函数信号发生器课程设计说明书正文.docx
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函数信号发生器课程设计说明书正文
1前言
函数信号发生器的应用非常广泛，种类繁多。
首先，信号发生器可以分通用和专用两大类，专用信号发生器主要为了某种特殊的测量目的而研制的，如电视信号发生器、脉冲编码信号发生器等。
这种发生器的特性是受测量对象的要求所制约的。
其次，信号发生器按输出波形又可分为正弦波信号发生器、脉冲波信号发生器、函数发生器和任意波发生器等。
在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器；随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。
用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。
本次设计中用到了多块集成芯片包括：
NE555、OPA2228、74HC161…..
函数发生器是现代电子系统的重要组成部分，是决定电子系统性能的关键设备之一。
随着现代通信技术的发展，系统对频率合成器提出了越来越高的要求。
低相位噪声、高频谱纯度、高捷变速率和高频率分辨率的频率合成器已经成为频率合成技术发展的主要趋势。
本次设计是通过分立元件的方法实现方波、三角波、正弦波的产生用户可分别调节该函数发生器产生的正弦波、矩形波、三角波等波形的频率和波幅，该函数发生器应具有一定的带负载能力，发生器能测量仪器产生的波形的频率，用五位十进制数字显示。
本次设计采用分立元件的方法实现各个波形的产生，这样对于所产生的波形的高频率部分和各个电子元件的工作频率就存在选取的问题，而且所输出的函数信号还要求具备一定的带载能力；对于本次的设计采用的方法是分离元件法
将方波产生电路、三角波产生电路、正弦波产生电路三个模块有序搭建，将所产生的波形通过示波器显示出来，这样可以方便用户对所产生的波形进行观察，对于所产生的波形的频率部分则是采用5个共阴极的7段数码管来显示的，这样用户可以方便读取波形的频率值；本次设计最终达到预期的要求和条件，能够实现对所产生的波形进行频率和幅度的调节，并且本次的函数信号发生器所产生的函数信号也到达了要求所规定的带负载能力；通过分立元件法实现函数信号的产生使得电路的模块化程度更高，更高的减少了各个信号发生模块相互间的干扰，这样电路的应用性和可移植性更强。
2总体方案设计
方案一：
通过NE555产生占空比、幅度可调时钟脉冲信号，通过高速集成运算放大器构成减法电路将脉冲信号转变成方波信号，然后将方波信号通过高精度集成运算放大器构成的积分电路将方波信号转变为三角波信号，最后将三角波信号通过差分放大电路变换为正弦信号，从而实现各个波形的转换。
通过74HC161构成异步10进制计数器、74LS48编码器和7段共阴极数码管构成频率显示模块。
图2.1方案一
方案二：
通过RC串并联网络（文氏桥）振荡器产生频率、幅度可调的正弦波信号；通过NE555产生占空比、幅度可调时钟脉冲信号，通过高速集成运算放大器构成减法电路将脉冲信号转变成方波信号，然后将方波信号通过高精度集成运算放大器构成的积分电路将方波信号转变为三角波信号。
频率采集分为两部分，先将RC串并联网络振荡器产生频率、幅度可调的正弦波信号通过电压比较器转换为方波信号，再由74HC161构成异步10进制计数器、74LS48编码器和7段共阴极数码管构成频率显示模块显示出来，第二部分直接对NE555产生的脉冲进行采集显示。
图2.2方案二
方案比较：
两种方案中方案二较方案一更复杂，不易调节，且需要元器件更多，而方案一则更以实现。
方案论证：
方案二中正弦波的频率、幅度调节不能与三角波和方波同步，且RC串并联网络得到的振荡波形不稳定。
方案选择：
根据设计的设计难易程度和可操作性，本次设计采用了方案一进行设计。
3单元模块设计
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
3.1.1NE555脉冲产生电路：
图3.1NE555脉冲产生电路
通过NE555构成一个多谐振荡器，产生一个频率、幅度可调的脉冲。
3.1.2减法电路：
图3.2NE555脉冲产生电路
通过集成运算放大器构成减法电路，用于产生方波。
3.1.3积分电路：
图3.3积分电路
通过集成运算放大器构成减法电路，用于产生三角波
3.1.4频率计数电路：
图3.4频率计数电路
通过74HC161、74LS00构成异步十进制电路，用于对信号频率的采集。
3.1.5差分放大电路：
图3.5差分放大电路
通过集成差分放大器构成差分放大电路，用于正弦波的输出。
3.1.6显示电路：
图3.6波形、频率显示电路
通过7段共阴极数码管、示波器作为波形参数的显示。
3.2电路参数的计算及元器件的选择
3.2.1NE555
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。
Pin1:
（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。
Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。
触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。
Pin3:
（输出）-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。
周期的结束输出回到O伏左右的低电位。
于高电位时的最大输出电流大约200mA。
Pin4:
（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin5:
（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。
当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin6:
（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。
当这个接脚的电压从1/3VC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。
Pin7:
（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
Pin8:
（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。
供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。
NE555可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配;其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
3.2.3NE5534
5534分别是双/单路高效低噪音运算放大器。
相比于那些如TL083的放大器而言，它们拥有更好的噪声性能，更高的外部驱动能力以及更加高的小信号输入和更高的功率带宽。
这使得它们特别适合应用于高质量和专业的音频设备以及仪器仪表，控制电路和电话信道功率放大器。
它的内部补偿大于或等于三，其频率响应可以在外部通过补偿电容针对不同的应用需求（单位增益放大器，电容负载性，转换速率，降低自激等等的要求）优化。
高性能运算放大器结合良好的直流和交流的特点。
一些特点包括很低噪音、高驱动输出能力,高单位增益和最大的输出摆动带宽和高,低失真,转换速率。
这些运算放大器的内部得到补偿等于或大于三个。
频率响应各种的优化使应用程序可以通过使用外部补偿电容器赔偿金之间能够被获得。
这些设备特征有输入保护二极管、输出保护短路,使用剩余和平衡来补偿电压无效的能力。
Pin1:
平衡Pin2:
反相输入
Pin3:
同相输入Pin4:
V-4
Pin5:
补偿Pin6:
输出
Pin7:
V+Pin8:
平衡/补偿
NE5534特性如下：
小信号的带宽：
10MHZ
输出驱动能力：
600Ω，10VRMSat在VS=±18V
输入噪声：
4nV/HZ^2
直流电压增益：
100000
交流电压增益：
6000在频率为10KHZ
功率带宽：
200KHZ
转换速率：
每秒13V
大电源电压范围：
从±3V到±20V
3.2.3OPA2228
Opa2228芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
由于OP2228具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP2228在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP2228同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP2228特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
Pin1:
（Trim）
Pin2:
（-IN）负向输入端
Pin3:
（+IN）正向输入端
Pin4:
（V-）负电压接入端
Pin5:
（NC）空脚
Pin6:
（OUT）输出端
Pin7:
（V+）正电压接入端
Pin8:
（Trim）
opa2228也是音频专用.频宽33M速率10v/us噪声3nv/hz采用这款运放的原因有两点，第一是因为满足要求的输出信号具有一定的带载能力，第二个原因是，在高频转换时达到要求的频率。
OPA228系列运算放大器是针针替换为行业标准的OP-27和OP-37
全线大幅改善。
双四版本都可以节省空间和每渠道降低成本。
OPA227是单位增益稳定，具有高转换率（2.3V/S）和宽带（8MHz的）。
OPA228是OPTI-mized闭环增益大于或等于5，提供了更高的速度与10V/的压摆率和带宽为33MHz。
OPA227和OPA228系列运算放大器是理想的专业音响设备。
此外，低静态当前和低成本，使它们非常适用于便携式应用精度高的要求tions。
3.2.4AD8138
AD8138，该放大器具有较宽的模拟带宽（320MHz,-3dB,增益1），AD8138是高性能高速320MHz差分放大器，采用XFCB双极工艺，容易用作单端到差分放大器的转换，从而简化差分信号放大和驱动，-3dB带宽320MHz，可调整共模输出电压,外部调整增益和低的谐波失真的差分输出帮助平衡输入到差分ADC，最大化ADC的性能和不需要变压器，从而保留了低频和DC信息，8引脚SOIC和MSOP封装，工作温度-40度到85度,可用在ADC驱动器,单端到差分转换器，IF和基带增益区块，差分缓冲器和线路驱动器而且可以实现将单端输入变成差分输出的功能。
此项功能在现代高速模数变换电路中非常有用，因为几乎所有的高速A/D芯片都要求模拟信号为差分输入，虽然部分芯片的手册中提到对于单端输入信号也可使用，但这样一来会使A/D转换结果的二次谐波增大，降低信噪比（SNR）。
AD8138很好的解决了这个问题，我们可以很容易的将单端信号转换成差分输出而不必使用变压器，并且它的输入阻抗高达6MΩ，可以直接与输入信号相连而省略隔离放大器，大大精简了电路结构。
Pin1:
（-IN）负向输入端Pin2:
（Vocm）
Pin3:
（V+）正电压接入端Pin4:
（+Out）正向输出端
Pin5:
（-Out）负向输出端Pin6:
（V-）负电源接入端
Pin7:
（NC）空脚Pin8:
（+IN）正向输入端
AD8138在差分信号处理方面取得了重大进步。
AD8138可以用作单端至差分放大器或差分至差分放大器。
它像运算放大器一样易于使用，并且大大简化了差分信号放大与驱动。
该器件采用ADI公司的专有XFCB双极性工艺制造，-3dB带宽为320MHz，提供差分信号，谐波失真在现有差分放大器中最低。
AD8138具有独特的内部反馈特性，可以提供输出增益和相位匹配平衡，从而抑制偶数阶谐波。
内部反馈电路则可以使外部增益设置电阻不匹配的任何相关增益误差最小。
3.3特殊器件的介绍
3.3.174HC161
74HC161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能.时钟CP和四个数据输入端P0~P3清零/MR使能CEP，CET置数PE数据输出端Q0~Q3以及进位输出TC.（TC=Q0•Q1•Q2•Q3•CET）
从74HC161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。
当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74HC161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。
74HC161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO=Q0•Q1•Q2•Q3•CET。
合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。
表3.174HC161真值表
时钟
清零
使能端P
使能端E
预置
功能
X
L
X
X
X
清零
X
H
X
L
H
保持
X
H
L
X
H
保持
H
X
X
X
置数
H
H
H
H
计数（进位）
3.3.27段共阴极数码管
共阴极数码管是把所有LED的阴极连接到共同接点com，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点），如下图所示。
图中的8个LED分别和上面那个图中的A~DP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。
共阴极数码管是一类数字形式的显示屏，通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数。
由于它的价格便宜、使用简单、在电器，特别是家电领域应用极为广泛，空调、热水器、冰箱等等。
绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏和荧光屏。
透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。
图3.10共阴极数码管
3.3.374ls48
74ls48是4线-七段译码器/驱动器（BCD输入,有上拉电阻）简要说明48为有内部上拉电阻的BCD-七段译码器/驱动器,共有54/7448,54/74LS48两种线路结构型式,其主要电特性的典型值如下:
型号IOLVO（OFF）PD（典型）54/74486.4mA5.5V265mW54LS482mA5.5V125mW74LS486mA5.5V125mW输出端（Ya-Yg）为高电平有效,可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。
当要求输出0-15时,消隐输入（BI）应为高电平或开路,对于输出为0时还要求脉冲消隐输入（RBI）为高电平或者开路.当BI为低电平时,不管其它输入端状态如何,Ya-Yg均为低电平。
当RBI和地址端（A0-A3）均为低电平,并且灯测试输入端（LT）为高电平时,Ya-Yg为低电平,脉冲消隐输出（RBO）也变为低电平.当BI为高电平或开路时,LT为低电平可使Ya-Yg均为高电平。
48与248的引出端排列,功能和电特性均相同,差别仅在显示6和9,248所显示的6和9比48多出上杠和下杠。
引出端符号A0-A3译码地址输入端灯测试输入端（低电平有效）BI/RBO消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效）LTRBI脉冲消隐输入端（低电平有效）Ya-Yg段输出。
表3.274LS真值表
1
X
X
X
X
X
X
X
X
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
X
X
X
X
X
X
X
0
0
0
0
0
1
0
X
X
X
X
X
X
0
1
0
0
1
0
1
0
X
X
X
X
X
0
1
1
0
1
0
0
1
0
X
X
X
X
0
1
1
1
0
1
1
0
1
0
X
X
X
0
1
1
1
1
1
0
0
0
1
0
X
X
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
0
X
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
3.4各单元模块的联接
本次的设计采用的方法是分离元件法，将方波产生电路、三角波产生电路、正弦波产生电路三个模块有序搭建，将所产生的波形通过示波器显示出来，这样可以方便用户对所产生的波形进行观察，对于所产生的波形的频率部分则是采用5个共阴极的7段数码管来显示；具体的连接时555产生的脉冲信号与集成运放构成的减法电路连接，用于构成方波信号，将方波信号的输出端与集成运放构成的减法电路构成三角波的信号发生模块，然后将所产生的三角波通过差分放大电路转换成正弦波；本次设计的缺点是每种波形的频率是相同的，不能分别调频率，这样做考虑到元件数量的使用，以及各个模块的相互利用率，避免了元件的浪费。
每个函数信号的输出端是接普通示波器，这可以方便使用者对波形的观察，另外还通过计数器对555芯片产生的脉冲信号进行计数，最后通过编码器和译码器将所采集频率用7段共阴极数码管显示出来。
4系统调试
1.脉冲信号产生是主要是对NE555的R1、R2、C1大小调节实现的，因为用NE555所构成的多谐振荡器所产生的脉冲信号的频率（NE555的振荡频率）f=
电路输出的占空比q为q（%）=
最终所输出的脉冲信号幅度为12V，频率为：
1000Hz~1000000Hz可调。
2．减法电路用于方波的产生，通过高速集成运放构成，在本次设计电路中当R3=R4、R5=R9时有Uo=
，使得可以将脉冲信号变为方波信号。
3.三角波信号的是产生是通过高精度的集成运算器所构成的反相积分电路对上级所产生的方波信号进行积分获得的，具体的积分原理为
dt+Uc（o）式中Uc（o）是t=0时电容C3两端的电压值，即初始值。
4.最后产生的函数信号是正弦波信号，是通过差分放大电路对上级产生的三角波信号进行差分放大得出的。
5.在函数信号频率显示部分采用的7段共阴极数码管进行显示，在调试过程中也尝试过利用共阳极数码管显示但是由于选取的译码显示芯片的关系，最后还是选取的共阴极数码管。
5系统功能、指标参数
表5.1指标参数
指标参数
信号类型
幅度
（V）
频率（Max）
（Khz）
频率（Min）
（Khz）
方波
12
2000
1
三角波
5
800
1
正弦波
5
300
1
5.1系统能实现的功能
本次设计的函数信号发生器可以产生方波、三角波、正弦波三种信号，并且可以实现对所输出的信号进行幅度和频率的调节，产生的信号波形通过示波器显示出来，二信号的频率是通过5个7段共阴极数码管显示出来，本次设计的函数信号发生器还考虑到功率的问题，在输出功率上有所改进，在输出功率上可以达到最大5W的输出。
5.2系统指标参数测试
1.产生三种波形函数：
正弦波、方波、三角波。
2.方波幅度：
11.85伏；正弦波和三角波幅度：
4.91伏
3．函数发生器产生的频率分二档：
100HZ~10000HZ；10000HZ~300KHZ
4．函数发生器带负载能力：
Pmax=5W
5．函数发生器产生的频率和幅度连续可调。
6．函数发生器数显功能：
5位十进制数字显示函数发生器产生的频率。
5.3系统功能及指标参数分析
产生的方波的幅度通过对NE555的8脚输入电压的值来调整，实测的方波的幅度值为11.85，所造成误差的原因是NE555芯片内部分压，由于将NE555所产生的脉冲信号作为基信号，所以NE555能产生的最大频率决定了所有函数信号能达到的最大频率。
6设计总结
为期两周的课程设计已经进入了收尾阶段。
我在和同组同学的奋斗中，充实地渡过了这忙碌的时光。
实践，是检验真理的唯一标准。
经过这炎热的两周，我深刻体会到了这句话的真谛。
理论知识很了解，但一动起手来就不知所措了。
这就是所谓的读书人不一定会工作的实例吧！
课程设计，是完全由我们学生自己动手动脑的一次尝试。
因此，团队合作就相当重要了。
从找材料（资料）到设计电路、从仿真到实际焊接、从失败到成功，这都需要合理分配团队中的每个人，从而达到省时、省力、省心的效果。
作为项目组长的我，不仅在此项目中学到了技能，更重要的是学到一种团队精神，一种分享收获的喜悦，一个小组一个团队要有统一的目标，统一的意见，和一个优秀的领导人，这样才能更有效的完成我们前进中遇到的难题和困难。
从学校走向社会，首要面临的问题便是角色转换的问题。
从一个学生转化为一个单位人，在思想的层面上，必须认识到二者的社会角色之间存在着较大的差异。
学生时代只是单纯的学习知识，而社会实践则意味着继续学习，并将知识应用于实践，学生时代可以自己选择交往的对象，而社会人则更多地被他人所选择。
诸此种种的差异。
不胜枚举。
但仅仅在思想的层面上认识到这一点还是不够的，而是必须在实际的工作和生活中潜心体会，并自觉的进行这种角色的转换。
通过2周的实战，我们掌握了课本外的实际知识，将书本上理论的知识，通过我们有着共同爱好的小组一起完成了这次实训内容。
除了完成了老师给的实训任务，我们收获更多的是一个集体的力量，一起共同完成一项任务后的满足感，真的很感谢学校和老师在期末给我们怎么好的实习机会，所以每次我都十分珍惜这些机会，这次也不例外。
所以我非常感谢学校和老师给我们这么好的学习机会，在项目中我们也体会到一位优秀的教师为我们这次项目的付出，在老师的精心组织下，我们班顺利完成了规定任务。
实训是短暂的，但它让我们在学校里学到了我们平常在书本上没能学到的动手方面的实践，那也是我们毕业前与社会工作的接触，它让我们感受集体的力量，感受了与社会类似的工作。
为我们毕业后的社会工作做好准备。
7谢辞
在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。
首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把本次课程设计做得更加完善，张老师多次帮助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励，本课题在选题及研究过程中得到张祖媛老师的悉心指导，张老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。
张老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。
张老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽只历时两周，却给以终生受益无穷之道。
对张老师的感激之情是无法用言语表达的。
感谢张
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