简易信号发生器和简易频率计课程设计 精品.docx
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简易信号发生器和简易频率计课程设计精品
中原工学院
课程设计
课程名称：
电子技术综合设计与实践
题目名称：
简易信号发生器和简易频率计
课程设计任务书
姓名
学号
班级
学院
电子信息学院
课程
电子技术综合
题目
简易信号发生器和简易频率计
设计任务
1.设计一个的正弦波、方波和三角波发生器：
（1）频率可调范围：
2Hz—20KHz，分为4档：
2—20Hz；20—200Hz；200Hz—2KHz；2—20KHz；
（2）幅度可调范围：
0—5V；
（3）可调偏置。
2.设计一个简易数字频率计：
（1）可测量信号频率范围：
1~100KHz，显示单位为Hz；
（2）输入电压幅度VPP：
100mV—10V；
（3）输入信号波形：
任意周期信号；
（4）显示方式:
6位十进制数显示。
时间进度
第17、18周2010.12.27-2011.1.7
星期一、二布置设计方案、预设计及验收
星期三、四、五计算机仿真及仿真结果验收
星期一上午发放元器件、领取工具
星期一下午焊接
星期二、三、四安装、调试、教师验收
星期周五打印图纸、写设计报告
主要参考资料
1.康华光。
电子技术基础数字部分（第五版）。
北京：
高等教育出版社，2006；
2.康华光。
电子技术基础模拟部分（第五版）。
北京：
高等教育出版社，2006；
3.电子技术（下）实验指导书，中原工学院电子技术课程组自编，2011；
中文摘要
函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。
函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。
通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。
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，先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。
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。
数字频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。
在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。
在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。
测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。
关键词：
函数信号发生器方波三角波正弦波
数字频率计测量频率过程自动化触发器
Abstract
Functionsignalgeneratorisabletogenerateavarietyofwaveforms,suchasthetrianglewave,sawtoothwave,rectangularwave（includingsquarewave）,sinewavecircuit.Functionsignalgeneratorhasaverywiderangeofusesinthedetectioncircuitexperimentsandequipment.Functionwaveformgeneratorprincipleandcompositionanalysis,designcantransformatrianglewave,sinewave,squarewavefunctionwaveformgenerator.Thistopicusedjointlybytheintegratedoperationalamplifierwithtransistordifferentialamplifierconsistingofsquarewave-triangularwave-sinefunctiongeneratordesignmethod,thefirstcomparatorgeneratesasquarewave,triangularwavegeneratedthroughtheintegrator,formedbythedifferentialamplifiersine.Waveformconversionprincipleistousenonlineardifferentialamplifiertransfercharacteristiccurve.
Digitalfrequencymeterisatimingcircuit,itismainlyconstitutedbytheflip-flophasamemoryfunction.,Havebeenwidelyusedincomputeranddigitalinstrument.Inelectronictechnology,thefrequencyisoneofthemostbasicparameters,andmanyelectricalparametermeasurementsolutions,themeasurementresultsareverycloserelationshipbetweenthefrequencymeasurementbecomesmoreimportant.Measurementfrequencyvariety,electroniccountermeasuresthefrequencywithhighprecision,easytouse,rapidmeasurement,aswellasfacilitatetherealizationofthemeasurementprocessautomationisoneoftheimportantmeansoffrequencymeasurement
Keywords:
Functionsignalgenerator,squarewave,trianglewave,sinewave
Digitalfrequencymeter,measurementfrequency,processautomation,triggers
1.前言------------------------------------------------------------------------1
2.总体方案设计------------------------------------------------------------2
3.设计原理------------------------------------------------------------------3
3.1简易信号发生器的基本原理------------------------------------------3
3.2数字频率计的基本原理------------------------------------------------7
4.电路调试与仿真-------------------------------------------------------11
4.1电路的调试-------------------------------------------------------------11
4.2电路的仿真-------------------------------------------------------------12
4.3电路板的调试----------------------------------------------------------13
5.心得体会----------------------------------------------------------------15
6.参考文献----------------------------------------------------------------17
7.附录---------------------------------------------------------------------18
1前言
频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。
输入电路：
由于输入的信号可以是正弦波，方波。
而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。
在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。
所以在通过整形之前通过放大衰减处理。
当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。
当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。
通过时基电路及控制电路锁存器将最终频率稳定的显示在数码管上。
函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。
2.总体方案设计
1.可先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变成方波，再由积分电路，方波变成三角波；也可先产生三角-方波，再将三角波变成正弦波。
如下框图所示。
方波三角波正弦波
2.频率计是直接用十进制来显示被测信号频率的一种测量装置。
它可以测量正弦波、方波和三角波的频率。
利用施密特触发器将输入信号整形为方波，并利用计数器测量1s内脉冲的个数，利用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。
数字频率计的整体结构要求如图1-1所示。
图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，档位转换用于选择测试的项目------频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。
数字频率计系统结构框图
3．设计原理
3.1、简易信号发生器基本原理
1、函数发生器的组成
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。
电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。
根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。
2、正弦波产生电路
正弦波振荡电路的振荡条件；
3、RC桥式正弦波振荡器
图为RC桥式正弦波振荡器。
其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、RW及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。
调节电位器RW，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。
利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。
D1、D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。
R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。
电路的振荡频率
起振的幅值条件
≥2
式中Rf＝RW＋R2＋（R3//rD），rD—二极管正向导通电阻调整反馈电阻Rf（调RW），使电路起振，且波形失真最小。
如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大Rf。
如波形失真严重，则应适当减小Rf。
改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。
一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。
RC桥式正弦波振荡器
4、方波发生器
由集成运放构成的方波发生器和三角波发生器，一般均包括比较器和RC积分器两大部分。
图11-2所示为由滞回比较器及简单RC积分电路组成的方波—三角波发生器。
它的特点是线路简单，但三角波的线性度较差。
主要用于产生方波，或对三角波要求不高的场合。
电路振荡频率
式中 R1＝R1'＋RW'R2＝R2'＋RW"
方波输出幅值 Uom＝±UZ
三角波输出幅值
调节电位器RW（即改变R2／R1），可以改变振荡频率，但三角波的幅值也随之变化。
如要互不影响，则可通过改变Rf（或Cf）来实现振荡频率的调节。
方波发生器
5、 三角波和方波发生器
如把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图11－3所示，则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。
图为方波、三角波发生器输出波形图。
由于采用运放组成的积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波线性大大改善。
三角波、方波发生器
电路振荡频率
方波幅值 U′om＝±UZ
三角波幅值
3.2、数字频率计的基本原理
数字频率计的整体结构要求如图所示。
图中被测信号为外部信号，送入测量电路进行处理、测量，档位转换用于选择测试的项目------频率、周期或脉宽，若测量频率则进一步选择档位。
数字频率计原理框图
放大整形电路
由二极管及电阻组成的幅度扩展电路和555构成的施密特触发电路构成整形电路如图
放大整形电路
二极管D1，D2及电阻R1，R2构成信号幅度扩展电路，当输入信号较小时，限幅器的二极管均截止，不起作用。
用555构成的施密特触器作用是将输入的周期性信号，如正弦波，三角波或其他呈周期性变化的波形变换成脉冲波形，其周期不变。
时基电路
时基电路的作用是控制计数器的输入脉冲。
当标准时间信号（1s正脉冲）到来时，闸门开通，被测信号通过闸门进入计数器计数；当标准脉冲结束时，闸门关闭，计数器无脉冲输入。
时基电路可以有555定时器构成的多谐振荡器实现
时基电路
时间长度为0.25s。
利用式t1=0.7（R1+R2）C；t2=0.7R2C计算参数，器件参数如图
控制电路
控制电路可以由单稳态电路来构成如图所示
逻辑控制电路利用标准时间信号结束后产生的负跳变来产生锁存信号，同时锁存信号反向产生清零信号，锁存信号的脉冲宽度由单稳态电路本身的时间常数决定。
计数，锁存，译码，显示电路
（1）同步六进制加法计数器构成，可以选择同步六进制加法计数器74LS160、同步十进制加法计数器74LS190或74LS192、双BCD码计数器CD4518等电路来实现。
本次实验采用了74LS160作为同步十进制加法计数器。
计数部分电路（只画其中两个）如图所示
（2）锁存器可采用8D锁存器74373或74LS273.本实验采用的是74LS273。
锁存器的作用是将计数器在1S结束时的计数值进行锁存，使显示器上或得稳定的测量值。
当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。
正脉冲结束后，输出不再改变。
（3）译码器及数码管译码器可采用共阴极显示译码器74LS48或共阳极显示译码器74LS47，由于本实验中采用的是74LS48来实现的译码功能，并与六个数码管相连。
4电路调试与仿真
4.1电路的调试
1方波—三角波发生器的调试
比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波和正弦波，A1输出为方波，A2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，则输出频率连续可变。
2三角波—正弦波变换的调试
1）差分放大器传输传输特性曲线调试。
将C4与RP3的连线断开，经电容C4输入差模信号电压uid=50mV，fi=10kHz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2-3-2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Io、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。
2）三角波-正弦波变换电路的调试。
将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出幅度经由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3-1-1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（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小RE2。
②半波圆顶或平顶失真：
如图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（c）所示，三角波的线性度较差引起的失真，主要受运放性能的影响。
可在输出端加滤波网络（如C6=100pF）改善输出波形。
4.2电路的仿真
方波---三角波发生电路的仿真
三角波---正弦波转换电路的仿真
4.3电路板调试
电路板的制作与焊接都完成后，就到了电路的调试过程。
连接电源，这一过程可先用万用表测量给出是否为±9V，连到器件上的时候千万不要接错工作电压，不然会烧掉运放LM324。
1.观察给+5V的方波输出：
示波器一端接多谐振荡器输出测试点，一端接地；观察输出波形如图，该图为为输出幅度+5V。
2、观测±9V的方波输出：
将示波器另一端接比较器输出点，这个主要是观测幅度是否达到±9V。
如图：
3、最后观测输出波：
经滤波放大后
如图
5.心得体会
首先感谢这次机会进行课程设计，让我们在为期一周的电子课程设计中懂得了更多，学到了更多。
电子设计是我们必需要学会的技能，而熟练的使用protel等电路设计软件是我们应该具备的基本技能，这也是我们步入社会的一个个小小的动手能力提高。
通过此次课程设计，更加深刻的理解了实践的内涵，开始时只是盲目的在Proteus7Professional这个软件上乱画，忽略了动手的意义，后来按老师说的将我们所做的课设的电路图画在纸上，感觉头脑里清晰了很多。
亲自在纸上画图或许很难，但是这种方法真正能使我们清楚电路的结构，从细节上找出我们所忽略的东西，电路的运行操作是否正确更是一目了然。
免去了在上机时不知道哪里错的盲目时间，使我们很快找出自己的毛病。
而且也更加领悟到了老师的作用，开始时因为555定时器的功能不很了解，查了好多资料和书，才明白了它的作用。
上课老师都仔细讲过的东西，当时没由好好听讲，课下花了好多时间去看它。
十分感谢这次课设老师对我的帮助，让我对这门课有了更深的了解。
时，通过网上搜索等多方面的查询资料，我学到许多在书本上没有的知识，也认识到理论联系实践的重要。
理论学得好，但如果只会纸上谈兵，一点用都没有。
以后也很难找到工作。
在这次设计中，我们开始没买到三极管的的放大倍数在30～150倍之间的，因此我们第一次做好之后，就去调试，居然没点信号，这是我的三极管的放大倍数太小了啊。
我们去买适合的放大倍数的三极管。
第二次我们终于成功了，真的好高兴。
制作好以后，虽然符合设计要求，但我们总觉得欠缺点什么。
这次设计，让我感受最深是，当我们测量输出电压时，发现误差很大。
连续测量了好几次，结果还是一样。
当时我们就急了，到底是哪里出问题了呢？
线路应该是接好了的，因为有电压输出。
难道是参数计算出了问题吗？
也不会。
我们都给老师看过了的，确定无误才开始做的。
有的组员当时提议重新接线，但大部分人反对。
最后我们想，会不会是万用表有问题呢？
因为这个万用表是一位同学自己做的。
然后我们换用一标准数字万用表测量，结果在误差允许范围内。
如果我们当时盲目的拆线重接，没有对电路进行调试、分析，排除电路故障，那么我们就要眼瞎忙一阵了，费时有费力。
所以我们一定要具备一定的检查、排除电路故障的能力。
，我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。
而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。
最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。
也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。
他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。
在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。
而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的。
6.参考文献
《数字电子技术基础》康华光高等教育出版社2005
《数字电路逻辑设计（第三版）》王毓银高等教育出版社2005
《数字电路实验基础》崔葛瑾同济大学出版社2005
《数字电路实验与课程设计》吕思忠、施齐云哈尔滨工程大学出版社2001
《电子线路设计实验测试（第三版）》谢自美华中科技大学出版社2006
《Multsim9在电工电子技术中的应用》董玉冰清华大学出版社2008
《数字电路及制作实例》陈振官国防工业出版社2006
7.附录
附录A
常用逻辑器件引脚排列示意图
附录B
简易函数信号发生器元器件清单
序号
名称
型号及参数
数量
1
C11、C21
1uF
2
2
C12、C22、C32
0.1uF
3
3
C13、C23、C33
0.01uF
3
4
C14、C24、C34
1000pF
3
5
C31
2uF
1
6
D1、D2
1N4148
2
7
DZ1、DZ2
1N4731
2
8
RW
100K（双联、含旋钮）
1
9
RW3
100K（3296）
1
10
RW1、RW2、RW4
10K（3296）
3
11
R6、R7
7.5K
2
12
R8R20
5.1K
2
13
R9
6.2K
1
14
R10~R14、R5、R17
10K
7
15
R15、R16
100K
2
16
R18、R19、R22、R23
1K
4
17
RP1
510
1
18
U1、U2、U3
NE5532
3
19
排针
2×4
3
20
排针
2×3
1
21
排针
2×2
1
22
LED1电源指示
发光二极管
1
23
OUT＋、OUT－
测量信号输入端
2只
24
电源接线端子
3位端子（电源接口）
1只
25
测试针
A、B、C、D
4
26
印刷电路板
PCB板
1
27
R21
1M
1
附录C
简易数字频率计元器件清单
序号
名称
型号及参数
数量
1
CP1
100uF/16V
1
2
CU11
0.01uF
1
3
CY1
12pF
1
4
CY2
可变电容30pF
1
5
Cin
2uF
1
6
D1
1N4148
1
7
DS1~DS6
数码管（共阴）
6
8
RDSxx、RP1
510
43
9
RY1
20M
1
10
RY2
330K
1
11
RU11、RU123
10K
2
12
RU121、RU125~127
2K
4
13
RU122、RU124
100K
2
14
U1、U2、U14
74HC374
3
15
U3~U6、U
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