简易信号发生及检测电路设计报告.docx

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简易信号发生及检测电路设计报告

湖南涉外经济学院

课程设计报告

课程名称：

电子技术

报告题目：

简易信号发生与检测电路设计

学生姓名：

所在学院：

信息科学与工程学院

专业班级：

电子信息工程1102班

学生学号：

指导教师：

康清钦董莉

2013年6月28日

电子技术课程设计任务书

报告题目

简易信号发生与检测电路设计

完成时间

2013.6.17至2013.6.28

学生姓名

专业班级

指导教师

职称

讲师

总体设计要求和技术要点

一、设计要求

1.设计一个由集成运算放大器和晶体管放大器组成的简易信号发生器，要求能产生方波、三角波、正弦波。

2.用小规模数字集成电路设计一个计数器，要求能对简易信号发生器产生方波、三角波、正弦波进行计数。

3.每小组应同时完成1、2两部分电路。

设计的信号发生器产生方波、三角波、正弦波能用示波器检测验证，设计的计数器对信号发生器产生方波、三角波、正弦波进行计数应与专用仪器检测数据一致。

二、技术要点

1.信号发生器部分技术要点

系统图如下：

要求：

（1）输出波形正弦波、方波、三角波。

（2）频率范围频率范围1HZ~10HZ,10HZ~100HZ。

（3）输出电压方波的输出电压峰峰值为10V,三角波峰峰值、正弦波峰峰值>1v.

（4）波形特性表征正弦波特性的参数是非线性失真r1,一般要求r1<3%：

表征三角波特性的参数是非线性系数是r2,一般要求r2<2%；表征方波的参数是上升时间一般要求小于100ns（1KHZ,最大输出时）。

2.计数器部分技术要点

系统图如下：

按学号从以下课题中选择一个课题。

要求：

（1）电路设计要简单，译码显示器不需要做出实物，只要理论设计。

（2）必须按指定触发器设计，不能由其它触发器转换。

（3）必须采用指定的元器件设计电路。

（4）计数器与译码显示器之间必须用4个LED指示计数的二进制编码值。

（5）理论设计中要将其扩展成4位十进制。

（6）此部分系统图中时钟脉冲选用信号发生器产生的正弦波、方波或三角波，跳线连接。

各种码制的编码表如下：

材料清单及工具

一、材料清单

元件类型

型号

主要参数

单组数量

稳压管

2CW21B

2个

电解电容

470μF

3个

100μF

1个

独石电容

10μF

1个

0.05μF

1个

0.1μF

11个

电阻

固定电阻

10KΩ

2个

20KΩ

4个

2KΩ

2个

1KΩ

13个

75KΩ

1个

100Ω

1个

6.8KΩ

2个

电位器

47KΩ

2个

100KΩ

1个

4.7KΩ

1个

集成块

741

2个

74HC00

8个

74HC73

2个

74HC74

2个

三极管

9013

4个

发光二极管

5mm

5个

IC插座

14脚

11个

香蕉插头

4mm

6个

香蕉插座

4mm

6个

焊锡丝

若干

其它电阻、电容、导线

若干

松香

1个

万能板

17cm*22cm

1块

二、工具及检测仪器

1.焊接工具1套。

2.常用检测仪器1套。

如万用表、示波器、信号发生器等。

工作内容及时间进度安排

一、预设计阶段（第17周星期一）:

包括教师授课、方案论证、设计计算和完成预设计（1天）。

二、安装调试阶段（第17周星期一至第18周星期三）:

包括组装电路、调试和检测,完成实际电路（7天）。

三、总结报告阶段（第18周星期四至第18周星期五）:

包括总结设计工作,写出设计说明书和最后的考核（2天）。

课程设计成果

一、课程设计作品

同时完成两部分电路设计与制作，实现其设计内容和功能，布局美观、布线工整，电路运行稳定、可靠。

二、课程设计总结报告

（1）严格遵守课程设计报告格式要求。

做到内容完整正确、格式规范。

（2）课程设计报告正文部分内容应包括：

a.设计题目；

b.主要指标和要求；

c.方案选择及电路工作原理；

d.单元电路设计计算,元器件的选择,画出电路图等；

e.安装、调试中遇到的问题,解决的方法以及实验效果等；

f.电路性能指标测试结果,是否满足要求及对成果的评价；

g.收获、体会和改进设计的建议。

出勤与纪律

1.课程设计时间：

上午8：

00－11：

30，下午2：

00－5：

2.学生应严格遵守纪律，不迟到、不早退、不无故缺课。

3.学生在课程设计期间，注意自身与他人安全，爱护实验室财产，违者按相关文件追查责任。

4.课程设计报告独立完成，不得以任何形式抄袭他人资料或成果（包括但不限于同学的资料或网上资料）。

一经发现该科目计0分。

摘要

在人们认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。

信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其它仪表测量感兴趣的参数。

可见信号源在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量。

波形发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形,广泛地应用于各大院校和科研场所。

随着科技的进步，社会的发展，单一的波形发生器已经不能满足人们的需求，而我们设计的正是多种波形发生器。

本次设计用运放来组成RC积分电路，低通滤波电路来分别实现方波，三角波和正弦波的输出。

它的制作成本不高，电路简单，使用方便，有效的节省了人力，物力资源。

本文通过介绍一种电路的连接，实现函数发生器的基本功能。

将其接入电源，具有实际的应用价值。

并通过在示波器上观察波形及数据，得到结果。

电压比较器实现方波的输出，又连接积分器得到三角波，并通过三角波-正弦波转换电路看到正弦波，得到想要的信号。

NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

凭借NIMultisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图。

本设计就是利用Multisim软件进行电路图的绘制并进行仿真。

计数器是数字系统中应用较多的时序电路，他能用于定时、分频及进行数字用算等。

计数器的种类繁多，从不同的角度有不同的分类方法。

按计数体制可分为二进制计数器和非二进制两大类。

按增减趋势可分为加计数器减计数器。

按脉冲引入可分为同步和异步计数器。

关键词：

电源，波形，比较器，积分器，转换电路，低通滤波，Multisim，计数器，同步和异步计数器

一、概述………………………………………………………………………………1

二、单元电路与设计…………………………………………………………………1

1．方波、三角波和正弦波信号发生器的设计………………………………1

1.1总原理电路图…………………………………………………………1

1.2方波设计原理…………………………………………………………2

1.3方波转三角波设计原理………………………………………………3

1.4三角波转正弦波设计原理……………………………………………3

1.5仿真方波、三角波波形图……………………………………………4

2．5421BCD码同步十进制加计数器的设计…………………………………5

2.1设计原理………………………………………………………………5

2.2设计目标………………………………………………………………5

2.3设计过程及内容………………………………………………………5

2.3.1设计思路……………………………………………………5

2.3.2状态转换图…………………………………………………5

2.3.3真值表………………………………………………………6

2.3.4完整状态转换图……………………………………………6

2.3.5卡诺激励图…………………………………………………7

2.3.6计数器仿真图………………………………………………7

3．实践步骤……………………………………………………………………8

4．实践标准……………………………………………………………………8

三、结论与心得………………………………………………………………………8

1．课程设计结论分析…………………………………………………………8

1.1相关实测图片…………………………………………………………8

1.2原理设计过程中的问题………………………………………………9

1.3调试过程中的问题……………………………………………………10

1.4调试注意事项…………………………………………………………10

1.5查找故障的方法………………………………………………………10

2．课程设计心得体会…………………………………………………………10

参考文献……………………………………………………………………………11

一、概述

信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。

能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

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。

例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。

在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。

计数器是数字系统中应用较多的时序电路，他能用于定时、分频及进行数字运算等。

计数器的种类繁多，从不同的角度有不同的分类方法。

按计数体制可分为二进制计数器和非二进制两大类。

按增减趋势可分为加计数器减计数器。

按脉冲引入可分为同步和异步计数器。

本设计要求实现一个信号发生器，能够产生正弦波，三角波和方波；信号源的输出可以是电压型或电流型。

还要实现一个利用JK触发器来实现十进制加计数器。

二、单元电路与设计

1．方波、三角波和正弦波信号发生器的设计

1.1总原理电路图

由集成运算放大器构成的方波和三角波发生器，一般均包括比较器和RC积分器两大部分。

如图1-1和图1-2所示为由迟滞比较器和集成运放组成的积分电路所构成的方波和三角波发生器。

图1-1转换图

图1-2方波、三角波、正弦波仿真原理图

1.2方波设计原理

如前边的图所示，

的左边电路为双门限同相输入电压比较器（滞回比较器），不用单门限比较器是因为它的抗干扰能力差，在接近门限电压是使得输出电压时正时负不稳定。

右边为积分运算电路。

的右边为放大器的积分电路。

图中滞回比较器的输出电压

，它的输入电压是积分电路的输出电压

，根据叠加定理，集成运放A1的同相输入端的电位如式

（1）所示。

（1）

令

，则阈值电压如式

（2）所示

（2）

因此，滞回比较器的电压传输特性如下图1-3所示。

图1-3滞回比较器传输特性曲线

1.3方波转三角波设计原理

电路的振荡原理，合闸通电，通常C上电压为0。

设Uo1↑→Up1↑→Uo1↑↑，直至Uo1＝Uz；积分电路反向积分，t↑→Uo↓，一旦Uo过－Ut，Uo1从＋Uz跃变为－Uz。

积分电路正向积分，t↑→Uo↑，一旦Uo过＋Ut，Uo1从－Uz跃变为＋Uz，返回第一暂态。

重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。

由于积分电路反向积分和正向积分的电流大小均为Uo1/（R3+R7），使得U0在一个周期内的下降时间和上升时间相等，且斜率的绝对值也相等，因而将方波转换为三角波。

主要参数估算：

振荡幅值在如图所示的三角波—方波发生电路中，因为积分电路的输出电压就是同相滞回比较器的输入电压，所以三角波的幅值为：

±Uom=±Ut=±Uz·R1/R2

因为方波的幅值决定于由稳压管组成的限幅电路，所以：

Uoh=+Uz，Uol=—Uz（3）

振荡周期：

在振荡的二分之一周期内，起始值为—Ut，终了值为+Ut

Ut=Uz·T/2·1/R3·C-Ut（4）

得到

T=4·R1·（R3+R7）·C/（R2+R6）（5）

积分器的输出

Uo=—1/（R3+R7）·∫Uo1dt（6）

Uo1=+Vcc时：

Uo2=—（+Vcc）·t/（R3+R7）·C1（7）

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。

比较器与积分器首尾相连，形成闭环回路，则自动产生方波——三角波，三角波的幅度为

Uo2=Vcc·R1/（R3+R7）（8）

方波——三角波的频率为

f=（R2+R6）/4R1（R3+R7）（9）

所以有以下结论：

1.电位器R7在调节方波——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C1改变频率的范围，R7实现频率微调。

2.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R6可实现幅度微调，但会影响方波——三角波的频率。

1.4三角波转正弦波设计原理

由RC串联接一个同相比例运算电路组成一个一阶有源低通滤波器，滤出一部分干扰，得到想要的波形，但是往往一个RC回路的过渡带还很宽，所以，为了更好的达到滤波的效果，尽量减小过渡带，可以多加RC回路，构成多节低通滤波器，因此，在这用了二阶滤波器来达到目的。

在电路中，当信号频率趋于零时，同相输入端的电位Up=Ui，故电路的通带放大倍数等于同相比例运算电路的比例系数，即

Aup=Up/Ui=1+R11/R12（10）

电路的电压放大倍数：

Au=Uo/Ui=（1+Rf/R1）·Up/Ui=Aup/（1+jwRC）=Aup/1+j·f（11）

1.5仿真方波、三角波波形图

图1-4方波、三角波形图

图1-5三角、正弦波波形图

2．5421BCD码同步十进制加计数器的设计

2.1设计原理

1、利用JK触发器进行模拟，并了解计数器的计数原理。

2.2设计目标

设计并实现一个采用小规模数字集成电路的计数器。

系统图如图2-1

图2-1十进制计数器方框图

1.电路设计要简单，译码显示器不需要做出实物，只要理论设计。

2.必须按指定触发器设计，不能由其它触发器转换。

3.必须采用指定的元器件设计电路。

4.计数器与译码显示器之间必须用4个LED指示计数的二进制编码值。

5.理论设计中要将其扩展成4位十进制。

2.3设计过程及内容

2.3.1设计思路

首先列出真值表，画出状态转换图，根据真值表画卡诺图化简进位方程、各状态方程、激励方程。

检查自启动并画电路图。

5421BCD码的十进制同步递增计数器有十个有效状态，采用时钟脉冲下降沿触发，当第九个脉冲到来时，进位为1，当第十个时钟脉冲到来时，进位为0，出现下降沿，从而产生进位。

2.3.2状态转换图

Qn3Qn2Qn1Qn0→

图2-2状态转换图

2.3.3列出真值表如表2-1

表2-1真值表

Qn3Qn2Qn1Qn0

J3K3

J2K2

J1K1

J0K0

Q3n+1

Q2n+1

Q1n+1

Q0n+1

图2-3真值表

2.3.4列出完整状态图

图2-4完整状态图

当电路进入无效状态时（0000），代入次态方程，得次态Q3Q2Q1Q0=0000，进入正常状态；当电路无效状态1001时，代入次态方程得1010，为无效状态，再代入次态方程得0010，进入正常状态；当电路进入无效状态1101时，代入次态方程，得1110，为无效状态，当电路进入无效状态1110时，再代入次态方程得0011，进入正常状态；当电路进入无效状态1111时，代入次态方程，得1011，进入正常状态。

由此，基于5421BCD码的十进制同步递增计数器具有自启动得特性。

2.3.5激励卡诺图

图2-5激励卡诺图

2.3.6计数器仿真图

图2-4十进制计数器仿真图

3．实践步骤

1、收集相关资料，完成相关电路的设计图，正确选用适合设计内容的集成电路、元器件和器材，并列出“材料清单”。

2、根据所设计的电路图，组装调试计数器电路。

3、检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。

4．实践标准

完成设计制作焊接，排版，实现其设计基本内容和功能，装配工艺美观，电路运行稳定、可靠。

三、结论与心得

1．课程设计结论分析

1.1相关实测图片

图3-1计数器调试结果图

图3-2方波实测图

图3-3模电数电面包图

图3-4三角波实测图

1.2原理设计过程中的问题

一开始我们利用网络查找资料，但是网上的资料不全面并非常的凌乱，手续非常复杂。

后来我们着手去图书馆找资料，我们发现图书馆找资料有很多优势，其中资料分类分的很清晰，找的资料书上的内容都比较全面，还有就是在运算化简的时候花费了好久，通过这次找的资料的经历，我熟悉了一些与电子相关的网站，而在图书馆里也知道电子方面书籍的大概位臵，以及查找使用图书馆资料方法，并且在极大提高了我的专业知识水平，拓宽了我的知识面。

1.3调试过程中的问题

1、在调试模电部分时遇到了很多问题譬如怎么去调节使方波、三角波、正弦波达到最佳效果等等。

有很多地方以我的焊接技术，可以说是这课程设计是回天无术的。

在老师的帮助下，我们懂得了稳压器应该怎么接，最后在我们的共同努力下，把它给焊接出来了。

2、在计数器的设计中花费的时间最长，因为接线也比较复杂，刚开始进行计算时也出了点下问题，不过老师还是把电路图给出来了。

因为接线比较复杂，所以总是出错，虚焊、短路之类的那是经常的事，最后在仔细的观察下终于找到了错误，获得了成功。

1.4调试注意事项

1、作品要轻拿轻放。

2、调试之前要熟悉各种仪器的使用方法,并仔细加以检查，避免由于仪器使用不当或出现故障而作出错误判断。

3、测试仪器和被测电路应用有良好的共地，只有使仪器和电路之间建立一个公共的参考点，测试的结果才是准确的。

4、调试过程中，发现器件或接线有问题需要更换或修改时，应关断电源，持更换完毕认真检查后方可重新通电。

5、调试过程中，不但要认真观察和检测，还要认真记录。

包括记录观察的现象、测量的数据、波形及相位关系，必要时在记录中应附加说明，尤其是那些和设计部符号的现象更是记录的重点。

依据记录的数据才能把实际观察的现象和理论预计的结果加以定量比较，从中发展问题，加以改进，最终完善设计方案。

同过收集第一手资料可以帮助自己积累实际经验，切不可低估记录的重要作用。

1.5查找故障的方法

1、检查用于测量的一起是否使用得当。

2、检查安装的线路与原理是否一致，包括连线、元件的参数、集成电路的安装位置是否正确等。

3、测量元器件接线端的电源电压。

使用接插板做实验出现故障时，应检查是否因接线端不良而导致元器件本身没有正常工作。

4、断开故障模块输出端所接的负载，可以判断故障来自模块本身还是负载。

5、检查元器件使用是否得当或已经损坏。

在实验、实习中大量使用的是中规模集成电路，由于它的接线端比较多，使用时会将接线端接错，从而造成故障。

在电路中，由于安装前经过调试，元器件损坏的可能性很小。

如果怀疑某个元器件损坏，必须对它进行单独调试，并对已损坏的元器件进行更换。

2．课程设计心得体会

为期两个星期的课程设计已结束，过程曲折可谓一言难尽最让我记忆犹新的是做计数器调试是遇到的很棘手的问题电路短路了。

在此期间我也曾极度失落过，也曾偶尔热情高涨。

从开始时充满好奇而又自信到最后伤神又伤心汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无穷。

由于是第一次，过程有点曲折有点累，但是最后得到还算过得去的结果时，心里感到既高兴又有点失落感，因为其他同学都做好了，而且做得特别不错，而自己呢好像什么也不会。

但是也有值得的地方，因为课程设计需要制定一个合理的方案，这就锻炼了我们的理论分析、比较、联系实际情况的能力。

由于需要各个方面的材料和数据，我们需要运用各种手段去查找资料，增长了我们的自学能力。

通过对设计过程中遇到的困难的解决，我们不仅更好的理解了所学的理论知识，更重要的是把知识从书中提炼出来运用到实际生活中。

当然，这次课程设计也让我知道了自己在学习方面的不足之处，为我今后的学习指明了方向，我会端正自己的学习态度。

通过这次课程设计，我们学到了很多东西，特别是一些实用的东西，懂得了如何将所学到的东西转换为我们的实际的东西，同样也学到了团队合作的重要性，一个人就算再厉害也是无法敌过一个具有团队精神的团体的，“三个臭皮匠，赛过诸葛亮”。

只有通过团队，我们才能将实物做得更出色。

当然，作为一位初学者，困难是在所难免的，对于我们而言，最困难的地方在电路的焊接上面，我还是比较幸运的，一次就过关了，但是感觉焊接还是需要点技术的，不难的话就会很耗时间。

在做计数器的时候我们遇到了很大的困难，就是因为焊接，耽搁了不少时间，最好还是成功了。

实验的辛酸只有自己能明白，经过的那些日子让我们成长了不少，这是人生中的一笔宝贵的财富，同样，也感谢指导老师帮助，让我们学到了很多的知识。

参考文献

[1].康光华.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：

高等教育出版社.

[2].赵春华.张学军.电子技术基础仿真实验[M].机械工业出版社.

[3].阎石.数字电子技术基础[M].北京：

高等教育出版社.

[4].文春凡，金受非.电工仪表与测量.高等教育出版社，1999.

教师评语及设计成绩

教师评语：

课程设计成绩：

指导教师：

（签名）

日期：

年月日

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