较；

然后是对锁相环VCO输出信号进行步进分频，我们用两片191进行8位扩展计数分频，得到100HZ与锁相环输入进行鉴相比较。

我们用的是减法计数的方法。

这部分我们用的是CD4046。

cD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），我们根据它内部的锁相环电路对输入信号进行锁相和压控振荡比较输出。

.其次，对压控振荡器的参数也要进行设计，主要是根据4046的芯片手册进行的设计，从理论上算出震荡电容、电阻和解调输出电阻的大小。

（2）第二部分：

我们设计选用的芯片为TDA2822M，它是8脚双集成功率放大器，我们打算用其中的一个集成功放对输出的方波信号进行功率放大从而达到任务要求。

，结合TDA2822M芯片手册对所要满足的参数进行选择和电路的设计。

显示部分主要打算通过单片机、矩阵键盘和液晶显示频进行输入和显示的控制。

任务主要是要通过键盘或开关控制步进计数，在通过显示将输入的频率显示出来。

我们设计的是是通过单片机的3个P口连接键盘、液晶显示屏和两片191计数器的输入，通过程序的编程用键盘控制端口控制显示和计数步进分频端口，从而实现功能。

保护电路主要是要在电路输出端短路时对电路进行的一种保护措施，我们设计的保护部分是通过整流、比较器和继电器来实现的。

整流是想把放大的（正负）脉冲信号转为单极性信号，在经过比较器与一个设定的门限值进行比较，得到大于门限或小于门限两种输出（0或1电平），再将输出接入继电器实现短路报警保护电路的功能。

具体参数设计主要根据输出脉冲的峰峰值取一合适的门限。

比较器我们选用的是LM311，继电器是SRD-05VDC-SL-C。

系统原理：

锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL）。

锁相环的特点是：

利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。

因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。

锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。

锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图2-3-1所示。

图2-3-1

锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。

锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，当输入的两个信号的相位差等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态。

结构框图：

图2-3-2

其中每部分器件分别为（从上到下，从左到右依次为）16.38M晶振、CD4060、CD4046、TDA2822M、74HC191、单片机和液晶显示屏及矩阵键盘、LM311、继电器是SRD-05VDC-SL-C

2.4具体电路设计

主要元件清单：

CD4060（晶体振荡器1个），74HC191（分频器3个），4071（二输入或门1个）

CD4046（锁相环1个）、TDA2822（功率放大1个）、LM311（比较器1个）、电磁继电器1个、电容电阻若干

具体电路原理图：

（总体）

图2-4-1

1.晶体振荡部分

这部分主要参数有C3和R4

参数取值：

C3=20pF,R4=3MΩ（C3一般取值为20~30pf，R4为100k~10M）

图2-4-2

2.10分频部分

预置值为1010（D3D2D1D0），因为是异步清零

图2-4