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暑期电子实习报告

电路综合实习报告

学院：

机电学院

专业：

通信工程

班级：

姓名：

学号：

组员：

指导老师：

郝国成张晓峰闻兆海

吴让仲李杏梅王巍

时间：

函数发生器

一、函数发生器设计

1、实习内容及要求：

任务：

一个电路同时产生正弦波、三角波、方波。

①要求：

1）正弦波幅度不小于1V；

三角波不小于5V；

方波不小于14V；

2）频率可调，范围分为三段：

10HZ—100HZ；100HZ—1KHZ；1KHZ—10KHZ。

②主要性要求能：

1）输出信号的幅度准确稳定

2）输出信号的频率准确较稳定

2、设计方案

①总体方案：

函数发生器的设计需要我们运用模拟电路部分所学的知识，产生正弦波、三角波、方波的方案有许多，根据设计的电路，选择集成运放产生波形。

集成运放是一种高增益放大器，只要加入适当的反馈网络，利用正反馈原理，满足振荡条件，就可以构成方波-正弦波-三角波等各种振荡电路。

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。

根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块8038）。

为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。

本课题采用先产生波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，

由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。

特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

②具体方案：

方案1：

VO1VO2VO3

框图中第一部分单元电路为RC文氏电桥正弦波振荡电路。

其输出的正弦波VO1通过第二部分单元电路迟滞比较器变换为方波输出V02。

第三部分单元电路为积分器，它将方波VO2积分变换为三角波VO3输出。

方案2：

将迟滞比较器与积分器首尾相连，构成方波-三角波产生器，然后将三角波用差动发达器变换为正弦波。

三角波→正弦波的变换主要有差分放大器来完成。

其设计框图如图：

方案3：

采用IC芯片8038设计的方案：

ICL8038是性能优良的集成函数信号发生器芯片。

8038在使用中可用单电源（+10V~+30V）供电，也可以用双电源（+5V~+15V）供电。

频率的可调范围为0.001Hz-300kHz。

输出矩形波的占空比q的调节范围为2%-98%，上升时间为180ns，下降时间为40ns。

输出三角波的非线形小于0.05%，输出正弦波的失真度小于1%，8038为压控振荡器（VCO）或频率调制器（FM）。

方案四：

利用555定时器产生方波，方波通过积分电路产生三角波，再将产生的三角波经过低通电路滤波后送入差分放大器产生正弦波。

③方案选择：

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。

特别是做直流放大器时，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

由于本实验要求最低频率为10Hz，并且变化的范围较大，因此方案一对于此试验无法满足此要求；对于方案三，由于芯片的造价太高，不实际，因此选用方案二比较合适。

集成运放是一种高增益放大器，只要加入适当的反馈网络，利用正反馈原理，满足振荡条件，就可以构成方波-正弦波-三角波等各种振荡电路。

但由于受集成运放带宽的限制，其产生的信号频率一般都在低频范围。

故选用第二种方案。

3、原理分析

①总电路图（方波—三角波—正弦波产生电路）

②功能模块

1）方波—三角波产生电路

上图所示为产生方波-三角波电路。

工作原理如下：

若a点短开，运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。

由图分析可知比较器有两个门限电压

运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1时，则输出积分器的电压为

当Uo1=+VCC时

当Uo1=-VEE时

可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图所示。

A点闭合，即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。

方波-三角波的频率为：

由上分析可知：

（1）电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。

（2）方波的输出幅度应等于电源电压。

三角波的输出幅度应不超过电源电压。

电位器RP1可实现幅度上午微调，但会影响波形的频率。

2）正弦波产生电路

三角波→正弦波的变换主要有差分放大器来完成。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。

特别是做直流放大器时，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

波形变换的原理是利用差分放大器传输特性的非线性。

（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

图2.3.2.2b为三角波→正弦波的变换的电路。

其中RP1调节三极管的幅度，RP2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减少差分放大器的线性区。

电容C1、C2、C3为隔直电容，C4为滤波电容，以减少滤波分量，改善输出波形。

比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下：

由于

因此

取R3=10kΩ,则R3+RP1=30kΩ，取R3=20kΩ,RP1为47kΩ的电位器。

取平衡电阻R1=R2//（R3+RP1）≈10kΩ。

因为

当1Hz≤f≤10Hz时，取C2=1μF，则R4+RP2=（75~7.5）kΩ，取5.1kΩ，RP2为100kΩ电位器。

当19Hz≤f≤100Hz，取C2=0.01μF以实现频率波段的转换，R4、RP2的值不变。

取平衡电阻R5=10kΩ。

三角波→正弦波变换电路的参数选择原则是：

隔直电容C3、C4、C5要取得大，因为输出频率较低，取C3=C4=C5=470μF，滤波电容C6一般为几十皮法至0.1μF。

RE2=100Ω与RP4=100Ω，相并联，以减少差分放大器的线性区。

差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R’确定。

3）引脚图

LM741

4）元件清单

名称

型号

数量

直流稳压电源

1台

双踪示波器

1台

万用表

1只

运算放大器

LM741

2片

电位器

50K

2只

100K

1只

100Ω

1只

电阻

20K

1只

10k

5只

8K

1只

6.8K

2只

5.1K

1只

2k

2只

100Ω

1只

电容

470uF

3只

10uF

1只

1uF

1只

0.1uF

2只

0．01uF

1只

三极管

9013

4只

万用板

1块

导线

1.

若干

5）原理仿真图

6）波形仿真图

方波：

三角波：

正弦波：

4、调试过程与结果

1方波—三角波的调试

由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。

需要注意的是，安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使RP1=10KΩ，RP2取（2.5~70）Ω内的任一阻值,否则电路可能会不起振.只要电路接线正确,上电后,U01的输出为方波,U02的输出为三角波,微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求,调节RP2,则输出频率在对应波段内连续可变.

2正弦波调试

装调三角波-正弦波变换电路，其中差分放大器可利用课题三设计完成的电路。

电路的调试步骤如下：

经电容C4输入差模信号电压uid=500mV，fi=100Hz的正弦波。

调节RP4及电阻R*，使传输特性曲线对称。

再逐渐增大uid，直到传输特曲线形状如图3-73所示，记下此时对应的uid，即uidm值。

移去信号源，再将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作点I0、Uc1、Uc2、Uc3、Uc4。

将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出幅度经RP3后输出等于uidm值，这时U03的输出波形应接近正弦波，调整C6大小可以改善输出波形。

如果U03的波形出现如图1所示的几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的相应措施有：

1钟形失真，如图1.2（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小RE2。

②波圆顶或平顶失真，如图1.2（b）如示，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R*。

③非线性失真如图1.2（c）所示，三角波的线性度较差引起的非线性失真，主要受运放性能的影响。

可在输出端加滤波网络（如C6=0.1mF）改善输出

5、测试数据记录

在各个波形都不失真的情况下，得到下列测试结果：

初始值

电容大小

C1=10u

C2=1u

波形

峰峰值

频率

峰峰值

频率

方波

10.5V

20.8Hz

10.5V

18.8Hz

三角波

6.0V

20.8Hz

24.6V

18.8Hz

正弦波

0.58V

20.8Hz

0.58V

18.8Hz

（Vcc+=11.9VVcc-=-11.8V）

测量值

电容大小

C1=10u

C2=1u

波形

峰峰值范围

频率范围

峰峰值范围

频率范围

方波

10.5V

0.45~33Hz

10.5V

4.15~30.2Hz

三角波

5.5～16V

9.9~32.0Hz

16.0～45.0V

4.13~30.2Hz

正弦波

0.24～0.6V

10.5~32.0Hz

0.4～0.55V

50~30.2Hz

6、实习小结

函数发生器制作，虽然焊接出来的电路板不美观，但是很实用，产生的波形的标准程度与电路板的外观成反比。

不过中间也产生了一些小插曲，焊接好电路板后，由于忘记安装芯片，直接把电路板节电，在我们的各种修改下，居然还调出了方波，让我们很诧异，然我们思考，这个芯片的作用到底是什么，是不是仅仅稳定输出波形的标准程度。

事后，我们安装了芯片，然后很快就调出了方波和三角波，对于正弦波，起初是失真，然后请教老师，我们就调节滑动变阻器RP1的阻值，最终调节出了标准的正弦波。

然后就是调节频率的问题，这点很值得自豪，三个阶段的频率，我们都能很完整的调节出来，主这点要是对于电容的选择。

至于别的问题，那就是下个实验焊接电路板时要注意美观的问题，下次会注意些。

在这个实验中，我们发现了很多问题，首先示波器原有波形对函数发生器产生了干扰，一开始以为调出了方波，但发现运放没有接通；将运放接通后，发现还是没有相应的波形，让我们很苦恼。

在随后的检查中并没有什么过错，于是我们决定在焊接一块小板子，结果依旧不理想。

最后再换了两块运放后，一切都正常了。

这让我们决定在下一次焊电路之前先检查芯片的好坏。

多功能数字钟电路设计

一、设计任务和性能分析

多功能数字钟电路由波形发生器，“时、分、秒”计数器，译码器及显示器、校时电路、整点报时电路等组成。

秒计数器采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。

同理，分计数器每累计60分发出一个“时脉冲”信号，该信号将作为“时计数器”的时钟脉冲。

时计数器采用24进制计数器。

译码显示电路将时、分、秒的输出状态经七段显示译码器译码，通过六位LED数码管显示出来。

整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一个脉冲信号，然后触发蜂鸣器实现整点报时。

1、实习要求

掌握数字电路系统的设计方法、装调技术及数字钟的功能扩展电路的设计。

2、基本功能

准确计时；

以数字形式显示时、分、秒；

小时的计时要求为“24进制”，分、秒计时要求为60进制；

能够校正时间。

3、扩展模块功能

定时控制，时间可自行设定；

仿广播电台整点报时；

报整点时数；

二、系统方案论证

1、方波产生电路的选择

方案一：

采用CPLD或者FPGA产生方波，精度较高，几乎没有毛刺，但成本也比较高。

方案二：

用单片机控制DDS模块（可以由CD9850构成的波形信号发生模块）产生方波，它的精度较高，波形稳定。

方案三：

利用运放（UA741、OP07等）的非线性作用产生振荡，通过外接滑动变阻器来调节输出方波的频率。

但由于存在直流分量很难达到预期的要求，频率不够。

方案四：

采用石英晶体振荡器，通过单片机可以调节频率的大小。

但是经过实际测试，12MHz的晶振最大能产生38KHz的方波。

方案五：

采用NE555和RC构成方波振荡电路。

其优点成本低，结构简单；但是电路参数匹配需要严格细调，而且此电路容易产生频率漂移。

方案选择：

经过分析论证及结合本次实习的目的，我采用了方案五，可以在NE555的后面接一个由NE555设计的施密特触发器来维持波形的稳定。

2、分频电路的选择

方案一：

利用JK触发器实现十分频电路。

十分频电路也就是相当于设计一个十进制的计数器，可以确定需要4个JK触发器，因为4个JK触发器的输出最多可以表示16个状态。

方案二：

可以直接用十进制计数器74LS90来实现十分频，假如NE555产生的是1kHz的方波，可以用3个10分频串行连接得到。

方案三：

控制震荡电路不一定产生1kHz的方波，然后可以根据需求采用相应的分频电路。

方案选择：

经过分析论证，采用方案二。

3、时分秒计数器电路的选择

方案一：

74LS160是4位二进制同步加法计数器，除了有二进制加法计数功能外，还有异步清零、同步并行置数、保持等功能。

秒计数电路由两位计数芯片74LS160构成的60进制计数器。

分计数电路与秒相同，只不过将十位的进位信号接到时计数电路的使端。

计数器和分计数器相似，它由两位计数芯片74LS160构成的二十四进制计数器，将一片74LS160设计成4进制加法计数器，另一片设置2进制加法计数器。

图2.3.1六十进制计数功能电路图

图2.3.2二十四进制计数功能电路图

方案二：

数字钟的“分”和“秒”计数器均为模60的计数器，它们的个位都是十进制计数器，而十位则是六进制计数器，因此可选用74LS90作为“分”和“秒”的个位计数器，74LS92作为“分”和“秒”的十位计数器，其中，十位计数器将74LS92连接成模6计数器。

数字钟的“时”计数器为模24的计数器，其计数规律为00->01->…->22->23->00…，因为M=24<102,应选用2片74LS90，将其连接成模24计数器作为时计数器。

图2.3.3六十进制计数功能电路图

图2.3.4二十四进制计数功能电路图

方案三：

数字钟的分和秒计数器为60进制的计数器，时计数电路为12进制计数器，采用一片74LS74和一片74LS191以及与非门（74LS00）、非门（74LS04），74LS191为二进制可逆计数器。

图2.3.5十二进制计数功能电路图

方案选择：

经过分析论证及结合本次实习的要求，我采用了方案二，此方案电路简单可行。

4、驱动和显示电路的选择

方案一：

计数器实现对时间的累计以8421BCD码形式输出，显示译码电路将计数器的输出数码转化为数码显示器件所需要的输出逻辑，从而变成相应的数字。

选用74LS48来驱动，74LS48是BCD-7段译码器，输出高电平有效，用于驱动LED七段共阴极显示数码管。

将秒、分、时计数器的每位输出经过译码电路后再分别接到相应的数码管的输入端，便可显示不同的数字。

图2.4.174LS48译码与显示电路图

方案二：

采用74HC4511驱动，74HC4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，它具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。

可直接驱动LED显示器。

方案选择：

经过分析论证及结合本次实习实验室的选用器件，我采用了方案二，此方案电路简单可行。

另外，译码电路和数码管之间的限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻，如果能够控制降低电压的话也可以不加。

图2.4.274HC4511译码与显示电路图

5、（扩展模块）整点报时电路的选择

方案一：

电路在整点前10秒钟内开始整点报时，每隔1秒鸣叫1次，每次持续时间为1秒，共鸣叫5次，即当时间在59分51秒到59分59秒期间时，报时电路进行报时。

报时电路因为分计数器和秒计数器从59分51秒到59分59秒计数过程中，只有秒个位计数器计数，而分十位、分个位、秒十位的计数器状态不变。

用74LS20和与非门、非门得以实现，所以，根据逻辑式可得如下电路图。

图2.5.17整点前10秒报时电路图

方案二：

用74LS20四输入与非门和一个蜂鸣器构成整点报时电路。

设定电路在59分开始，到整点时结束，为时一分钟。

数字钟的分计数器为60进制的计数器，它们的个位都是十进制计数器，而十位则是六进制计数器，因此可选用74LS90作为分的个位计数器，74LS92作为分的十位计数器。

当59分时74LS92输出为0101，74LS90输出为1001，将74LS92的9脚、12脚和74LS90的11脚、12脚与非起来，再接一个蜂鸣器就构成了整点报时电路，一旦分钟数改变，蜂鸣器将停止鸣叫。

图2.5.2整点报时电路图

方案选择：

经过分析论证，我采用了电路简单可行的方案二。

三、硬件电路设计

1、方波产生电路

采用NE555和RC构成方波振荡电路。

图3.1.1方波产生电路图中，电容C1，电阻R3、R1作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形正、负脉冲的宽度，然后通过调节电位器R3可以调节输出脉冲的频率。

此方案中，通过调节R3，使输出的方波频率为1ＫＨｚ。

图3.1.1方波产生电路图

２、分频电路

图3.1.2分频电路图

分频电路是由３个十进制计数器74LS90串行连接来实现千分频。

３、时分秒计数器电路　

数字钟的“分”和“秒”计数器均为60进制的计数器，它们的个位都是十进制计数器，而十位则是六进制计数器，因此可选用74LS90作为“分”和“秒”的个位计数器，74LS92作为“分”和“秒”的十位计数器，其中，十位计数器将74LS92连接成模6计数器。

数字钟的“时”计数器为模24的计数器，其计数规律为00->01->…->22->23->00…，因为M=24<102,应选用2片74LS90，将其连接成模24计数器作为时计数器。

图3.3.1秒、分计数器电路图

图3.3.2时计数器电路图

4、译码和显示部分电路

图3.4.1译码和显示部分电路

计数脉冲经过CD4511译码后变成7段显示码，使数码管显示相应数字，电路如上图所示。

图中74HC4511是一个用于驱动共阴极LED数码管的BCD码—七段码译码器，它具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。

可直接驱动LED显示器。

另外，译码电路和数码管之间的限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻，如果能够控制降低电压的话也可以不加。

此次实习，由于电压控制得当，故不需加限流电阻。

5、校时电路

图3.5.1校时部分电路

校时电路是数字钟不可缺少的部分，当数字钟与实际时间不符时，可以根据标准时间进行校时。

根据要求，数字钟具有分校正和时校正的功能。

因此，校“时”时，断开秒和分的进位脉冲输入，校正分时，校正时时类似。

并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。

把K1开关按下时，即接通校时电路，来回拨动一次，能使位数增加1，校正完毕后，把K1开关断开，计时正常。

另外，为了消除机械开关的抖动影响，可以将按钮开关换成拨码开关。

6、（扩展模块）整点报时电路

用74LS20四输入与非门和一个蜂鸣器构成整点报时电路。

设定电路在59分开始，到整点时结束，为时一分钟。

数字钟的分计数器为60进制的计数器，它们的个位都是十进制计数器，而十位则是六进制计数器，因此可选用74LS90作为分的个位计数器，74LS92作为分的十位计数器。

当59分时74LS92输出为0101，74LS90输出为1001，将74LS92的9脚、12脚和74LS90的11脚、12脚与非起来，再接一个蜂鸣器就构成了整点报时电路，一旦分钟数改变，蜂鸣器将停止鸣叫。

四、调试及性能分析

整个调试过程最好是分层次进行，先单元电路，再模块电路，最后系统联调。

按照分配的指标、分解的模块，一部分一部分调试，然后将各模块连接起来总调。

本电路采取分级调试的方法。

首先，运用示波器测试555定时器的输出端是否有1KHZ的方波输出若没有，在方波产生电路图中，电容C1，电阻R3、R1作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形正、负脉冲的宽度，然后通过调节电位器R3可以调节输出脉冲的频率。

直到有1KHZ方波输出为止；然后逐级的测试3个十进制计数器74LS90串行连接后的输出端，看是否有100HZ、10HZ、1HZ的方波输出,若有方波输出，但不是1HZ，则需调节电位器，直到输出为标准的1HZ方波为止。

接下来将1HZ方波输入计数器秒个位，看计数是否正确；最后将秒个位输出脉冲输入到秒十位，看是否有进位。

同理可分别测试分电路和小时部分电路，直到计数准确为止。

当主体部分调试完毕后，再进行扩展部分电路的调试。

首先连接校时电路。

利用1ＨＺ方波对小时电路和分电路进行校时。

开关Ｋ１闭合时，可设定时个位和时十位；开关Ｋ２闭合时，可设定分个位和分十位。

然后连接整点报时电路，每当数字钟计时到整点（或快要到整点时）发出音响，通常按照4低音1高音的顺序发出间断声响，以最后一声高音结束的时刻为整点时刻。

设4声低音分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音发生在59分59秒，它们的持续时间为1秒。

至此，整个电路调试完毕。

经过调试，此次实习焊接的电路均符合题目任务的要求。

附录：

故障诊断与排除方法

信号寻迹法：

逐级检查

对分法：

缩小故障范围

分割测试法：

切断电路间的相互联系，查找原因

电容器旁路法：

用于自激或排查干扰的时候

对比法：

相同电路对比

替代法：

用已知正常的电路、器件代替怀疑的电路

静态测试法：

确定单一故障元件

动态测试法：

观察动态工作状况

五、实习中的问题及解决方法

这次电路实习前，我先确定好了方案，搞清楚原理和查阅相关芯片的引脚图后，用multisim正确仿真。

然后我就开始按照电路图逐级的焊接并调试。

在焊接和调试的过程中，我一共遇到3个问题，第一个，前面的振荡电路通过千分频电路后产生1Hz的方波，但是接下来的秒计时器和驱动、显示电路不能正常显示。

于是，我借助万用表，按照芯片的引脚图逐个检查电路的焊接，经过一个晚上，辛辛苦苦检查