多功能信号发生器.docx

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多功能信号发生器

第五届电子设计大赛

——多功能信号发生器

设计团队：

燕婷婷齐霁郭伟

题目名称：

多功能信号发生器

华北电力大学电子系燕婷婷齐霁郭伟

内容摘要：

首先题目所要求产生的正弦波由RC正弦振荡产生，使正弦波通过过零比较器即可产生方波。

通过双联的可调电位器，当电位器的阻值发生变化时，由于振荡电路的频率为f=1/2∏RC,正弦波与方波频率随之统一可调。

为提高正弦信号的带负载能力，我们使用了电压跟随器；正弦波的电压可调，我们使用了运放的放大调节功能，从反相端接入可变反馈电阻调节。

方波产生以后我们也是使用了电压跟随器提高其带负载的能力，然后用一反相输入运放调节反馈电阻的阻值改变方波的大小。

完成此环节之后，就应该设计频率测量电路与信号产生之间的转换接口电路，这个使用了二极管的单向导通特性，将方波的幅值都调节成正的，再经过电阻的分压，就得到了一个数字信号高低电平，如果想使信号更好，就可以使用与非门整形。

对于频率测量电路，我们只需完成在单位时间内对被测信号变化边沿（上升沿或下降沿）个数的测量，并将1秒内所记数目进行锁存输出，并通过数码管显示出来。

此处我们选用四片74HCT161进行计数，每片构成十进制计数器，将被测信号由时钟脉冲CP端输入，并将锁存信号连接到74HC373的输入端进行锁存，并将其输出端连接到数码显像管来显示测得的频率。

关键词：

正弦波方波计数显示

1方案论证与比较

1.1振荡电路方法与选择

方案一：

RC正弦波振荡电路

采用RC谐振回路作为选频网络的振荡电路成为RC振荡电路，此方法简单实用，容易选择器件和电路的调试。

它适用于低频振荡，一般用于生产1Hz~1MHz的低频信号。

易于起振，成本低廉。

方案二：

LC并联谐振回路

采用LC谐振回路作为选频网络的振荡电路称为LC振荡电路，它主要用来生产高频正弦振荡信号，一般在1MHz以上。

根据反馈形式的不同，LC振荡电路可分为变压器反馈式和三点式振荡电路。

它产生的多是高频信号。

本题中，要求我们产生的波形频率在1～5KHZ，属于低频振荡，综合以上因素，我们的振荡电路选择了RC正弦波振荡电路。

接下来的方波输出，则只需要运用过零比较器就可以了，这个既能够保证频率想同，而且上下对应，比较美观。

1.2频率测量与信号产生的接口电路

方案一：

施密特触发器

因为信号产生的是方波信号，有负的波形，在数字电路中，应该所有的波形都是高低电平，所以在输入进数字电路中的频率测量电路时，则需要对所产生的信号进行一次整形，而施密特触发器就有此功能，所以如果将方波的信号调整到3.5到5V之间，运用施密特触发器即可达到此效果。

方案二：

二极管的单向导通特性

二极管拥有单向导通特性，将所得到的方波信号送进一二极管，则可以将其0V以下的信号过滤掉，将方波信号变成一高低电平，然后通过调节方波大小的电位器调节高电平的幅值，使其在3.5到5V之间即可。

由于实验室所给的器材有限，我们最终选择了二极管，经过二极管后的波形又经过了一个与非门，对波形进行整形，则可得到相对较为稳定的数字信号。

1.3计数信号，锁存信号与清零信号的产生

方案一：

通过151数据选择器选择出信号

用一片161，对其进行改装，使其变为八进制的计数器（000-111,Q3接地），其CP端接入2HZ的信号，然后将Q0，Q1，Q2分别接到151的ABC端，然后将第0片151的八个数据输入端分别接11000000用作计数信号，第1片151的八个数据输入端分别接11111100用作清零信号，第2片151的八个数据输入端分别接00111100用作锁存信号，将信号分别送入下面的161及373即可以工作了。

方案二：

通过各种门电路搭建

因为觉得对151有点大材小用，我们就直接选用了此方案。

但是现在才知道这个方案更为的麻烦，它直接导致了我们的电路搭建的麻烦！

2原理分析

2.1RC振荡

我们选用RC振荡电路产生正弦波，为了使其达到所需的振荡条件，

我们在负反馈端采用的可变电位器，先调节电位器使其略大于3，产生振荡之后，调节电位器使其为3，则可得到一个稳定的正弦波，我们在后面又用了一个电压跟随器，当负载变化时，输出电压几乎不变，从而消除了负载变化对输出电压的影响，从而提高其带负载的能力。

然后将所得正弦波从反相端输入进一个运放，调节负反馈中的电位器阻值的大小，使其幅值可以调节。

方波的产生则是建立在正弦波的基础上，用过零比较器将正弦波调成方波，在其后面加上电压跟随器，提高电路带负载的能力，其调节幅值的电路也是用的反相输入的运放，通过调节反馈环节的电位器的阻值的大小来调节方波的不同的放大倍数。

图如下：

2.2石英振荡

在频率测量的过程中，原理是在一秒的时间内测量被测信号的高电平或低电平的个数，所以要获得一个秒脉冲，秒脉冲的产生则需要运用石英振荡电路。

石英的振荡是很稳定的，大小为32768HZ，用4060对石英振荡产生的信号进行分频，分频出2HZ的信号，然后接入一个74HC74再对其进行两次分频，则所得到的信号为0.5HZ，周期为2S，其高低电平的时间分别为1S，即可以实现在1S内计数。

图如下：

2.3转换接口电路

在频率测量和信号产生的电路之间要接入一个转换接口电路，我们接入了一个二极管，运用二极管的单向导通特性即可将方波的幅值都转换为正，然后用两个10K的电阻进行分压，则可得到一个幅值为5.65V的高低电平，电路图如上所示

2.4频率测量电路

在本题中，我们欲测量被测信号的频率，可转化为对单位时间内，被测信号的变化边沿（上升或是下降边沿）个数的测量，此处我们根据产生信号的大小，选择4片74HCT161进行边沿个数计数，每一片74HCT161构成十进制计数器，并将单位时间内测得的频率通过74HC373实现锁存，通过数码显像管进行稳定的输出，在此部分电路中，我们有以下问题需要解决：

第一，如何完成被测信号在1秒内完成计数？

四个芯片的CEP端（其中个位计数芯片的CET端也包括在内）均接在计数信号端（由1Hz的信号通过D触发器对其分频，产生0.5Hz的计数信号），只有当CET、CEP两使能端同时为高使能时，161芯片进入计数状态，当CEP、CET两个使能端有一端为零时，计数器不再进行计数，保持现态不变，所以分频后的信号使得CEP的有效时间为1秒，这样就可以解决被测信号在1秒内完成计数测量。

第二，如何解决74HCT161的十进制计数问题？

本处我们十进制的设计方法采用反馈置数法，每个芯片为满足十进制计数，其状态数对应为从0000到1001的变化。

首先，将输入端均置位为低电平，当PE端为低使能有效时，芯片即可被置数为0000；四个芯片分别对应于所测频率的个十百千位，我们为了讨论方便分别将它们标号位0、1、2、3号芯片。

当0号芯片为1001时，1号芯片开始工作，CET接入高使能，使其工作状态转换为计数，同时，对0号芯片进行反馈置数，使其状态转为0000；当1号芯片与0号芯片的输出端状态同时为1001时，2号芯片的CET接入高使能，使其工作状态转换为计数，同时，给1号、0号芯片同时反馈置数；同理，当0、1、2号芯片输出端状态同时为1001时，3号芯片的CET接入高使能，使其工作状态转换为计数，同时，给2号、1号、0号芯片同时反馈置数，以上过程极为4片161完成计数功能。

讨论：

本处计数芯片选用74HCT161，该芯片属于异步清零信号，因此，在十进制设计过程中，如若采用反馈清零法，则其状态应为从0000到1010的变化

第三，如何使得信号及时获得清零？

四位计数器的清零信号统一连在一起，送入清零信号为0.5Hz信号的非和1Hz信号和2HZ信号，三个信号的与门操作，然后再对其整体进行非。

同时又有161芯片清零端低使能有效，则可以产生合适的清零信号。

具体波形如下图所示：

第四，如何将被测信号所测得的频率得到稳定输出？

通过74HCT161芯片后，计数器输出端（Q1、Q2、Q3、Q4）分别将信号送入74HC373的对应输入端。

根据74HC373的功能表，我们可知，当OE端为低使能、LE端为高使能时，芯片为使能和读锁存器模式（传送模式），为使得频率随时可读，我们选择OE端始终接入低使能，但与此同时，这就要求我们对LE端的信号进行一定的处理。

第五，LE端信号如何处理可以，才能使得信号完好的锁存同时进行输出？

在OE端始终接入低使能的条件下，由于当LE为高使能时，芯片的工作状态转换为锁存，因此，为配合计数端及清零端信号的输入，我们选用通过0.5Hz信号和1HZ信号和2HZ信号的或非，这样产生的信号送入芯片可以使测得的频率稳定的显示2秒钟，直到下一个计数信号完成计数，对此时信号的频率进行输出。

LE具体波形如下：

解决了以上问题，即可完成频率的测量以及稳定的输出。

计数、锁存及显示电路总体电路如下；

3调试阶段

调试阶段是一个很复杂的地方，我们要耐心并认真的对待。

首先在正弦波产生的电路中，根据我们所选择的2K的定值电阻，我们应当先将电位器调节到4K以上，让电路可以振荡起来，然后再调节电位器使其约等于4K，则电路可以振荡起来并得到一个稳定的正弦波，双联电位器则可以实现正弦波和方波的统一可调。

正弦波通过过零比较器产生方波信号调试就比较简单，然后两者的幅值分别可调，就直接用的两个从反相端输入的运放，其负反馈电阻用一可变的电位器，调节电位器的阻值，即可实现此功能。

这个地方要注意的是我们必须要将-12V的电压与接地区分开，否则就无法出现所要得到的结果。

在石英振荡的调试中，我们要注意的是线路必须连接正确，要避免中间的断线，石英振荡产生的频率是非常稳定的，线路没有问题的话应该是会成功的。

接下来就是频率测量部分，我们的这部分没有完成，由于时间太过仓促，我们只对计数器的部分进行了调试，发现问题后我们就从秒脉冲信号连入各个门之后，一点点测试经过门处理以后的信号，最终得出经过们处理以后的信号跟我们所要产生的信号是相符的。

然后我们又从计数器端口引出线，将其波形连入示波器上，最终得到了0000到1001的一系列波形，与我们所需要的也是相符的。

再接入锁存器，发现从锁存器输出端输出的波形有些许杂波，但是基本上还是可以认为是我们想要的波形的。

接着我们将信号送入显示器，可是显示器上的数字就是跳动的，只有千位在某些时候是正确的（或许是幸运的成分）。

由于时间太短，所以我们只进行到这一步，下面的调试就没有做了。

4试验心得

从这次的电子设计大赛中，我们都学到了很多的东西，对于面包板及所用器件有了更为深刻的了解。

这次大赛中我们充分了解到了团结协作的重要性，增强了我们理论联系实际的能力，掌握了一些调试电路的技巧，使我们收益匪浅。