低频正弦信号发生器课设完结版Word格式文档下载.docx
《低频正弦信号发生器课设完结版Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低频正弦信号发生器课设完结版Word格式文档下载.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第一章系统概述..........................................................3
第二章单元电路设计........................................................4
第一节正弦信号产生和放大电路模块设计..................................4
第二节频率的数字显示..................................................8
第三节数字电压表设计..................................................14
第三章系统综述..........................................................19
结束语......................................................................21
参考文献...................................................................21
鸣谢.......................................................................21
元器件明细表..............................................................22
收获与体会，存在的问题......................................................22
评语........................................................................23
低频正弦信号发生器
摘要
正弦信号发生器是信号中最常见的一种，它能输出一个幅度可调、频率可调的正弦信号在这些信号发生器中，又以低频正弦信号发生器最为常用，在科学研究及生产实践中均有着广泛应用。
本设计采用RC选频率网络构成的振荡电路产生所需正弦波。
RC振荡电路适用于低频振荡，结构简单,经济方便，一般用于产生1Hz-1MHz的低频信号。
本文用于输出正弦波工作状态，正弦波产生后通过同相比例放大电路对信号进行放大，从而满足设计要求；
电压的数字显示主要由555定时器构成的放大整形电路，时基电路和控制电路构成，最终由十六进制加法器74LS160，锁存器74LS373，译码器74LS48使数码管显示电压；
频率数字显示主要由芯片MC14433,MC1413,MC4511和MC1403构成。
关键词低频正弦信号信号发生器放大电路电压显示频率显示
技术要求
1．信号频率范围20HZ～20kHZ；
2．输出信号电压幅度
5；
3．输出信号频率数字显示；
输出电压幅度数字显示。
4．
第一章系统概述
根据任务书的要求，系统可分为三大部分，即正弦信号的产生；
输出频率的范围和其显示；
输出电压的幅度和显示，我们采用RC选频率网络构成的振荡电路产生正弦信号，信号产生后再通过同相比例运算放大器来满足输出电压的幅度要求，然后通过555定时器组成的施密特触发器，单稳态电路，多谐振荡电路对其放大整形和控制，最终通过十六进制加法器74LS160，锁存器74LS373，译码器74LS48使数码管显示电压，由于本学期刚学过555定时器，74LS160,74L48等芯片，设计过程中易于理解和操作，其次是电压的显示，我们采用集成电路MC14433,MC1413,MC4511和MC1403设计成数字电压表，实现对电压的显示。
其中MC14433的作用是将输入的模拟信号转换成数字信号，MC1403为MC14433提供精密电压，供MC14433A/D转换器作参考电压，MC4511的功能是将二-十进制转换成七段信号，MC1413的作用为驱动显示器的a,b,c,d,e,f,g七个发光段，驱动数码管进行显示，数码管只将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果，该模块集成度高，外围电路简单，便于实现。
以下为电路的系统框图：
电路系统框图
第二章单元电路设计
第一节：
正弦信号产生和放大电路模块设计
1.1正弦波发生器
正弦波发生器是本设计的核心部分，以下介绍四种方案：
方案一：
采用传统的直接频率合成法直接合成。
利用混频器，倍频器，分频器和带通滤波器完成对频率的算术运算。
但由于采用大量的倍频，分频，混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。
方案二：
采用锁相环间接频率合成（PLL）。
虽然具有工作频率高，宽带，频谱质量好的优点，但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。
另外，由模拟方法合成的正弦波的参数（如幅度，频率和相位等）都很难控制，而且要实现大范围的频率变化相当困难，不易实现。
方案三：
用函数产生芯片直接产生所需信号。
采用MAX038函数产生芯片，通过设置管脚参数的输入，可设计组成产生幅频精度很高且易于调整的波形信号，该波失真度很小，而且可实现的频率范围很大，在电路参数要求苛刻的工作场所能够得到较好的应用，用该芯片设计组成的信号产生电路集成度高，而且简单，容易控制。
方案四：
采用RC选频率网络构成的振荡电路产生所需正弦波。
RC振荡电路适用于低频振荡，结构简单,经济方便，一般用于产生1Hz~1MHz的低频信号。
由以上分析可知，方案一和方案二不易实现，方案三虽然可行，但MAX038已经停产，所以我们选择第四种方案中的RC选频率网络构成的振荡电路来实现所需正弦波。
1.2RC桥式振荡电路及工作原理
图1为RC串并联正弦波振荡电路，其放大电路为同相比例运算放大器，反馈网络和选频网络由RC串并联网络组成。
图1RC串并联正弦波振荡电路
由RC串并联网络的选频特性可知，在w=w0=1/RC或f=f0=
时，RC选频网络的相角为0，而同相比例运算放大电路的相位差为0，从而满足振荡的相位条件。
由于RC串并联网络的选频特性，使信号通过闭合环路AF后，仅有f=f0=
的信号才满足相位条件，因此该电路振荡频率为f0，从而保证了电路输出为单一频率的正弦波。
为了使电路能振荡，还应该满足起振条件，即要求AF
1。
由于w=w0时，F=1/3，则要求A=1+
>
3
，即Rf
，输出波形就接近正弦波。
振荡电路起振后，如一只维持A>
3,则因振幅的增长，致使放大器件工作到非线性区域，波形将会产生严重非线性失真。
为此必须设法是输入电压的幅值在最增大的同时，让AF的绝对值适当减小，以维持输出电压的幅值基本不变。
图2具有二极管稳幅环节的RC串并联正弦波振荡电路
通常可以在放大电路中采用非线性原件来自动调节反馈的强弱以维持输出电压恒定。
我们可以利用二极管的非线性特性来实现。
如图2所示的电路，图中的两个二极管D1，D2便是稳幅元件。
当输出电压的幅度较小时，电阻R4两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由R3、及R4决定；
当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与R4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。
输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。
1.3放大电路的设计
由于设计要求的电压幅度为5V，上述图2所示信号产生电路不能满足要求，因此必须对产生的信号进行二级放大，本设计的放大电路主要由同相比例器来担任。
图3同相比例器
同相比例运算放大器的放大倍数Au=1+Rf/R1。
1.4正弦信号发生总电路
把上述各分电路集中在一块电路板上,共用电源和接地后,整个信号发生器的结构变得紧凑美观，集成电路图如图4所示。
图4正弦信号发生总电路
调整电阻
和
（即改变了反馈
），使电路起振，且波形失真最小。
如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大
，如波形失真严重，则应适当减少
=
）。
改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。
一般采用改变电容C作频率量程切换（粗调），而调节R作量程内的频率细调。
本设计要求输出地正弦波的频率为20HZ～20KHZ,因此由式f=
取值应满足以下关系：
当f0=20HZ时，RC
0.08;
当f0=20KHZ时，RC
;
因此当R=200K时，C的变化范围约为40pF～0.04uF。
调节滑动变阻器R6可以改变放大倍数，可帮助电路起振，调节滑动变阻器R9可进一步改变输出波形幅度，可以实现幅值从1～5V之间的调节变化。
通过Multisim软件调试后可得仿真的结果如下图5所示。
图中信号幅值较小的为初级放大后的输出信号，另一个为二级放大后的输出信号。
图5放大电路仿真结果图
第二节：
频率的数字显示
电路设计中要求输出的频率能够进行数字显示，本电路中频率显示电路利用555定时器构成控制电路，时基电路和延时电路，控制计数器对输入信号进行计数，延时和清零，将计数结果用锁存器锁存输出到数码管驱动器驱动数码管静态数位显示。
一总体框架图如下
图6频率显示计总体框架图
二基本原理
为了提高输出信号的频率的精确度和稳定度本设计设置了频率检测电路，该电路先使检测信号通过由555构成的施密特触发器将正弦信号转化成同频率的脉冲信号。
将被测信号直接加到主控门的输入端，时基信号经控制电路产生闸门信号至主控门，只有在闸门信号采样期间（时基信号的一个周期），输入信号才能通过主控门。
对于频率为f的周期信号，用一个标准闸门信号（闸门宽度为TG）对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N时f=N/TG。
改变时基信号的周期范围TG时，即可得到不同的测频范围。
第一档：
最小量程档，最大读数是999.9HZ，闸门信号的采样时间为10S。
第二档：
最大读数是9.999KHZ，闸门信号的采样时间为1S。
第三档：
最大读数是99..99KHZ,闸门信号的采样时间为0.1S。
当主控门关闭时，计数器停止工作，显示器显示记录结果，此时控制电路输出一个置零信号，为后续新的取样做好准备，即能锁住一次显示时间，使其保留到接受新的取样为止。
三总体设计与原理
3.1整波电路
具体电路图7，并进行仿真，得到输入波形与输出波形如图8
图7整波电路
图8整波电路仿真图
3.2时基电路
频率显示计的时基电路是采用555构成的多谐振荡器，控制计数器的输入脉冲。
多谐振荡器不需要外加输入信号，只需要接通电源，就能自动产生矩形脉冲信号，矩形脉冲信号的频率是由电路参数R，C决定的，其电路图如图9。
当标准时间信号（1S正脉冲）到来时，闸门开通，被测信号通过闸门进入计数器；
当标准脉冲结束时，闸门关闭，计数器无脉冲输入。
计数器的CP脉冲信号是由待测信号和闸门信号的与门来实现的。
图9时基电路
其中T1=0.7（R5+R6）C3=1.022S
T2=0.7R6C3=0.25S
3.3控制电路
3.3.1锁存信号和清零信号的产生
频率显示器的控制电路是由555构成的单稳态电路。
单稳态触发器的特点是：
它有一个稳态和一个暂稳态，在外加脉冲作用下，电路从稳态发转到暂稳态，依靠R，C定是电路的充，放电过程来维持暂稳态时间，当拨码开关拨到C4档时，频率计为第二档位，产生的方波高电平时间长度为T1为1S，低电平时间长度T2为为0.25S，然后自动返回稳态。
其电路图如图10所示。
同理，当拨码开关拨到C3时，闸门信号为10S，频率计为第一档位。
拨码开关拨到C5时，闸门信号为0.1S，频率计为第三档位。
控制电路利用标准时间信号结束后产生的负跳变来产生锁存信号，同时锁存信号经过反相器又产生清零信号。
将时基电路的的输出信号与控制电路的输出信号在multisim11中进行仿真，得到如图11。
图10控制电路
图11锁存信号（上）与清零信号（下）
3.3.2延时信号的产生
图12延时电路图
延时电路由D触发器4013BD_10V，积分电路（有电位器R1和电容C1组成），非门U1A以及单稳态组成，如图12所示，由于4013BD_10V的D端接VCC，因此，在清零信号所产生的上升沿的作用下，4013BD_10V翻转，翻转后Q非=1，由于开机置零，则Q非=1，经过二极管迅速给电容C1充电，是C1两端的电压达到“1”，而此时Q非=0，电容器C1经过电位器RW缓慢放电。
当电容器C1上的电压放电至与非门U1A的阀值电平VT时，与非门的输出端立即产生一个上升沿，触发下一级单稳态电路。
此时，电路输出一个正脉冲，该脉冲宽度主要取决于时间常数C2、R3的值，延时时间为上一级电路的延时时间及这一级延时之和。
如果电位器R1用510电阻代替，C1取3uf，则总的延时时间即显示时间为3S左右，如果电位器R1用2M电阻代替，C1取3uf，显示时间可达到10S，可见调节电位器可改变显示时间。
3.4锁存器的使用
锁存器的作用是将计数器在1S结束时的计数值进行锁存，使显示器获得稳定的测量值。
当时钟脉冲CP的正跳变到来时，锁存器的输出端等于输入，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。
我们采用74LS373，其管脚图如图13
图1374LS373管脚图
D1---D8是数据输入端
Q1---Q8是输出端
OC是三态允许控制端，低电平有效
ENG锁存允许端
当OC为低电平时Q1---Q8为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OC为高电平时，Q1---Q8为高阻态即不驱动负载。
当ENG=1时Q随D改变而改变。
当ENG=0时，Q被锁存在已建立的数据电平。
对于我们设计的电路ENG端是由控制电路的输出信号决定的。
3.5计数器及数码管的显示
由于频率显示的范围是20HZ----20KHZ，则计数器能计数的最大数不小于20000，将4片同步十进制计数器74LS160进行级联即可实现对10000个脉冲数以下的脉冲计数，通过控制小数点位置的移动，可使最大读数达到99.99KHZ。
4片计数器的清零端是由控制电路产生的，CP脉冲端是由待测信号经整波后产生的矩形波提供的。
其级联电路图如图14。
从右到左依次是十进制的个位，十位，百位，千位。
小数点的位置根据量程的改变而自由移动。
将计数器的输出值通过锁存器输送到共阳极译码管驱动芯片74LS48，驱动数码管显示。
通过延时电路可改变数码管显示频率的长短，便于读数。
图14计数器级联
第三节：
数字电压表设计
设计数字电压表，以A/D转换器MC14433为核心器件，它有多路调制BCD码输出端和超量程，采用动态扫描显示，便于实现自动控制。
它连接着输入放大器、基准电源、计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。
其中，A/D转换器将输入的模拟量转换成数字量，逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换器中各组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。
A/D转换结果通过计数译码电路变换成笔段码，最后驱动显示器显示相应的数值。
图15频率倍数控制电路
图16数字电压表电路图
备注：
1.单刀双掷开关的电压输入端Uo接信号发生器的电压输出端，电压输出端Ui接数字电压表的输入电压端，即引脚3.
2.单刀双掷开关接的电阻，当S接到左边的开关时，则将信号发生器输出的电压缩小了10倍，当数码管上显示电压时，对于读出的数字应该乘以10,，此时的结果才是真正的电压值；
而当开关S打到右边时，则将信号发生器输出的电压缩小了5倍，当数码管上显示电压时，对于读出的数字应该乘以5，此时的结果才是真正的电压值。
各部分的功能如下：
1.3位半A/D转换器（MC14433）：
将输入的模拟信号转换成数字信号。
2.基准电源（MC1403）：
提供精密电压，供A/D转换器作参考电压。
3.译码器（MC4511）：
将二——十进制（BCD）码转换成七段信号。
4.驱动器（MC1413）：
于东显示器的a,b,c,d,e,f,g七个发光段，驱动发光数码管（LED）进行显示。
5.显示器：
将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换的结果。
6.一个单刀双掷开关和三个定值电阻起到了对输入电压的缩小作用。
工作过程如下：
3位半数字电压表通过位选信号DS1～DS4进行动态扫描显示，由于MC14433电路的A/D转换结果是才有BCD码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描显示。
DS1～DS4输出多路调制选通脉冲信号。
DS选通脉冲为高电平时表示对应的数位被选通，此时该位数据在Q0～Q3端输出。
每个DS选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。
DS和EOC的时序关系是在EOC脉冲结束后，紧接着是DS1输出正脉冲。
以下依次为DS2，DS3和DS4。
其中DS1对应最高位（MSD），DS4则对应最低位（LSD）。
在对应DS2，DS3和DS4选通期间，Q0～Q3输出BCD全位数据，即以8421码方式输出对应的数字0～9．在DS1选通期间，Q0～Q3输出千位的半位数0或1及过量程、欠量程和极性标志信号。
在位选信号DS1选通期间Q0～Q3的输出内容如下：
（1）Q3表示千位数，Q3=0代表千位数的数宇显示为1，Q3=1代表千位数的数字显示为0。
（2）Q2表示被测电压的极性，Q2的电平为1，表示极性为正，即UX>
0，Q2的电平为0，表示极性为负，即UX<
0。
显示数的负号（负电压）由MCl413中的一只晶体管控制，符号位的“一’阴极与千位数阴极接在一起，当输入信号UX为负电压时，Q2端输出置“0”，Q2负号控制位使得驱动器不工作，通过限流电阻RM使显示器的“一”（即g段）点亮；
当输入信号UX为正电压时，Q2端输出置“1”，负号控制位使达林顿驱动器导通，电阻RM接地，使“一”旁路而熄灭。
（3）小数点显示是由正电源通过限流电阻RDP供电燃亮小数点。
若量程不同则选通对应的小数点。
过量程是当输入电压UX超过量程范围时，输出过量程标志信号OR。
（1）当Q0=1，Q3=0时表示UX处于过量程状态。
（2）当Q0=1，Q3=1时表示UX处于欠量程状态。
（3）当OR=0时，|UX|>
1999，则溢出。
|UX|>
UR则OR输出低电平。
（4）当OR=1时，表示|UX|<
UR。
平时OR输出为高电平，表示被测量在量程内。
（5）MCl4433的OR端与MC4511的消隐端BI直接相连，当UX超出量程范围时，OR输出低电平，即OR=0→BI=0，MC4511译码器输出全0，使发光数码管显示数字熄灭，而负号和小数点依然发亮。
器件简介：
3半位A／D转换器MCl4433
（1）在数字仪表中，MC14433电路是一个低功耗3位半双积分式A／D转换器。
和其它典型的双积分A/D转换器类似，MC14433A／D转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。
如果必要设计应用者可参考相关参考书。
（2）使用MC14433时只要外接两个电阻（分别是片内RC振荡器外接电阻和积分电阻RI）和两个电容（分别是积分电容CI和自动调零补偿电容C0）就能执行3位半的A／D转换。
MC14433的内部结构如下图：
MC14433引脚图
图17MC14433的内部结构图图18MC14433引脚图
MCl4433采用24引线双列直插式封装，外引线排列，各主要引脚功能说明如下：
（1）端：
VAG，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压UX和基准电压VREF的参考点地。
（2）端：
RREF，外接基准电压输入端。
（3）端：
UX，是被测电压输入端。
（4）端：
RI，外接积分电阻端。
（5）端：
RI／CI，外接积分元件电阻和电容的公共接点。
（6）端，C1，外接积分电容端，积分波形由该端输出。
（7）和（8）端：
C01和C02，外接失调补偿电容端。
推荐外接失调补偿电容C0取0.1μF。
（9）端：
DU，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在双积分放电周期即阶段5开始前，在DU端输入一正脉冲，则该周期转换结果将被送入输出锁存器并经多路开关输出，否则输出端继续输出锁存器中原来的转换结果。
若该端通过一电阻和EOC短接，则每次转换的结果都将被输出。
（10）端：
CPI（CLKI），时钟信号输入端。
（11）端：
CPO（CLKO），时钟信号输出端。
（12）端：
VEE，负电源端，是整个电路的电源最负端，主要作为模拟电路部分的负电源，该端典型电流约为0.8mA，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向VSS端。
（13）端：
VSS负电源端．
（14）端：
EOC，转换周期结束标志输出端，每一A／D
升级会员 