函数信号发生器的设计.docx

1、函数信号发生器的设计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

2、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、74LS90、74LS123、CD4511等。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，用六位十进制数字显示。本次设计采用分立元

3、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6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

4、的产生使得电路的模块化程度更高，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：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

5、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。再由74LS90构成异步10进制计数器、CD4511译码显示驱动器和7段共阴极数码管构成频率显示模块。 图2.2方案二 方案论证：方案一中方波的频率、幅度调节不能与三角波和正弦波同步，且NE555产生的振荡波形不稳定。电阻、电容不易调节。 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二进行设计。3单元模块设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1 比较器模块 图3.1 uA741方波产生电路 通

6、过uA741外加阻容元件构成比较器，产生频率、幅度可调的方波。3.1.2 积分器模块 图3.2 uA741三角波产生电路 通过uA741外加阻容元件构成积分器，用于产生三角波。3.1.3 差分放大器模块图3.3 积分电路 通过差分对管外加阻容元件构成差分放大器，用于产生正弦波。3.1.4 频率计数模块图3.4 频率计数电路 通过74LS123、74LS90构成异步十进制电路，用于对信号频率的采集。3.1.5 显示模块图3.5 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3.2.1 74LS123 74LS123是一个单稳态触发器，内有两

7、组多谐振荡器，是一个直流触发的多谐振荡器。它的特点是：三种方法控制脉冲宽度，最基本的是选取外部的RC值来控制。74LS123内部已经有一个定时电阻，因此允许只外接定时电容使用。其功能特点：清零终止输出脉冲；为VCC和温度变化补偿；直流触发是高电平或电平逻辑输入。74LS123的输出脉冲宽度Tw可以由三种方法控制。一是通过选择外定时元件Cext和Rext值，来确定脉冲宽度，二是通过正脉冲输入端（A）或负脉冲输入端（B）的重触发延长Tw,三是通过清除端（CLR）的清除使Tw缩小。 表3.1 单稳态触发器74LS123逻辑功能表 3.2.2 74LS74 74LS74双上升沿D触发器，是一个边沿触发

8、器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发D触发器电路。每个触发器有数据输入、置位输入、复位输入、时钟输入和数据输出。Sd与Rd低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当Sd与Rd均无效（高电平）时，符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。其主要功能如下：（1）异步置零 当SD=1、RD=0时，触发器置零，RD触发称为异步置零端。（2）异步置一 当SD=0、RD=1时，触发器置一，SD触发称为异步置零端。（3）同步置零 当SD=RD=1时，如D=0，则在CP有0正跃到1时，触发器置0。（4）同步置一 当SD=RD=1时，如D=1，则在CP有0正跃到1

9、时，触发器置1。（5）保持 当SD=RD=1时，在CP=0时，无论D端输入信号为1还是0，,触发器都保持原来的状态不变。 表3.2 74LS74功能表输 入 输 出 SDRDCPDQn1 Qn1 01 1010 0100 11 11011 00111 QnQn3.2.3 u741 u741运算放大器具有广泛的模拟应用。宽范围的共模电压和无阻塞功能可用于电压跟随器。高增益和宽范围的工作电压特点在积分器、加法器和一般反馈应用中能使电路具有优良性能。此外，它还具有如下特点：（1）无频率补偿要求；（2）短路保护；（3）失调电压调零；（4）大的共模、差模电压范围；（5）低功耗。 u741运放采用双列直插

10、封装。紧靠缺口（有时也用小圆点标记）下方的管脚编号为1，按逆时针方向，管脚编号依次为2，3，8。其中，管脚2为运放反相输入端，管脚3为同相输入端，管脚6为输出端，管脚7为正电源端，管脚4为负电源端，管脚8为空端，管脚1和5为调零端。通常，在两个调零端接一几十千欧的电位器，其滑动端接负电源，调整电位器，可使失调电压为零， 图3.2 741型运算放大器的封装图 表3.3 741型运算放大器的性能参数表参数名称测试条件最小典型最大单位输入失调电压Rs10k1.05.0mV输入失调电流20200nA输入偏置电流80500nA输入电阻0.32.0M输入电容1.4pF大信号电压增益RL2 k，UO10V5

11、0k200k输出电阻75输出短路电流25mA电源电流1.72.8mA功耗5085mW转换速率RL2k0.5V/ s共模抑制比Rs10k,UCM=12V7090dB增益带宽乘积1MHz3.3特殊器件的介绍3.3.1 74HC190 74LS90是异步二五十进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助R0(1)、R0(2)对计数器清零，借助S9(1)、S9(2)将计数器置9。其具体功能详述如下：(1)计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。(2)计数脉冲从CP2输入，QDQCQB

12、作为输出端，为异步五进制加法计数器。(3)若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，则构成异步8421 码十进制加法计数器。(4)若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器。(5)清零、置9功能 当R0(1)、R0(2)均为“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA0000。当S9(1)、S9(2)均为“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA1001。表3.4 74HC190功能表输 入输 出功 能清 0置 9时

13、钟QD QC QB QAR0(1)、R0(2)S9(1)、S9(2)CP1 CP21100 0000清 00011 1001置 90 00 0 1QA 输 出二进制计数1 QDQCQB输出五进制计数 QAQDQCQBQA输出8421BCD码十进制计数QD QAQDQCQB输出5421BCD码十进制计数1 1不 变保 持 3.3.2 7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ADP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

14、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12ms，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

15、大量的I/O口，而且功耗更低。 图3.3共阳极数码管3.3.3 74HC4511当输入8421BCD码时，输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有三个辅助控制端LE、BL、LT，以增加器件的功能，现分别简要说明如下：(1)灯测试输入LT 当LT=0时，无论其他输入端是什么状态，所有各段输出ag均为1，显示字形8。该输入端常用于检查译码器本身及显示器各段的好坏。(2)灭灯输入BL 当BL=0，且LT=1时，无论其他输入端是什么电平，所有的各段输出ag均为0，所以字形熄灭。(3)锁存使能端LE 在BL=LT=1的条件下，当LE=0时，锁存器不工作，译码器的输出随输入码的变化而变化

16、；当LE由0跳变为1时，输入码被锁存，输出只取决于锁存器的内容，不再随输入的变化而变化。 表3.5 74HC4511真值表十进制数LEBLLTD3D2D1D0abcdefg字形0LHHLLLLHHHHHHL01LHHLLLHLHHLLLL12LHHLLHLHHLHHLH23LHHLLHHHHHHLLH34LHHLHLLLHHLLHH45LHHLHLHHLHHLHH56LHHLHHLLLHHHHH67LHHLHHHHHHLLLL78LHHHLLLHHHHHHH89LHHHLLHHHHHLHH910LHHHLHLLLLLLLL熄灭11LHHHLHHLLLLLLL熄灭12LHHHHLLLLLLLLL

17、熄灭13LHHHHLHLLLLLLL熄灭14LHHHHHLLLLLLLL熄灭15LHHHHHHLLLLLLL熄灭灯测试XXLXXXXHHHHHHH8灭 灯XLHXXXXLLLLLLL熄灭 锁HHHXXXX*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6个共阴极的7段数码管来显示；具体的连接时比较器与集成运放构成的积分器连接，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积分器电路构成三角波的信号发生模块，然

18、后将所产生的三角波通过差分放大电路转换成正弦波；本次设计的缺点是调节其中任何一个电阻的阻值时每种波形的频率均在变化，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比较器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.比较器产生方波信号,电位器RV2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。若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，RV2实现频率微调。2方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过

19、电源电压+Vcc。电位器RV1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。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，为使输出波形更接近正弦波需满足以下要求：传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。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

20、参数信号类型 幅度 (V) 频率（max） （Khz） 频率（min） (Khz)方波12 1000 1三角波 5 200 1正弦波 5 100 15.1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，两信号的频率是通过6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： 11.66伏；正弦波和三角波幅度：4.88伏。3函

21、数发生器产生的频率分二档：100HZ10000HZ ；10000HZ1MHZ。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：6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电位器RV2的值来调整，实测的方波的幅度值为11.66V，所造成误差的原因是uA741内部分压，由于将uA741输入电压作为基信号，所以uA741外接阻容元件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

22、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。从找资料到设计电路、从仿真到调试、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。作为项目组成员的我，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

23、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。 通过两周的实战，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课程设计内容。除了完成了老师给的设计任务，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这么

24、好的机会，每次我都十分珍惜这些机会，这次也不例外。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。课程设计是短暂的，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

25、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。感谢张老师对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向张老师深深地鞠上一躬。再多华丽的言语也显苍白。在此，谨向张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在此期间，我不仅学到了许

26、多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题。同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学们。本论文的完成远非终点，文中的不足和浅显之处则是我新的征程上一个个新的起点。我将继续前行！8参考文献1 康华光.电子技术基础（数字部分）M.第五版.北京：高等教育出版社，2006.12 康华光.电子技术基础（模拟部分）M.第五版.北京：高等教育出版社，2006.13 谢自美.电子线路设计实验测试M.第三版.武汉：华中科技大学出版社，2006.84 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计M.北京：北京航空航天大学出版社，2006.125 刘福太.电子电路461例M.北京：科学出版社，20076 王华奎.数字信号处理及应用M.第二版.北京：高等教育出版社，2009.11 7 魏立峰.单片机原理与应用技术M.北京：北京大学出版社，2006.8 8 谢维成.微机原理与接口技术M.武汉：华中科技大学出版社，2009.6 9 李瀚荪.电路分析基础M.第四版.北京：高等教育出版社，2006.5 10 燕庆明.信号与系统教程M.第二版.北京：高等教育出版社，2007.11 9附录一 仿真波形图