低频正弦信号发生器.doc

1、电子技术课程设计报告 题 目 低频正弦信号发生器 学院（部） 电子与控制工程学院 专 业 班 级 学生姓名 学 号 6 月 4 日至 6 月 13 日 共 2 周 指导教师（签字） 目录 摘要 . 3关键字 . 3 技术要求 . 3第一章，系统概论 . 3第二章，单元电路设计 . 5 第一节，正弦波产生和放大电路模块 . 6 第二节，频率显示 . 12 第三节，幅值显示 . 15第三章，系统综述。 . 21第四章，结束语。 . 22参考文献 . 23鸣谢 . 24元器件明细表 . 24收获体会与存在的问题 . 24评语 . 25低频正弦信号发生器摘要关键词 低频 555计时器 正弦波 滤波 放

2、大 频率 AD转换 显示 技术要求 1.信号频率范围20HZ20kHZ； 2.输出信号电压幅度5； 3.输出信号频率数字显示； 4. 输出电压幅度数字显示。一、 系统综述（内容用小4 号字宋体）正弦信号发生器又称正弦信号振荡器，可以有好几种方法来实现，下面介绍几种切实可行的方案： 方案一：采用传统的直接频率合成法直接合成。利用混频器，倍频器，分频器和带通滤波器完成对频率的算术运算。但由于采用大量的倍频，分频，混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。方案二：用函数产生芯片直接产生所需信号。采用MAX038函数产生芯片，通

3、过设置管脚参数的输入，可设计组成产生幅频精度很高且易于调整的波形信号，该波失真度很小，而且可实现的频率范围很大，在电路参数要求苛刻的工作场所能够得到较好的应用，用该芯片设计组成的信号产生电路集成度高，而且简单，容易控制。但是在Multisim中，没有MAX038芯片，所以，我们也不准备采用此方案。 方案三：采用RC选频率网络构成的振荡电路产生所需正弦波。RC振荡电路适用于低频振荡，结构简单,经济方便，一般用于产生1Hz1MHz的低频信号。但RC振荡电路只能产生近似的正弦波，相比较而言，可靠性较差，误差较大，所以我们也不准备采用此方案。 方案四：在数字电子技术中，我们学习了用555定时器产生方波

4、的原理，基于熟悉的知识，我们决定用555定时器先产生频率可调的方波，再利用模拟电子技术中所学的滤波电路搭建一个多阶滤波电路（我们采用的是三阶可调滤波电路），利用方波产生的频率可调的正弦波。再利用数字电子技术所学的十进制计数器74LS160和数码显示器DCD-HEX来完成频率的显示。由滤波电路产生的正弦波信号，经过一个放大电路放大后，形成幅值在-5v-+5v可调的正弦波信号，最后再利用我们没有学过的A/D转换装置，经过数码显示装置，完成幅值显示功能。对我们来说，以上方案虽然都是理论可行，但是有的方案要求对我们来说太高，操作太过复杂，特别是有的关于单片机的使用，超出了我们的能力范围，只能放弃，而有

5、的的精确度又不够，达不到我们的要求，所以综上所述，我们采用了方案四。原理方框图如下：反向比例器二阶RC滤波电路555多谐振荡器 方波 正弦波 DCD-HEX频率显示74LS175D74LS160N构成的计数器555振荡器构成的时基电路DCD-HEX电压显示74LS160D与74LS161D构成的进制转换器ADC芯片进行转换采样控制电路 图1 方案四原理图二、单元电路设计1、正弦波的产生部分。先由方波产生部分产生频率可调的方波，再通过正弦波产生部分（滤波网络）产生正弦波。1.1 方波产生部分A 本组正弦波的产生采用的是以芯片555定时器为核心的电路。由数字电子技术的基本知识可以知道，用555定时

6、器可以构成多谐振荡器，由多谐振荡器产生方波。其原理图如下： （图1）本图中电容C的充放电路径不一样!充电路径为经过R1和D1，放点路径为经过R2和D2（放电路径为经R2和D2再经端口7相当接地）。所以C的充放电时间为：T1=Ln2(R1+R2)C0.7R1*CT2=R2*C*Ln20.7R2*C其周期为；T=T1+T2占空比q； q=R1/(R1+R2）令R1=R2，有T1=T2又因为要求输出频率变化范围为20hz-20khz之间。F=1/T=1/(1.4R1*C) 取C=1uf 所以R1为35.7-35.7k在调节频率时要同步调节R1,R2.这样就满足R1=R2,占空比为0.5.而输出的波形

7、为方波（电压值始终大于零）只有正的幅值。所以要加个恒压源把波形（作用如下）： （图2）（恒流源） （图3）仿真效果如上图3。1.2 正弦波产生部分。由方波经过三阶滤波（方波通过一阶产生三角波在经过二阶滤波电路逼近形成正弦波）电路产生正弦波。其原理图如下图4： （图4）上图（4）中R10， R9, R12 为细调；R5,R11,R6分别为粗调使滤波达到要求！ （图5）1.3 正弦波放大部分。其原理图如下图7： 图（6）上图中通过函数发生器代替前面产生的正弦波，在经过差动放大电路（有放大电路中知识可知在电路图一定的前提下放大倍数只与Rc有关。又因为前边产生的正弦波的幅值为0.1v)通过对放大电路的

8、分析测试可知道当Rc大概为4k时放大后的赋值为5 v. R4,R6分别为放大电路的粗细调节！而图中电容具有过滤直流的作用。其幅值显示部分如下图7： （图7）2.1 正弦波频率数字显示模块 对于正弦波频率数字显示模块，我们可以利用之前的555构成的多谐振荡器产生的方波来测量正弦波的频率，因为其频率都是一样的，而且相比较而言，方波的频率比正弦波方便测量的多。对于测频率的方法，我们目前考虑的有三种：（1） 测频法（M法） 用一个标准定时时间TG控制一个闸门电路，在时间TG内闸门打开，让被测信号通过，记下被测信号的变化周期数，该数与计数时间TG的比值就是其频率，该方法适合高频信号的测量，如下图所示:

9、图10 测频法（2） 测周法（T法） 首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平时间或低电平时间都是一个信号周期T的方波信号，然后用一个已知频率fosc的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对信号进行计数。该方法适合低频信号的测量，如下图所示： 图11 测周法 （3）T/M法 T/M法采用的是两个计数器，分别对被测信号和高频标准计数信号进行计数，若在确定的检测时间内，对被测信号fx的计数值为N1，而对高频信号fosc的计数值为N2，则如图所示： 图12 T/M法由以上所知，虽然在本次课设中，无论是T法还是T/M法，都比较M法来说都更为精确，但是无疑操作和设计都加大了难度，而且测周法

10、所测得的信号周期数据，还需要求导数运算才能求得信号频率，而二进制数据的求导数运算在中小规模中数字集成电路中又难以实现，而相比较而言，测频法就方便操作的多，故我们这里采用测频法。对于产生的闸门脉冲，我们可以利用555的多谐振荡器和单稳态触发器来构成一个时基电路，产生一个高电平为1s时基脉冲，并通过在这个脉冲时间内用计数器计算出待测信号的次数来测量待测信号的频率，时基电路如图所示： 图13 时基电路如上图所示，左边的555多谐振荡器有：T1=0.7(R7+R8)C8=1.1515sT2=0.7R8C8=0.329s而右边的555单稳态触发器则有：tw=1.1R6C5=1s而又有 T2tw,故此电路

11、成立，且tw=1s。幅值显示原理：由555多谐振荡器经过555单稳态电路产生一个高电平时间t=1s的矩形波。在单稳态高电平时74LS160开始计数并且把记得数送到74LS175L里，直到单稳态转为低电平时，又经过非门转换为由低电平变为高电平。这满足74LS160的要求，接受74LS160送的数，并且保持，显示频率！图中频显部分中的开关起到手动清零作用！74LSA160功能表 ： 输入 输出CRLDCTpCTtCPD0D2D3D4Q0Q1Q2Q3LXXXXXXXXLLLLHLXXd0d1d2d3d0d1d2d3HHHHXXXX 计数HHLXXXXXX 保持HHXLXXXXX 保持 L 低电平 H

12、高电平 低电平转高电平 x 任意当输入已知频率为1KHZ的待测频率，数字显示管的显示如下图所示： 图15 数字频率计显示结果由上图可知，经过我们的努力，虽然因为电路图有点繁琐，计算所得结果时所需时间较长，我们已经可以把误差控制在一个很小的范围内。正弦信号发生器数字频率计总电路图如下图所示： 图16 正弦信号发生器数字频率计总电路图如上图所示，我们采用了手动清零的方法，而在这里的待测信号，我们用了一个函数信号发生器代替，而数码管显示时，就和我们平时读数的习惯一样，最高位在最左位，依次往右位次依次降低。3、 正弦波幅值数字显示模块 设计数字电压表时，应为正弦波输出的信号为模拟信号，和进行数字显示时

13、却需要数字信号，所以在这之前我们需要用A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，以驱动数码管显示电压幅值。在这里，我们需要用到一个我们还没有学过的芯片ADC芯片来将模拟信号转换，以驱动数码管显示。 图17 ADC芯片 其中，vin为信号的输入，vref+和vref-为比较电压的输入端，soc为开始转换的控制端，eoc为结束转换的控制端，而D0至D7则为八位二进制的输出端。而此ADC芯片却不能直接输入交流信号，因此我们在输入模拟信号之前，却需要将正弦交流信号输入一个采样保持控制电路，以此来形成一个较稳定的直流模拟信号，采样保持控制电路如下图所示： 图18 采样保持控制电路如上图所示，当信号开始输入

14、时，开关闭和，这是的输出信号随着输入信号的变化而变化，如下图所示： 图19 开关闭和时输出信号波形图而当开关打开时，这是电容便会放电，而使得输出的信号保持在一个稳定的幅值，如下图所示： 图20 开关打开时输出信号波形图我们知道，ADC芯片输出的信号为一个八位二进制编码，而我们如果要完成数码管的显示，则需要将其转换为十进制编码，这时，我们设计了以下电路图: 图21 进制转换电路图如上图所示，我们用了两片74LS161与三片74LS160构成了一个转换电路，原理如下：我们给了74LS160与74LS161形同的CP脉冲，让他们同时开始计数，而我们又将ADC芯片的各个输出与74LS161的各个输出用

15、异或门全部相与在一起，由于ADC芯片的输出与74LS161都是八位二进制输出，当74LS161与74LS160在CP脉冲的作用下开始计数到与ADC的输出完全一样时，这时他们的输出由异或门相与在一起的结果为0，而此结果又与各个74LS161与74LS160的ENP与ENT直接相连，则这时各个芯片停止计数，而又因为74LS160与74LS161是同时在同一脉冲的作用下开始计数的，则其输出的结果是相同的，而由此可得，最终数码管上输出的结果便是ADC输出结果的转换。而又由公式可得，当ADC的vref+与vref-之间加上25.6V的电压时，编码每加1时，则电压显示加上0.1V。当信号输入端加上一个5V

16、的模拟信号时，这是数码管的显示如下图所示： 图22 数码管显示如上图所示，其电压显示结果为能精确到小数点后一位，例如，上图所示的电压显示为5.0V。正弦波幅值数字显示模块的总电路如下所示： 图23 正弦波幅值数字显示模块的总电路三、 系统综述 下面给出本次课设总的电路图： 结束语 此电路可以基本完成课设的基本要求。具有频率，幅值可调并且显示的功能。并且都能较准确的测出幅值和频率，误差较小！虽然课设已完成但其中还有许多的问题：比如musitisim中有些元器件没有，各阶电路相互影响，电路中需要的有些元器件不了解。参考文献1. 林涛，模拟电子技术基础-重庆：重庆大学出版社，2003 2. 林涛，模

17、拟电子技术基础-北京：清华大学出版社，20063. 黄智伟，全国大学生电子竞技设计赛电路设计-北京，北京航空航天大学出版社，2006。4. 孙淑艳，电子技术实践教学指导书-北京，中国电力出版社，2005.5. 程永真，宁武等，全国大学生电子技术设计竞赛试题精选，电子工业出版社，2007. 6. 谢自美，电子线路-武汉，华中科技大学出版社。鸣谢在本次课程设计中，感谢老师们和同学的帮助，特别感谢邓老师和楚老师的悉心指导和鼎力支持。此外，还要特别感谢我的队友李欣潘和滚涛，大家很认真，有时候废寝忘食。正是有了大家的团结合作和互帮互助，这个课程设计才得以顺利的完成。 再次感谢他们。元器件明细表，附图.

18、序号 名称 型号参数 数量 备注 1运算放大器3288RT放大信号 2555记时器 3定值电阻 4滑动电阻 5七段显示管DCD_HEX7显示 6电压源提供电源 7晶体管2N29252 8电容 9AD转换ADC模数转换 10锁存器74LS175D锁存数据 12计数器74LS1605计数收获与体会，存在的问题等 在这次维持一周半左右的课程设计结束后，我感觉收获良多，尤其是在以前上课时有些似是而非的东西得到了加强，巩固了原来旧的东西，而且通过了这次和同学之间的通力合作，我明白了团队的重要性，更加学会了在以后的学习生活中，如何与他人合作。同时通过这次课设，我也发现了修多自己的不足，虽然现在不能马上说改变就改变，但我知道发现本身就是一件进步，我相信在以后的学习生活中我会逐步的克服这些不足。 在本次的课程设计中，有一些小小的地方我们还是存在着一些缺陷，比如RC滤波电路运行三分钟左右之后，模拟便会出现问题，始终不能解决，还有在最后的采样控制电路中，我们不能完全做到自动化，还需要用示波器观察，手动来打开与闭合开关，以此来达到实验目的。但我们在课设结束之后，并不会放弃这些问题，而是继续寻找解决办法，这样才能更好地提升自己。评 语 评阅人： 日期：word文档 可自由复制编辑