电子技术课程设计-低频信号发生器

电子技术课程设计-低频信号发生器内容摘要：

0 pF，输出波形、频率变化调整时，输出电压能够稳定的达到 Vpp=2 V。 由于设计要求的电压幅度为 5V，因此必须对产生的信号进行放大，本设计的放大电路主要由运放 OPA604担任。 OPA604 是 FET 输入高保真运放 IC，性能十分优越，低噪声 10nv/Hz，低失真率，1KHZ 时，仅为 %，高转换率 25v/us，功率带宽为 20MHZ，电路中 OPA604的闭环电压增益由外电路 所接电阻控制。 由 OPA604 组成的放大电路如下图 4 所示 10 图 4 信号放大电路 注： R1 的另一接线端接 MAX038 的管脚 19 图 3 所示的电路产生的正弦输出波的 Vpp=2 V, Multisim 软件中没有信号产生芯片 MAX038，对图 3 所示电路的仿真我们只能外接一个能够产生 Vpp=2 V的正弦信号源，仿真的结果如下图 5 所示 图 5 放大电路仿真结果图 11 第二节：频率的数字显示 一 、 整体方框图及原理 图 6 输入电路： 由于输入的信号可以是正弦波，三角波。 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。 频率测量： 测量频率的原理框图如图。 被测信号经整 形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。 时基信号由 555 定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。 被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。 计数显示电路： 在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。 在计数的时候数码管不显示数字。 当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。 控制电路： 控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号。 二 、 各部分的 设计 与调测 输入电路 设计与调测 12 时基电路设计 图 7 时基电路与分频电路 它由两部分组成 : 如图 7 所示，第一部分为 555 定时器组成的振荡器 (即脉冲产生电路 ),要求其产生 1000Hz 的脉冲 .振荡器的频率计算公式为 :f=((R1+2*R2)*C),因此 ,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R1= ， R2=， C= 使得 555 能够产生非常接近 1KHz 的频率。 第二部分为分频电路 ,主要由 74LS160 组成，因为振荡器产生的是 1000Hz 的脉冲 ,也就是其周期是 ,而时基信号要求周期为 1s。 74LS160 为十进制计数器，用于在时钟上升沿或下降沿加计数。 13 时基电路的调测 图 8 时基电路 首先调测时基信号，通过 555 定时器、 RC 阻容件构成多谐振荡器的两个暂态时间公式，选择R1= ， R2=， C=。 把 555 产生的信号接到示波器中，使得输出的信号的频率为 1KHz。 同时输出信号的频率也要稳定。 测完后，下面测试分频后输出端信号。 测出来的信号频率和理论值 1Hz相等。 这样，时基电路这部分就测试完毕，可以用于做标准的闸门信号，所以此时的时基电 路设计好了，而且时基信号也没有什么问题。 图 9 时基电路分频后的波形 14 放大整形电路设计 如图 10 所示，待测的波先被送入到放大电路的输入端，输入的信号可以是正弦波，三角波。 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。 然后把放大调整后的信号送入由 555 构成的施密特触发器，施密特触发器具有脉冲整形功能经过施密特触发器后便把信号整形成为矩形波。 图 10 放大整形电路图 15 放大整形电路的调测 图 11 放大整形电路 用信号发生器产生一个正弦波形，输入放大整形电路，用示波器来观察待测信号经放大整形电路后波形的前后变化，结果 如图 12， 1 表示整形后的波形， 2 表示整形前的。 图 12 待测信号放大整形前后的波形图 16 二 、 控制电路的设计与调测 控制电路设计 通过分析我们知道 控制电路这部分是本实验的最为关键和难搞的模块。 其中控制模块里面又有几个小的模块，通过控制选择所要测量的东西。 比如频率，周期，脉宽。 同时控制电路还要产生 74160 的清零信号， 74LS373 的锁存信号。 图 13 控制电路 逻辑控制电路详细的电路如图 13 所示。 图 14 是测试被测信号频率时的计数器 CP 信号波形、 PT 端输入波形、 CLR 段清零信号波形、 74LS373 锁存端波形图。 其中第一个波形是被测信号的波形图、第二个是 PT 端输入信号的波形图、第三个是计数器的清零信号。 第四个是锁存信号。 PT 是高电平的时候计 17 数器 开始工作。 CLR 为低电平的时候，计数器清零。 根据图得知在计数之前对计数器进行了清零。 根据 74LS373（ 74LS373 的管脚图和功能表详见附录）的功能表可以知道，当锁存信号为高电平的时候，74LS48 不送数。 如果不让 74LS373 锁存的话，那么计数器输出的信号一直往数码管里送。 由于在计数，那么数码管上面一直显示数字，由于频率大，那么会发现数字一直在闪动。 那么通过锁存信号可以实现计数的时候让数码管不显示，计完数后，让数码管显示计数器计到的数字的功能。 根据图可以看到，当 PT 到达下降沿的时候，此时 74LS373 的 G 端的输入信号也刚好到达下降沿。 图 14 控制电路工作波形示意图 18 逻辑控制电路的调测 图 15 逻辑控制电路调测连接图 控制电路的连接图如图 15 所示，其中两个 555 单稳态触发器的作用一个是产生清零信号，另一个是产生锁存信号。 由调试波形可以知道电路设计是正确的。 这部分是测量频率的功能。 测频率的时候时基信号作为闸门信号。 测试的结果如图 16 所示其中 1 波形表示为清零信号， 2 波形表示锁存信号， 3 波形表示闸门信号。 控制部分的工作原理：当清零信号由 0 变为 1 时，此时计数器的清零工作已经完成。 闸门开 始打开，当闸门打开时，即闸门信号为高电平时，计数器开始计数我们所设计的闸门的高电平时间为 1S，在此 19 时间内计数器计数被测信号的变化次数，所得结果便是被测信号的频率。 当计数器清零和计数时，锁存器要锁存，以免显示时数字跳动，当计数器清零和计数完毕时，锁存器再开始读数。 那么到此，整个控制电路部分实现的控制功能都已经实现了。 到这里，会发现控制电路整个设计过程的精华所在。 把控制电路这部分完成，那么本次的课程设计最重要的部分完成，所以这次课程设计整体上也就基本完成了。 图 16 逻辑控制电路输出波形图 第三部分 :数字 电压表设计 数字电压表是将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示的数字系统。 方案一： 采用单片机 89C51 作为系统的控制核心 ,以 A/D 转换器 ADC0809 作为主要部件，原理是模数（ A/D）转换芯片的基准电压端，北侧电压输出端分别输入基准电压和被测电压。 模数（ A/D） 转换芯片将被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法来计算出被测量电压的值，最后单片机系统将计算好了的被测电压按一定的是与送入显示 电路模块加以显示。 单片机技术 20 成熟、运算功能较强、编程灵活、设计成本也较低，能较准确地测量输入电压。 但在单片机系统中必须使用许多分立元件组成其外围电路，整个系统显得十分复杂，可靠性较低，抗干扰能力差，而且功耗高。 并且我们对单片机的学习还不是很多，还会用到编程。 所以这种方法不是我们采用的。 方案二：我们主要以集成芯片为主要器件。 电路主要有 MC14433 A\D 转换器、 MC1413 七路达林顿驱动器阵列、 CD4511 BCD 到七段锁存 译码 驱动器、能隙基准电源 MC1403 和共阴极 LED 发光数码管组成。 本系统是 321 位数字电压表， 321 位是指十进制数 0000～ 1999，所谓 3 位是指个位、十位、百位，其数字范围均为 0～ 9。 而所谓半位是指千位数，它不能从 0 变化到 9，而只能由 0 变到 1，即二值状态，所以成为半位。 电路图如下： U1M C 1 4 0 312 3U2M C 1 4 4 3 324VDD2VREF1VAG13VSS8C7c6C5RI/CI4RI9DU14EOC3VI 12VEE10CPI11CPO15OR20Q021Q122Q223Q319DS118DS217DS316DS4U3M C 1 4 1 312345678GND10 11 12 13 14 15 16 9U4C D 4 5 1 14BI7A1B2C6D8VSS316VDD 514g15f9e10d11c12b13aV D D 5VR11kΩK e y = A50%C10 . 1 181。 FC20 . 1 FR2470kΩJ1K e y = S pa c eR39kΩR44kΩR51kΩ待测信号V E E 5 VR6470kΩU5A B C D E F GCAHU6A B C D E F GCAHU7A B C D E F GCAHU8A B。