电子技术课程设计报告.docx
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电子技术课程设计报告
长安大学
电子技术课程设计
课题名称:
低频正弦信号发生器
班级:
32010803
姓名:
王宽
指导教师:
邓秋霞
日期:
2012年12月27号
前言
此次课程设计，我们组所选的题目是低频正弦信号发生器，它的要求如下：
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；4.输出电压幅度数字显示。
根据题目的要求，我们根据所学的知识初步判断，这是一个数字电子技术与模拟电子技术相结合的题目，中间必然会用到数模之间的转换，很明显，我们要用的是A/D转换。
于是我们组就先将题目大致分成四个模块：
正弦波的产生、正弦波幅值的调节、频率数字显示和幅度数字显示。
并根据手中已有的数字电子技术和模拟电子技术教材，在网上和图书馆中寻找我们需要的资料。
当资料收集的差不多的时候，就着手进行开始电路图的设计与仿真。
在工作的过程中，我们又发现所收集的资料与具体的操作中有出入，中途又几次在网上和图书馆中收集我们所欠缺的资料，最终经过一周多的时间完成了此次任务，也从中学到了很多。
由于时间仓促和我们水平的有限，其中不免会有不太合理的地方，请谅解。
目录
前言………………………………………………………………………2
摘要………………………………………………………………………4
一、系统概述……………………………………………………………5
二、单元电路设计………………………………………………………8
1、正弦波的产生模块……………………………………………8
2、正弦波的幅值调节模块………………………………………13
3、正弦波的的频率数字显示模块…………………………………14
4、正弦波的幅值数字显示模块…………………………………18
三、参考文献……………………………………………………………22
四、鸣谢…………………………………………………………………22
五、元器件明细表………………………………………………………22
六、收获体会与存在问题………………………………………………23
七、评语…………………………………………………………………25
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。
由数字电路构成的低频信号发生器，多是由一些芯片组成，其低频性能比模拟信号发生器好得多，并且体积较小，输出的信号谐波较少，频率和振幅相对比较稳定。
本文借助555定时器产生方波，再借助滤波电路，产生频率可调且输出稳定的正弦波。
在产生了稳定可调的正弦波之后，本组借助A/D转换，用一些芯片，将正弦波信号的幅值通过数码管显示出来，完成幅显的功能。
并且用一种数字电路中常用的十进制计数器芯片74LS160将正弦波的频率通过数码管显示出来，完成频显的功能。
关键词低频555定时器正弦信号滤波频显幅显
技术要求
1、输出为正弦信号
2、输出正弦信号频率为20HZ—20kHZ可调
3、数码管显示正弦信号幅值-5v--+5v可调
4、数码管显示正弦信号频率
一、系统概述
正弦信号发生器又称正弦波振荡器，产生其信号的振荡器种类繁多，下面介绍三种切实可行的方案。
方案一：
直接数字合成频率合成器（又称DDS）使用集成芯片AT89C52作为产生20HZ～器等部分实现调频、调幅，ASK、PSK等功能，系统采用自动增益控制电路，通过启动DDS电路，把内存缓存区的数据送到DDS后输出相应的频率，使输出信号峰．峰值稳定在5V左右，并送到20kHZ正弦信号的核心部件，并且运用DDS电路、8位数码管显示、功率放大LED（发光二极管）显示器进行显示。
该系统输出稳定度和精度极高，适用于通信系统和高精度仪器。
DDS以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器和DSP（数字信号处理器，DDS系统的一个显著特点是在DSP控制下能精确快速地处理频率和相位）、高速D／A变换器产生所需的数字波形（通常是正弦波形），经过模拟滤波器后，得到最终的频谱纯净、频率和相位都可以编程控制且稳定性很好的模拟正弦波形，此正弦波能够直接作为基准信号源。
下图是整个系统的流程图：
图1方案一原理方框
但是直接数字频率合成式（DDS）信号发生器，其电路实现起来不是很容易，需用的集成芯片较复杂，且需要其他外围器件，因而其成本较高．它所使用硬件描述语言实现脉宽输出简化编程复杂度，其输出显示需要LED数码管与单片机合作使用，对于我们刚学完汇编语言的大学生来说，实现起来甚是困难。
方案二：
基于正弦脉宽凋制（SPWM）理论．提出适合于数字电路实现的，抗干扰性强，可靠性较高的一种正弦信号发生器构想，它的总体构思是利用可编程逻辑器件（PLD）产生正弦调制的脉宽信号，然后通过三相PWM逆变电路实现滤波从而产生精确的正弦信号．其优点在于使用可编程逻辑器件，使得整个电路控制灵活（可以在线编程），而且可实现的输出频率范围广；采用脉宽调制形式使得能够对输出电压幅度和频率连续调节；滤波方法简单有效．与常规的用模拟电路方式实现的信号发生器和查表式的信号发生器相比，它的输出频率稳定、精度高、范围广。
脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PWM）是用载波信号调制相当于基波的正弦信号，从而达到能够调节输出脉宽的方式．正弦信号脉宽调制，它是采用三角载波信号调制正弦信号．其传统的实现方法，是让三角波发生电路与正弦波发生电路通过一个比较器产生脉宽调制波．
但是，采用这种方式实现的脉宽信号大多采用模拟电路控制，由于采用大量的模拟元件组成电路，容易受温度漂移影响，造成频率和相位不稳定．它的控制电路复杂，给安装和调试带来不便。
方案三：
基于555定时器构成的多谐振荡器能够产生正弦信号，可以采用数字电路作为正弦信号发生器。
这种方法是由555首先产生正弦信号波，然后使其通过两个双BCD加法计数器4518，进行4级级联分频，选出满足要求的某一特定频率，再通过后面的滤波电路和放大电路输出信号。
对于频率和电压的显示，再分别设计电路图，通过模数转换芯片使其变成能够在数码管上显示的数字信号。
这种设计电路的核心部件是555定时器，通过调节滑动变阻器来改变信号的频率，使其满足要求，在20HZ～20kHZ变化，当然也可以用另一个变阻器来使电压达到5V。
图2方案三原理方框
对上述电路的实现以及调节方法都比较简便可靠，并且产生的正弦信号误差较小，与理论值相差不大，只是在显示频率和电压方面，由于其电路中用到的元件主要是模数转换器，还附加另外的一些元件，使其连接变得很复杂，需认真看图，并且MF10在我们经常使用的仿真软件Multisim中没有，故有很多部分是不能进行仿真的，这不利于我们发现错误，就连连接的对错我们都不是很清楚另。
外还有一点，我们所学的芯片不多，A/D转换我们学的就更少了，对于在短时间内要对这么多的芯片进行重新学习是有一定难度的，况且我们没办法仿真的话，对错就更不清楚了。
虽然这种方法可行，但不是我们的首选。
我们选择了方案四。
方案四：
在数字电子技术书中，我们学习了利用555定时器产生方波的原理，基于熟悉的知识，我们决定用555定时器先产生频率可调的方波，再利用模拟电子技术中所学的滤波电路搭建一个多阶的滤波电路（我们采用的是三阶可调滤波电路），利用方波产生频率可调的正弦波。
再利用数字电子技术所学的十进制计数器74LS160和数码显示DCD-HEX来完成频率的显示。
由滤波电路产生的正弦波信号，经过一个放大器放大后，形成幅值在-5v--+5v可调的正弦波信号，最后在利用我们所没有学过的A/D转换装置，经过数码显示装置，完成幅值显示功能。
其原理方框图如下：
图3方案四原理方框
对我们来说，这些方法在我们的知识范围内，其原理和一些注意要点都为我们所熟悉，用到的一些芯片可以通过查阅参考书了解其作用和其原理以及管脚图的连接，其中比较难的也许是模拟电路那块，原理和调试仿真虽然难了点，但仍在我们的能力范围，这种方法是一种比较适合我们设计产生正弦信号的方法。
当然，方案一、方案二和方案三在产生的信号也许比方案四更加精确，误差更小，但是，其中用到的许多元件以及电路连接相当复杂，特别是对于单片机的使用，对我们要求太高了。
综合以上考虑，采用方案四比较适合。
二、单元电路设计
1、正弦波的产生模块
本组正弦波的产生模块又可以分成方波产生部分和正弦波产生部分两个小模块。
先由方波产生部分产生频率可调的方波，再通过正弦波产生部分（滤波网络）产生正弦波。
1．1、方波产生部分
A、本组正弦波的产生采用的是以芯片555定时器为核心的电路。
有数字电子技术的基本知识可以知道，用555定时器可以构成多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等具有加上电源后，能够产生一定的波形的电路。
本组采用的就是用555定时器构成的多谐振荡器，经过一定方式的电路连接，产生方波。
B、方波产生信号的接线电路图及原理
图6方波产生信号的接线电路图
为了让占空比等于50%，则充电回路的时间T1和放电回路的时间T2必须相等，因此我们设计了图6所示的电路。
计算可得
T1≈0.7R6C1
T2≈0.7R5C1
当设定R5=R6时，就可以使T1=T2
由于要求的输出频率为20HZ—20KHZ
F=1/T=1/（T1+T2）≈1/1.4R6C1
当设定C1=1uF时
可以算出
R5=R6=35.7Ω～35.7ΚΩ
由于要求产生的信号是频率可调的，而且电路的特点又要求R5=R6，所以R5、R6在调节上就要求同步变化。
这样输出端3脚就可以得到一个占空比为50%的矩形波。
但是最后要得到正弦波，用这种矩形波是不行的，因为这种矩形波只有正值，没有负值，经滤波产生的波形不符合要求。
于是，我们可以用图6所示的那样给输出端加反电动势，输出矩形波向下平移，使0坐标轴正好位于矩形波的中间位置，这样通过改变R5、R6的阻值就可以形成输出频率在20HZ—20KHZ的方波。
C、电路的仿真结果
搭接好电路以后，经过仿真，仿真结果正如我们设计的那样，仿真结果如下图
图7电路的仿真结果
1．2、正弦波产生模块
A、滤波网络图及原理
图8滤波网络图
本组采用的是三阶有源低通滤波电路。
为了简单期间我们在这部分用方波信号发生器代替前面的方波发生电路。
对于滤波电路，我们根据它的特性可以知道，低通滤波电路只允许频率低于截止频率的低频信号通过，一般有源低通滤波电路的截止频率是1MHZ，完全可以满足我们的设计要求。
为了避免划线变阻器的阻值过大，引起调节不方便我们采用了两个小划线变阻器相串联，为了能够更好的达到滤波效果，我们设定三组相串联划线变阻器的阻值相等且
C1=C2=C3=1uF
对于滤波电路适于通过的频率
f=1/（2*3.14RC）
由于电容C的值已经选取为确定值，只需要通过选取滤波网络中R的值，就可以达到选取所需要的频率，并且使通过的频率满足课设的要求。
又由于一阶低通有源滤波和二阶低通有源滤波电路对于我们设计的电路滤波效果不是很好，三阶低通有源滤波电路效果非常好，调节起来也不是很麻烦。
所以我们选择三阶低通有源滤波网络。
B、滤波仿真结果
图9滤波仿真结果
C、隔离装置图及原理
图10隔离装置图
由于前面所得到的方波幅值很小，并且加上后面的滤波电路以后波形会发生严重的变形，故我们在这里加了一个放大倍数为4的反向比例器作为隔离装置，使输出的方波幅值为5V，因为反向比例器的输入电阻非常大，理想情况下可以认为是无穷大的。
这时就可以得到如下方波：
图115V方波波形图
2、正弦波幅值的调节模块
2．1、正弦波幅值调节电路图及原理
图13正弦信号幅值调节电路图
对于此正弦信号幅值调节电路，采用的是反相放大器，由于在前面的滤波电路中数据设置的特殊性，使产生的正弦波信号的幅值远远小于5V，故我们才用了两级放大装置，当频率很小时调节第一级放大器，当频率很大时调节第二级放大器，这样就可以实现正弦波信号在-5V---+5V之间变化。
2．2、最终幅值为最大时的仿真结果
以输出幅值为5V的方波发生器产生的方波信号代替前面电路所产生的方波，
并把信号送入滤波电路中其电路原理图和仿真结果如下所示：
图14滤波放大电路
图15最终最大幅值的正弦波仿真结果图
3、正弦波信号频率数字显示模块
正弦波信号发生器的频率数字显示模块是将正弦波信号发生器的输出信号的频率或与之相等的频率通过我们设计的电路，最终在数码管上面显示出来。
频率计数，也就是计数1秒内输出多少个信号。
本设计是通过计数和正弦波同频率的方波数来达到计数正弦波频率的目的。
其中方波可由前面的方波来代替，因为它和正弦波是同频率的，但是考虑到精确性我们把正弦波输入一个由555构成的施密特触发器中来产生和正弦波同频率的方波，其电路图如下所示：
图16同频方波电路
本设计中是用一个高电平为1秒，低电平为0.33秒的矩形波来控制频率计数部分：
当为高电平时计数器计数频率数，当高电平结束下降沿到来时计数器的值被送入存储器中并通过数码管显示出来，当为低电平时对计数器清零，当下一个高电平到来时又开始新一轮的计数，在计数阶段存储器中的值保持不变，也就是1.33秒数码管的值改变一次。
因此这部分包括时钟分频和频率计数显示部分。
3．1、时钟分频部分
A、时钟分频电路图及其原理
图15时钟分频电路图
时钟分频电路是由一个555定时器构成的多谐振荡器和四片74LS160组成，最终能够产生周期为1.33s的脉冲。
555计数器产生的脉冲信号的周期不是太大，如果太大的话，对R1、R2和C1的要求比较高，比较难以实现。
为了产生比较精确的信号，我们设计的555计时器产生的信号的高电平为100us，低电平部分为33us.
由于555计时器产生的是周期为133us的脉冲，而74LS160为十进制计数器，每经过一片74LS160，脉冲的周期就能够扩大10倍，经过四片该芯片之后，就能产生周期为1.33s的脉冲信号（其中低电平为1秒，高电平为0.33秒）。
然后再通过一个非门就可以得到一个高电平为1秒低电平为0.33秒的矩形波，这样就得到了我们想要的信号了。
其信号如下图所示：
图16控制信号波形
（2）、正弦波信号发生器频率数字显示的电路图及其原理
图16正弦波信号发生器频率数字显示的电路图
在正弦波信号发生器频率数字显示的电路图中，方波脉冲发生器A代表时钟分频电路，它产生一个周期为2秒的方波，此电路中数码管2秒变化一次。
方波发生器B代表施密特触发器产生的方波信号。
此方波信号和正弦波同频率。
而对于由10片74LS160组成的电路则可以分为两个部分，第一个部分为U1及其右面的四个芯片为计数部分，它们的作用主要是在控制信号为高电平时接收方波信号的频率脉冲并计数，当控制信号的下降沿到来时，把U1的输出置数给U2，并由数码管显示。
当控制信号为低电平时将各自的数异步清零。
第二部分为存储部分，其作用主要是在下降沿到来时，接收第一部分传来的数据并将其传输给数码管进行显示，它使用的是置数端有暂时存储数据的作用，这样可以在及时记录数据并可以使数码管进行显示。
（3）正弦波信号发生器频率数字显示的电路仿真结果
图17正弦波信号发生器频率数字显示仿真结果
注：
为了使数码管和74LS160芯片连接方便，右边的数码管为最高位，左边为最低位，上面所显示的频率为19999HZ.
4、正弦波信号幅值数字显示模块
在设计任务中，要求输出电压幅值，由于正弦波输出电路产生的信号为模拟信号，不能直接进行数字显示，需要通过A/D转换电路转换成数字信号，驱动数码管显示电压幅值。
本电路用到的数字电压显示电路是以31/2位数字A/D转换器7107为核心进行模拟信号到数字信号的转换的。
具体的功能介绍如下：
7107是一块应用非常广泛的集成电路，它的工作原理采用双积分原理：
采择阶段——正向积分，测量阶段——反向积分。
它包含31/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部有时钟发生器、分频器、记数器、锁存器，二---十进制计数器、译码器、驱动器等电路。
内部设有参考电压、具有独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。
数字电压表的构成是它的一种典型应用，在制作表时，数字显示用的数码管为共阳型，2K可调电阻最好选用多圈电阻，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻，为防止芯片输出电流过大，超过功耗发热，在每个字段上串电阻进行限流，以便防止功耗过大，起保护芯片的功能。
整个数字电压电路连接图如图13所示。
7107包含有40个管脚，具体的管脚图和各引脚的功能如图18所示。
图187107的管脚图
重点注意的引脚：
①芯片第1脚是供电，正确电压是DC5V。
第36脚是基准电压，正确数值是100mV，第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在－3V至－5V都认为正常，本电路中的电压为-5V，但是不能是正电压，也不能是零电压。
芯片第31引脚是信号输入引脚。
在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。
②注意芯片27,28,29引脚的元件数值，在本电路中用的是0.22uF,47K,0.47uF阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。
芯片的33和34脚接的104电容也不能使用磁片电容。
③注意接地引脚：
芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚，通常使用情况下，这4个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30脚或35脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。
图19数字电压表的电路图
5、结束语
本设计能够很好的完成题目的要求，其最大的特点是能够在一定程度上避免温漂等一些由模拟器件引起的输出不稳定。
但是在改变频率时过于复杂，并且要求较高，希望能在此基础使用一些新型芯片来加以简化和改进。
参考文献
1.林涛，模拟电子技术基础.重庆：
重庆大学出版社，20022.林涛，数字电子技术基础.北京：
清华大学出版社，20063.高吉祥，全国大学生电子设计竞赛培训系列教程，北京：
电子工业出版社4.黄智伟，全国大学生电子设计竞赛电路设计，北京：
北京航空航天大学出版社5、夏德钤、翁贻方，自动控制理论6、黄培根、任清褒，Multisim10计算机虚拟实验室鸣谢
首先感谢邓秋霞老师林薇老师的理论教学指导，感谢楚岩老师的答疑，才使得我们能大胆的去尝试；其次感谢鲁庭勇同学对我们一些细节问题的提醒和帮助；最后感谢我的队友们的细心指导和帮助。
元器件明细表，附图
序号
名 称
型号参数
数 量
备 注
1
555定时器
LM555CM
2
二极管
IN4007
2
2
普通电容
0.01µF
2
3
0.1µF
1
4
1µF
4
5
电解电容
22µF
1
6
1µF
1
7
470nF
1
8
100pF
1
9
滑动变阻器
50kΩ
5
10
500Ω
1
11
电阻
480Ω
1
12
520Ω
1
13
1kΩ
2
14
8kΩ
1
15
10kΩ
1
16
24kΩ
1
17
100kΩ
3
18
200kΩ
3
19
300kΩ
1
20
470kΩ
1
21
500kΩ
2
22
放大器
3554BM
2
23
十进制计数器
74LS160
14
24
数码管
DCD-HEX
5
25
A/D转换器
7107
1
26
单片频率显示器
ICM7216
1
27
28
29
收获与体会，存在的问题等
在这两周的时间里我们终于顺利完成了这次的课程设计任务，期间我学会了很多东西，也使我认识到了自己平时学习中存在的一些问题。
首先，这次课设使我认识到自己学习中存在的一些问题；1、平时学习只是就课本而学习，虽然对一些原理略能看懂，但是也只是局限于解题，并没有举一反三的真正掌握所学的知识，不会灵活的运用。
2、自己的知识面仅仅局限于课本，没有去拓展，与实际严重脱节，例如：
对一些典型的电路虽然可以从课本上找出来，可是在选择元器件的值时我们遇到了很大的问题。
其次，在这次设计中，用到的很多芯片都是以前没有学过的，理解和掌握其工作原理和作用显得尤为重要。
在理论课本中，书上会列出每一个芯片的各个管脚的功能，当用此芯片举例说明其功能时，只是单纯为向读者介绍其主要功能，或多或少的会忽略一些次要问题，求主而舍其次。
在实际电路中，总是要求输出非常精确的信号，但在电路运行过程中，总是存在这样那样的人为因素和系统误差等一些干扰，如果按照课本连接那样，误差可定会很大。
实际电路的连接并不像理论连接的那样。
在实际中，为减小误差，总是在电路中串接或者并联电容或者电感以及一些其他元件，使得电路的稳态特性更好一些，输出的信号更加接近要求，所以实践显得尤为重要，通过多次的试验，可以懂得一些次要元件的作用以及为什么要接在此，在无意识中，电路的经验积累就慢慢此形成。
通过本次设计，我掌握了一些技巧，我想，这对我以后会有很大的帮助的。
再次，使我懂得了团队合作和讨论的重要性。
一个人的能力毕竟是有限的，对一个问题不同的人有不同的看法，也许每个人的想法都不成熟，但是如果大家都说出自己的想法和看法，一起去讨论，一起去分析，那么就会有一些新的解决问题的点子。
这一点我在本次课设中深有体会。
最后，这次也使我能对其他课程的一些知识能更好的理解，例如在设计滤波环节时，我们以《自动控制理论》上的方法来分析，也是自己对自控的知识有了进一步的理解。
虽然我们完成了本次课设任务，但是设计中仍然存在很大的问题：
1、电路中用了不少的模拟器件，这在实际应用中会有很大的温漂现象，使工作不稳定。
2、在改变输出频率时我们是采用同时改变5个划线变阻器的值并且有两个的值必须严格保证同步改变，这个在实际中很难做到，同时由于输出频率的变化范围很广，划线变阻器的值变化范围也很大从几十欧姆到几千欧姆，这使得电路中消耗的功率很大。
3、在频率显示模块中，由于要得到很精确的一秒的信号，这个用555定时器做有一定的难度，它的精确度很难达到要求；另外当输出频率很大时，对用于检测信号的74LS160芯片的灵敏度要求也将会很高。
4、在电路开始运行时输出的正弦信号很不稳定，需要等一会才能得到稳定的信号，这一点应努力去改进。
为了更好的应用我们所学过的知识，和能够通过仿真来验证我们的原理是否正确，我们基本都选择了MULTISIM仿真软件里面含有的一些常用芯片，这也势必会造成最终结果没有新型芯片所得结果那样精确。
评语
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