示波器课程设计.doc

1、 目录1前言(绪论)12.总体方案设计22.1 总体框图22.2 方案论证和选择：33.各单元模块设计及模块设计43.1 各单元模块功能介绍43.1.1 触发脉冲整形电路43.1.2 触发方式控制电路63.1.3 锯齿波产生电路83.2电路参数的计算及元器件的选择93.2.1计算部分93.2.2 元器件选择93.3 特殊器件的介绍93.3.1可重复触发的单稳触发器CC409893.3.2 555定时器103.3.3 电压比较器LM393123. 4 各单元模块的连接144. 结论165.总结与体会176. 致谢197. 参考文献20附录121附录2221前言(绪论)：在近代示波器中的扫描状态中

2、,有“触发”和“自动”等方式。所谓的触发状态,系指示波器只有在被触发时,才能在屏幕上出现扫描线。如果示波器本身不被触发时,则在屏幕上不出现扫描线。这种扫描方式虽然可以表证出示波器是否被触发,但是示波器在不扫描的状态下,其屏幕上的光迹的位置十分难以寻找,使用起来极不方便,特别是取样示波器,这种麻烦就更为突出。为了弥补这种缺欠,在近代示波器中,多半采用自动扫描电路。这种功能是这样的:在正常触发状态,屏幕上存在扫描线,在非触发情况下,示波器本身自动给出一条扫描线,这条扫描线标志着正常扫描线的位置。这样一可以大大地减少使用者寻找光迹的麻烦。 这种自动扫描的关键技术要求是:当触发信号到来时,电路自动地从

3、自动状态转到触发状态,立即实现触发扫描,并在屏幕上看到清晰波形。当去掉触发信号时,自动地转人自动扫描状态,在屏幕上仍然出现一条扫描线。 这种自动扫描,在取样示波器上实现较为困难。这是因为取样示波器扫描电路的原理和逻辑关系与宽带示波器大不相同。因此在国内外的取样示波器产品中,多半都没有自动扫描状态。本文提出一种能在取样示波器上,同时也可以适用于一般宽带示波器上的自动。扫描电路是示波器的重要组成部分之一，一般触发扫描电路由触发同步电路和扫描电压发生器；两部分组成。在示波器中，扫描电压发生器产生线性度好、频率稳定和幅度相等的锯齿波电压，触发同步电路实现锯齿波电压与被测信号的严格同步关系，从而使被测信

4、号能稳定地显示在示波器的荧光屏上。通过对示波器简易触发扫描电路的设计，要求能够全面了解示波器中的出发同步扫描电路的组成与调节方法。本次课程设计的额目的在于，培养自身正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，和严肃认真实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神锻炼自身发现问题，分析问题，解决问题得到能力。 2.总体方案设计： 2.1 总体框图 示波器要能稳定的显示波形，必须满足条件扫描信号是被测信号的整数倍。示波器的触发扫描电路就是用来强制实现这一条件的电路，其组成框图如图2.1所示触发同步电路锯齿波产生电路T信矩形波锯齿波V1V2 图2.1 触发扫描电路的原理框图 2.2 方案论证和选择： 简易的触

5、发扫描电路组成框图如图2.2所示。触发同步电路主要由触发信号的耦合方式开关，触发脉冲整形电路和触发方式控制电路组成。锯齿波产生电路V3V1V1V4V2耦合方式选择开关触发脉冲整形电路触发方式控制电路触发信号V0扫描电路触发同步电路图2.2 简易的触发扫描同步电路组成框图 图中，V1为触发信号，V0为输出的锯齿波扫描信号。触发同步电路的作用是将任意波形的触发信号变换为触发脉冲。每当触发脉冲到来时，产生一个锯齿波，锯齿波扫描结束后，等到下一个触发脉冲到来时，再产生另一个锯齿波，没有触发脉冲便不产生锯齿波，这样就保证了扫描信号和被扫描信号的倍数关系，从而使得扫描信号和被测信号有严格的同步关系。方案一

6、：在触发方式控制电路中，选用可重复触发的单稳触发器CC4098进行设计。方案二：在触发方式控制电路中，选用可重复触发的单稳态触发器MC14528进行设计；在锯齿波产生电路中主要由555定时器构成。在本设计中，暂且选用方案二。3. 各单元模块设计及模块设3.1 各单元模块功能介绍3.1.1 触发脉冲整形电路：同步触发信号送入示波器中，首先经过触发电平和触发斜率选择器，以确定在触发信号波形的哪一点上产生触发脉冲。常见的触发电平选择器是电压比较器，然后经过触发脉冲整形电路形成一个前沿陡峭、宽度适中的脉冲。以集电极输出开路的电压比较器LM393为主构成的触发脉冲整形电路如图3.1所示。它的主要功能是将

7、输入的脉冲信号V1变换成满足555定时器规定的窄脉冲触发信号。图中，V1经S2有两种耦合方式进入整形电路，然后经电平移动电路（cc、R7、R8组成）后，送到比较器LM393的同相输入端，在LM393的输出端得到正矩形波，再经C7、R12和D构成的微分与削波电路后，得到正向的窄脉冲2，此脉冲通过触发方式控制电路后，去触发锯齿波产生电路工作。电路中还设置了电平调节电位器Rp和一个双刀双掷联动的正、负斜率选择开关S3。 图中，R7、R8为前一级的负载，R9、R10、Rp的阻值及比例影响电平调节范围。同时，R7R10、Rp的阻值也影响电源负载的大小。C7、R12的时间常数影响触发信号的正常触发的频率范

8、围，在选择C7、R12的参数时，还应注意使输出脉冲的高电平值足够高。 图3.1 脉冲整形电路3.1.2 触发方式控制电路：触发方式控制电路主要完成常态触发和自动触发的功能，本设计电路中选用可重复的单稳态触发器CC4098进行设计。由门电路和CC4098构成的触发方式控制电路如图3.2所示。电路的工作原理是：当S1处于“常态”位置时，G4关门，V6=0，从而G1也处于关门状态，此时分两种情况进行分析：（1） 当有触发脉冲2输入时，G2有脉冲输入，可触发锯齿波产生电路工作，输出扫描信号，示波器上能看到稳定的波形。（2） 当无触发脉冲时，即2=0时，G2无脉冲输出，锯齿波产生电路不工作，示波器上无扫

9、描线，也看不到任何波形。当S1处于“自动”位置时，G4开门，电路仍然有两种工作情况：（1） 当有触发脉冲2输入时，单稳电路CC4098始终处于暂态，即Q=1，使G1关门，G2开门，2通过G2去触发锯齿波产生电路工作，输出扫描信号，示波器上能显示稳定的波形。这种情况与常态触发的第一种情况相同。（2） 当无触发脉冲，即2=0，G2开门时，单稳电路CC4098处于稳态，即Q=0，G1开门，555定时器的第三个引脚输出脉冲信号4通过G4、G3、G1、G2形成反馈，使3产生触发脉冲，触发锯齿波产生。此时锯齿波产生电路工作在自激状态。图3.2所示电路的0端仍能自动连续不断的产生输出锯齿波，但是其周期与被测

10、信号无整数倍关系。看到示波器上有一条水平扫描线（无信号输入时）或者是不稳定的被测信号波形。在图3.2中，在放电时，如果开关S1位于“自动”状态，且无触发脉冲时，由R4和C4提供一个触发脉冲，触发锯齿波产生。R5、C5是保证锯齿波产生电路在自激方式能正常工作的延时电路，其延迟时间应大于锯齿波的放电时间。其Rt和Ct决定了单稳定路CC4098的暂稳态持续时间，它应该大于触发信号的最长周期。图3.2 触发方式控制电路3.1.3 锯齿波产生电路：图3.3是由555定时器、恒流源电路和电容器构成的锯齿波产生电路。电路在触发脉冲3的作用下，从0端输出锯齿波扫描电压。改变开关S4所接电容器的容量，可以改变输

11、出锯齿波的斜率。恒流源的电流由R1、R2、R3和三极管的值决定。图3.3 锯齿波产生电路3.2电路参数的计算及元器件的选择3.2.1计算部分由于要求对频率在2040 000Hz之间的触发信号，扫描电路均能正常工作，所以对扫描信号的频率，即宽度有要求。输出脉冲宽度由CC4098的外接电阻Rext和外接电容Cext决定。Tw=07RtCt。所以选取Rt=10k，Ct=33uF。3.2.2 元器件选择集成电路：LM393 1片，CC4098 1片，NE555 1片。电阻：10k 6只，2 k 1只，1 k 只，560 1只电容器：33uF 2只，0.33uF 1只，0.01uF 2只，0.1uF 2

12、只。电位器：10 k 1只其它：二极管 1只，三极管T8550 1只。3.3 特殊器件的介绍 3.3.1可重复触发的单稳触发器CC4098 CC4098的外引线排列如图3.4所示,其功能表见表3.1。CC4098由两个可重复触发的单稳态触发器构成，Q和输出有缓冲，输出特性对称。该器件在工作时应在Cext和RextCext端间外接电容C，在RextCex 和Vdd 端间外接电阻R，外接电阻R和外接电容C用来确定输出脉冲宽度。每个触发器具有上升沿触发输入（TR+）和下降沿触发输入（TR-），不用的TR+应接Vss，不用的TR-应接Vdd。对于非可重复触发的方式，当采用TR+触发时，TR-应接Q;当

13、采用TR-触发时，TR+应接Q。直接复位RD为低电平有效时，终止输出脉冲，Q=0；RD不用时，应接Vdd。 图3.4 CC4098外引脚排线图表3.1 CC4098的功能表3.3.2 555定时器一.电路结构 ：555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、简单SR锁存器、放电三极管T以及缓冲器G组成，其内部结构如图3.5所示。三个5k的电阻串联组成分压器，为比较器c1、C2提供参考电压。当控制电压端（5）悬空时（可对地接上0.01uF左右的滤波电容），比较器C1和C2的基准电压分别2Vcc/3和Vcc/3。Vi1是比较器C1的信号输入端，称为阀值输入端；Vi2是比较器C2的信号输入端

14、，称为触发输入端。如果控制电压（5）外接电压Vic，则比较器C1、C2的基准电压就变为Vic和Vic/2。比较器C1和C2的输出控制SR锁存器和放电三极管T的状态。放电三极管T为外接电路提供放电通路，在使用定时器时，该三极管的集电极（7脚）一般都要外接上拉电阻。Rd为直接复位输入端，当其为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出端v0即为低电平。当vi12vcc/3，vi2Vcc/3时，比较器C1输出为低电平，比较器C2输出高电平，简单SR锁存器Q端置0，放电三极管T导通，输出端V0为低电平。 当Vi12Vcc，Vi2Vcc/3时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，简单SR锁存器置1，放电

15、三极管截止，输出端V0为高电平。当Vi1Vcc/3时，简单SR锁存器R=1，S=1，锁存器状态不变，电路保持原状态不变。二.电路功能;综合上述分析，可得555定时器功能表，如表3.2所示。图3.5 555定时器的电路结构 表 3.2 555定时器的功能表3.3.3 电压比较器LM393LM393 是双电压比较器集成电路。它的特点：（1）工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作；（2）单电源时限制在236V之间 ,双电源时限制在:118V之间；(2) 消耗电流小，Icc=0.8mA；(3) 输入失调电压小，VIO=2mV；(4) 共模输入电压范围宽，Vic=0Vcc-1.5V；(4) 输出与T

16、TL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；(5) 输出可以用开路集电极连接“或”门. 使用说明：LM393是高增益，宽频带器件，像大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态，输出电压过渡的间隙。电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K，将减小反馈信号,而且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.010mV)能导致快速转换，使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡。除非利用滞后，否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入输出在很短的转换周期内振荡。如果输入信号是脉冲波形，

17、并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。 比较器的所有没有用的引脚必须接地。LM393偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围 2.030V无关。通常电源不需要加旁路电容。 差分输入电压可以大于Vcc，并不损坏器件，保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V。LM393的输出部分是集电极开路，发射极接地的 NPN输出晶体管，可以用多集电极输出。 功能：.输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受 Vcc端电压值的限制。此输出能作为一个简单的对地SPS开路(当不用负载电阻没被运用)，输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的值所限制。当达到极限电流(16mA)时，输出晶体管

18、将退出而且输出电压将很快上升。输出饱和电压受输出晶体管大约60的限制。当负载电流很小时，输出晶体管的低失调电压(约1.0mV)允许输出箝位在零电平。其引脚图如图3.6所示。图 3.6 LM393引脚图其引脚功能、参数表和电特性如下：引出端序号功能符号引出端序号功能符号1输出端1OUT15正向输入端21N+(2)2反向输入端11N-(1)6反向输入端2 1N-(2)3正向输入端11N+(1)7输出端2OUT24地GND8电源VCCLM393引脚功能排列表3.3参数名称符号数值单位电源电压VCC18 或36V差模输入电压VID36V共模输入电压VI-0.3VCCV功耗Pd570mW工作环境温度To

19、pr0 to +70贮存温度Tstg-65 to 150LM393主要参数表3.4参数名称符号测试条件最小典型最大单位输入失调电压VIOVCM=0 to VCC-1.5 VO(P)=1.4V, Rs=0-1.05.0mV输入失调电流IIO-550nA输入偏置电流Ib-65250nA共模输入电压VIC-0-VCC-1.5V静态电流ICCQRL=-0.61.0mARL=,Vcc=30V-0.82.5mA电压增益AVVCC=15V, RL15k-200-V/mV灌电流lsinkVi(-)1V, Vi(+)=0V, Vo(p)1.5V616-mA输出漏电流IOLEVi(-)=0V, Vi(+)=1V,

20、 VO=5V-0.1-nA电特性表3.5（除非特别说明，VCC=5.0V， Tamb=25）3. 4 各单元模块的连接 由各个部分电路组合起来可得整体电路图如图3.7所示：图3.74. 结论 在进行电路原理图的设计时，遇到了许多困难的问题，通过参考相关技术书籍，通过每天不懈的钻研，基本上懂得了怎么画电路原理图，怎么设计电器元件，和加载相关的元器件库，此过程是相当漫长和辛苦的。通过自己亲身设计，熟悉了芯片的结构以及掌握了相关芯片的工作原理和具体的使用方法，并且学到了一定的用Altium designer画或者设计电路原理图的技能和Word文档的写入能力，达到了学习锻炼的目的。通过总结，此次课程设

21、计内容存在这样一写优缺点：优点就是：（1）可以实现触发器简易的触发扫描功能，并且增加了锯齿波斜率有两种档位可变换；（2）对触发信号的耦合方式有直流耦合和交流耦合两种方式；（3）设置了外部操作开关，可实现常态触发和自动触发以及正负斜率触发的功能，扩大了此示波器电路的使用用范围。缺点就是，锯齿脉冲的产生电路采用的是555定时器电路，产生的锯齿脉冲不够精确和稳定，导致示波器显示波形效果不好。5.总结与体会总结：1、通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和芯片上的选择。这个方案总共使用了LM393，CC4098，NE555定时器

22、各一片，电位器，三极管，二极管各一只。2、在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。3、我们在做课程设计同时也是一种对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象

23、深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。4、在学习用Altium designer画电路原理图时，总是遇到一些问题，比如自己画出来的元器件加载到原理图上会发现电气栅格对不上，就是由于没有设置好工作面板参数。为此，一定要有细心耐心，恒心才能做好事情，首先是器件的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话。体会：经过两个星期的电子技术课程设计，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无

24、长。也许，生活就是这样，汗水预示着结果也见证了收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过课程设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计者为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加拉近了。我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋； 正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可以为社会做我们应

25、该做的一切，这没有有什么不好。我们不断的反问自己，也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可以，因为社会需要我们，我们也可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要感觉失落呢？于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致整项工作的失败。设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次课程设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的

26、。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。此次课程设计，我学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅。相信今后的制作会更轻松，自己也都能扛得起并高质量的完成。6. 致谢对我们而言，知识上的收获重要，精神上

27、的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。因此，感谢学校领导给了我们这次课程设计的机会，感谢老师给予了我们学习知识的机会。我相信，这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。不仅如此，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，比如治学所需的那种严谨的精神。在此我表示衷心的感谢！最后，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！7. 参考文献1. 康华光主编，电子技术基础（模拟部分）第五版，高等教育出版社，2006年1月。2. 康华光主编，电子技术基础（数字部分）第五版，高等教育出版社，2006年1月。3. 陈大钦主编，电子技术基础实验电子线路实验设计仿真（第二版），高等教育出版社，2000年6月。4. 刘修文编，实用电子线路图集，中国电力出版社，2006年3月。5. 零点工作室、张睿编，Altium Designer 6.0原理图与PCB设计，电子工业出版社，2007年6月。附录1：电路原理图附录2；设计软件：Altium Designer Summer 09Build9.3.1.19182第 22 页