实用信号源的设计和制作.docx
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实用信号源的设计和制作
实用信号源的设计和制作
（综合课程设计报告）
一、实验要求
1.任务：
在给定15V电源电压条件下,设计并制作一个信号源。
2.技术指标：
【要求1】：
（1）正弦波信号源（20HZ~10KHZ）
a、信号频率：
20HZ~10KHZ连续可调；
b、频率稳定度：
优于10
c、非线性失真系数：
£3%；
（2）脉冲波信号源（20HZ~10KHZ）
a、信号频率：
20HZ~10KHZ连续可调，
b、上升和下降时间：
£1us；
c、平顶斜降：
£5%。
d、脉冲占空比：
2%到98%连续可调。
（3）上述两个信号源公共要求
a、频率可预置，
b、在负载为600W时，输出幅度为3V，
c、完成5位频率的数字显示
d、在信号频率：
20HZ~10KHZ连续可调时，占空比不变，波形对称不失真。
【要求2】
1）正弦波和脉冲波频率可连续调整。
2）正弦波和脉冲波幅度可调整，调整范围可分为3档，（100mV～1V，1V～2V,2V～3V），在负载为600时。
（峰-峰值6V）
3）降低正弦波非线性失真系数。
3.要求：
设计与总结报告：
有方案设计与论证，理论分析与计算，完整的电路原理图，测试方法与数据，结果分析。
要有特色与创新。
4.主要参考组件：
ICL8038,CD4026,NE556或NE555,CD4001或CD4004,LF356或LM318,等
注：
1不采用单片机控制，2请不要选用ICM7216芯片
二、方案设计与论证
【总体方案设计】
实用信号源框图如右，实用信号源电路采用ICL8038芯片产生正弦波和脉冲波，并实现占空比可调、频率可调、信号频率预置；运放电路采用LM318芯片，实现波形幅度可调；时钟触发电路采用NE555和CD4001芯片，以接收信号，并为频率显示电路中的计数器提供时钟信号；频率显示电路包括CD4026计数器芯片和数码管，用以对信号频率计数并显示。
【可行性分析】
1.信号发生芯片选取
ICL8038为精密函数信号发生芯片，带宽调节可达0.001Hz到300kHz，正弦波输出失真低于1%，三角波线性失真低于0.1%，方波输出TTL电平到28V，上升时间180ns，下降时间40ns，足以满足本次实验的任务和技术指标。
2.频率调节与方波占空比调节
1）仅使用ICL8038芯片，并通过简单的外围电路同时实现频率调节与方波占空比调节两个功能。
典型电路有下面两类：
图一频率与占空比调节
如图一电路，Ra和Rb两电阻的阻值，由下面两公式可确定输出波形的上升时间t1和下降时间t2，从而决定周期T=t1+t2，占空比为t1:
（t1+t2）。
但此电路或其修改的派生电路存在占空比调节时频率受影响，且频率调节范围不足，需要切换电阻和电容，不能满足频率连续调节的要求，所以不可取。
公式：
2）
图二可变音频振荡器，20Hz到20kHz
如图二电路，为扫频电路改进的音频振荡器，1N457引入的压降可以增大频率调节范围，但实际实验中为了减少器件未加入1N457亦可达到要求。
该电路可以产生稳定的频率控制，但如果想同时实现占空比的调节，需要在5脚和4脚上使用较大的可变电阻，而固定电阻的值作为限流保护可适可而止就好。
从理论上看本方案除了调节占空比的时候频率会受到一定的扰动，而且正弦波也会在调节方波占空比时发生失真这两点，其他方面都没有问题。
从电路的简洁上看，是可行的。
但通过实验测试，由于上述所提到的在占空比调节过程中5脚和4脚分配电流发生变化，使输出频率受到影响，最终在某些频段占空比并不能实现理想调节，满足不了2%到98%连续可调的要求，所以将模块功能分开设计：
ICL8038负责占空比为50%的波形产生，力求使失真达到最小；而将方波占空比的调节交给比较器LM318完成，如图三，电源用5V电压足矣，其余的电阻阻值在实验过程中可修改使其达到理想的放大效果。
图三LM318产生占空比可调的方波
3.测频与数码管显示
由于数码管显示精度为1Hz，所以测频时采用等精度算法，在1s钟内计数，计数值就是信号的频率值。
定时器选取NE555，输出通过反相器产生1s的低电平。
计数器使用CD4026，输出即使7段数码管显示值。
三、理论分析与计算
1）ICL8038外围电路电阻电容选取
电路图
【占空比调节】
芯片使用±15V供电，扫频电压通过滑动变阻器R8可为8脚提供5V～15V的控制电压，电阻R4、R5分别为2k，滑动变阻器R2为100k用于调节占空比，由下述公式：
占空比=[（R5+R2左）-（R4+R2右）]/2（R5+R2左）
【正弦波失真度调节】
1,2脚连接R1，R12的100k欧滑动变阻器和各自10k欧电阻构成的分压网络可用于调节正弦波失真度。
【频率调节】
由手册公式
可知大体的电容选取
f=200Hz对应473
f=2kHz对应472
f=10kHz对应471（由于实验过程中未能找到471，可用681亦能很方便地调节到10kHZ）
2）LM318运算放大部分
两个电容，104和105为防止自激干扰去交流所用。
3）NE555时基电路
NE555的3脚输出占空比，即跳动的高低电平控制计数。
根据手册提供的公式：
T1=0.683*（RA+RB）*CT2=0.683*RB*C
F=1.443/（（RA+2RB）*C）
由6、7脚间和7、8脚间电阻阻值决定，由于后者阻值相对2M电位器可以忽略，T1=T2=0.683*R*C，F=1.443/（2*R*C），经计算可得知当F大致取0.5Hz时，C取值为约为1uF。
由于是使用电位器，阻值可调所以电容取1uf数量级的电容都可以的。
在实现计数和清零的功能后，手动调整电位器，使其输出的频率值能和示波器上的频率值对应，而且一段时间内稳定不变。
即让其在1s计数。
4）CD4026时序分析
电路图：
（在数码管的接地端加电阻，目的是限流，防止LED温度升高时导致的电流增加而发生过流，那样有可能烧毁LED本身或是芯片甚至电源。
）
时序图如下：
易知Count（2脚）输入的上升沿计数器计数，CarryOut（5脚）为十进制进位输出用于级联，reset（15脚）为高电平时芯片计数复位，DisplayEnable（3脚）为高电平时将输出显示信号电平，ClockInnibit为高时计数将暂停。
使用时将DisplayEnable拉高，ClockInnibit拉低，Count（2脚）接输入信号。
reset（15脚）和锁存器的触发端相连，两者连接NE555输出经过反相器后的信号，在1s计数复位信号到达，此时进行复位，并将输出锁存，刷新七段数码管。
四、测试方法、数据及现象
（1）正弦波信号
A、更换电容档位，分别由电容474、472、681，调节8038的8脚电位器达到20hz、500hz、10khz三个频率
B、频率稳定度基本符合要求
C、通过调节8038的1脚和12脚可使其非线性失真系数符合要求
D、频率调节时波形对称基本保持不变
（2）脉冲波信号
A、更换电容档位，分别由电容474、472、681，调节8038的8脚电位器达到20hz、500hz、10khz三个频率
B、频率稳定度基本符合要求
C、占空比可通过8038的4、5脚之间的电位器在2%--98%之间连续可调
D、平顶斜率符合要求
（3）放大电路
A、在负载为600Ω时，调节放大电路的10k电位器，使正弦波和脉冲波输出幅度可在100mv~3v之间连续可调
B、频率以及占空比同8038的信号输出
（4）显示电路
A、调节NE555的2M电位器，可使得显示频率与示波器一致
B、改变频率，数码管显示稳定且基本仍与示波器一致。
实验现象
脉冲波
20Hz峰峰值200mV
20Hz峰峰值6V
1kHz峰峰值6V
1kHz峰峰值200mV
10kHz峰峰值200mV
10kHz峰峰值6V
正弦波
20Hz峰峰值200mV
20Hz峰峰值6V
1kHz峰峰值200mV
1kHz峰峰值6V
10kHz峰峰值200mV
10kHz峰峰值6V
五、问题分析及解决
1.问题：
ICL8038输出无波形。
现象：
波形显示为恒定直流值
故障分析：
频率、占空比或失真度调节的某一电位器过偏。
解决方法：
先反复检查电路是否连接正确，确定电路连接无误后，将各电位器移至大体中间位置，使得频率、占空比、失真度的调节均在可见可调范围内，先将示波器连接至ICL8038的9脚，调节8脚的电位器，当看到示波器显示的波形有跳动而不是一条直线时，再配合调节4、5脚之间的电位计调节占空比，当方波的波形基本成型后示波器接到ICL8038的2脚查看正弦波，调节ICL8038的1脚和12脚的电位器使波形失真度达到误差范围内。
2.问题：
运放输出波形自激严重。
现象：
输出波形时正弦波波峰有毛刺
故障分析：
信号经过放大产生自激现象，需通过选择合适的电容进行滤波，才可得到平整连续的波形，消除自激现象。
解决方法：
调整LM3184脚和4、7脚之间的电容，在保证正弦波不失真的前提下尽量减小自激的毛刺。
调整后为105和2.2μf。
３.问题：
波形不稳定
现象：
输出的波形会随着数码管的闪烁抖动
故障分析：
各模块之间没有共源
解决方法：
首先要将各芯片接地端都连接到一起，其次要注意将CD4026的８脚直接接共地端，不能先串联电阻再接地，这样共地就没有意义，波形仍旧会抖动。
4.问题：
CD4001输出无波形
现象：
示波器检测到CD4001的3脚为恒定的5V直流输出。
故障分析：
6、7脚之间的电容太大，导致如何调整电位计也无法使周期变小，在示波器上看不到现象。
解决方法：
将CD4001的6、7脚之间的电容换为1μF的105，将示波器的扫描频率调整为500ms，观察光点的跳动，先粗调至接近1s，之后当整个电路调配完毕后根据数码管的显示调整NE556的1、2脚的之间的电位计。
5.问题：
数码管不计数。
现象：
数码管会闪烁，但是一直为00000.
故障分析：
CD4026的1脚输入电压不足，导致其无法识别信号。
解决方法：
之前第一模块测试时提供5v电压即可出现，但5V和10V下，CD4026的1脚输入电压不足，使得数码管无法计数，于是加大第一模块的供电电压。
因为ICL8038的安全电压为5V~15V，所以将第二部分的电压控制在10V~15V之间。
6.问题：
数码管显示亮度。
现象：
数码管上的数字显示有时几乎看不到，有时又会太亮
故障分析：
在数码管的接地端加的分压电阻选择不当，电阻太小，数码管可能因过流而烧坏；电阻太大，数码管显示又不够亮。
解决方法：
在保证数码管能可靠导通的情况下加一适当的限流电阻。
而且不能5个数码管只串联一个电阻，这样有烧毁数码管的危险，应该每个数码管分别串接一个电阻。
7.问题：
频率显示与示波器不符。
现象：
示波器上频率的显示与数码管显示的不符。
故障分析：
NE555控制的时钟不准确。
当波形幅度特别小时，或者频率极高或极低时，示波器上的频率显示也会不准确。
解决方法：
首先调节LM318的２脚处的电位计，使其处在中间的位置，再调节ICL8038的8脚，将频率调节到一个１Ｋ～１０Ｋ的范围，当频率比较高时，再调节NE555的6,7脚间的2M电位器，使得显示的频率刚好停在与示波器频率相同的位置，此时大致NE555时钟则为1S。
在高频率时调节结果会比较精确，因为在低频率时即使计数不太准确也不会影响频率的精确显示，但是高频时对时钟的要求则极高。
在调节数码管示数时，应先将电位计调制一端，连接都查看数码管显示的示数，然后将电位计另一段接入电路中，得到另一示数，这是如果示波器上显示的频率示数在两次数码管显示的示数之间，则调节电位计即可得到结果，如果不在两次数码管显示的示数之间，则要根据实际的显示串联电阻或调整电容值。
六、实验总结
转眼间就到了大四，在大四开学前这个综合课程设计也便成为了我们大三结束前的最后一门课程。
因为老师说这次实验时间紧张，所以当题目发下来时，我就开始按照老师的要求在网上查找相关芯片的资料以及信号源的相关设计。
但是我在网上看了好久，还是没有一点头绪，之前实验最多只用到过2片不同的芯片，而这次要使用5种不同的芯片，而各个芯片应该完成什么功能我也是一头雾水。
这时我在网上找到了学长做过的实验报告，看过之后瞬间感觉思路清晰了好多，对电路各部分的功能有了大概了了解，知道信号是如何产生的，以及如何测量输出信号的频率。
经过两天的设计后，我们拿着自己的设计图领取了组件并详细记录了老师对电路图不足之处的补充和完善。
我做实验的情绪特别高涨，当天晚上就完成了两个部分的电路的搭建，但是当第二天去实验室时，经过老师的提醒我才发现我的布局极其的不合理。
因为之前没有搭建过这么复杂的电路图，所以我的芯片摆放的很稀疏，4个芯片就用掉了两块面包板，而剩下的一块面包板上是绝对不可能放下5块CD4026和5个数码管的。
所以我只能将前一天晚上辛苦搭建的电路板拆除，重新开始布局。
这一次我先将所有的芯片在三块面包板上摆放好，然后才开始搭建电路。
因为之前已经搭建过一次，所以这次我可以很熟练的搭电路。
我很快将第一模块，即NE555和CD4001的相关电路搭建完成。
但是当测试电路时我遇到了问题，无论我怎样的调节电位计，就是无法在示波器上显示出跳变的方波。
当我调整示波器的显示幅值时，我发现我的电路也会产生脉冲，但是幅度很小，只有500mV，我尝试更换了电路中的电阻电容，但是还是没有改变幅值。
直到当天下午我才发现，我的示波器接线手柄上不知何时被我调成了10倍衰减的显示，其实我的电路与输出一直都是正确的。
完成第一模块的调试后，我开始了ICL8038及其周边电路的搭建，8038的调试十分顺利，9脚的方波和2脚的正弦波都很容易就调试出来了。
下一步是CD4026和数码管搭建和调试，当完成搭建后，我先将显示模块和第一个模块连接起来，看到数码管会根据4001输出的脉冲闪烁和清零置位。
接下来我把信号源的信号接入的连接起来的电路，但是没有看到开始计数。
在再三检查电路后，我查阅了4026的相关知识，发现计数的启动对信号的幅值是有要求的，所以我调整了信号源的幅值，然后发现计数显示都成功了！
三部分模块的各自调试已经完成，但是当我将三部分连接在一起时发现这个实验还有好多工作要完成。
当所有的芯片都连接到一起时，各个部分会互相影响，计数会影响输出波形的稳定，幅值的改变会影响计数的触发，数码管也会影响脉冲的周期。
当整个电路完成后，我整个陷入了一个混乱的状态，东调调西改改，结果之前调出来的脉冲和方波也都不见了。
当我冷静下来之后，我又从头开始分模块调试，实验不能因为最后的结果不对就胡乱更改前面调好的东西，调试完成的东西就不应该再乱动。
所以当我的调试变得有条理时，整个电路的功能也基本实现了。
整个实验我是经历了兴奋、沮丧、焦急、开心等各种情绪。
虽说实验有些坎坷，但最终还是完美收场了。
确实在这次的实验过程中，让我在模电知识上又再巩固了不少。
同时我也明白了，我们在做任何事的时候，最重要的就是耐心和细心，只有不焦躁，态度认真，且要相信自己才能把事情给完成好。
生活也一样，挫折并不可怕，可怕的是我们没有打败挫折的勇气，没有坚持下去的信念，只要我们沉住气，一定能想出解决问题的方法，一定能做得很好！
没有什么事情是绝对的，只要有心学，有心做，相信自己，最终一定会有好的结果！
总的说来，这次的综合课程设计让我无论是在知识还是动手能力，或是在生活态度上都受益良多，很感谢能有这样的一个机会！
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