電子技術(shù)課程設(shè)計低頻信號發(fā)生器

1、長 安 大 學(xué)電子技術(shù)課程設(shè)計課題名稱 低頻信號發(fā)生器班 級 姓 名 指導(dǎo)教師 日 期_2011.1_前 言正弦交流信號是一種應(yīng)用極為廣泛的信號，它通常作為標(biāo)準(zhǔn)信號 ，用于電子電路的性能試驗或參數(shù)測量。另外，在許多測試儀中也需要用標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號檢測一些物理量，正弦信號用作標(biāo)準(zhǔn)信號時，要求正弦信號必須有較高的精度，穩(wěn)定度及低的失真率。本次電子課程設(shè)計的低頻正弦信號發(fā)生器的要求為：信號的頻率范圍為20hz20khz;輸出電壓幅度為5v；輸出信號頻率數(shù)字顯示；輸出電壓幅度顯示。針對以上設(shè)計要求，我們從圖書館收集，借閱了大量相關(guān)書籍，從網(wǎng)上下載了諸多相關(guān)資料，其次安裝并學(xué)習(xí)使用了電路設(shè)計中所常使用的m

2、ultisim仿真軟件。在設(shè)計的要求下，畫出了整體電路的框圖，將其分為正弦信號發(fā)生器，輸出電壓和幅度數(shù)字顯示，輸出信號頻率和其數(shù)字顯示三大部分。其次我們對每個單元電路進行設(shè)計分析，對其工作原理進行介紹，最后使用multisim軟件畫出單元電路，并對其仿真。完成電路的設(shè)計與分析后，對資料與設(shè)計電路進行整理，排版，完成課程設(shè)計報告。目 錄摘要3關(guān)鍵字3設(shè)計要求3第一章 系統(tǒng)概述3第二章 單元電路設(shè)計與分析5 第一節(jié) 正弦信號產(chǎn)生和放大電路模塊設(shè)計5 第二節(jié) 數(shù)字的頻率顯示11 第三節(jié) 數(shù)字電壓表設(shè)計19 第三章 系統(tǒng)綜述29 第四章 結(jié)束語30參考文獻30鳴謝30元器件明細表31收獲與體會，存在的

3、問題32評語33低頻正弦信號發(fā)生器摘要：信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，而正弦信號發(fā)生器是信號發(fā)生器中最常見的一種，它能輸出一個幅度可調(diào)、頻率可調(diào)的正弦信號，在這些正弦信號發(fā)生器中又以低頻正弦信號發(fā)生器最為常用。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器，在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。現(xiàn)今，常用的信號發(fā)生器大部分是由模擬電路構(gòu)成的，電路的組成主要包括選頻網(wǎng)絡(luò)、反饋網(wǎng)絡(luò)、以及放大部分，這種方式的信號發(fā)生器可以看作是一個沒有輸出信號的帶有選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大電路。此種信號發(fā)生器包含的選頻網(wǎng)絡(luò)是rc選頻電路或

4、者lc選頻電路。一般情況下，rc選頻電路用于輸出中頻信號，lc選頻電路用于輸出高頻信號，但需要這種模擬信號發(fā)生器用于輸出低頻信號往往需要的rc值很大（lc輸出高頻，更難以滿足要求），這樣不但參數(shù)準(zhǔn)確度難以保證，而且體積和功耗都很大，低頻難以滿足要求。而由數(shù)字電路構(gòu)成的低頻信號發(fā)生器多是由一些芯片組成，其低頻性能比模擬信號發(fā)生器好得多，而且體積較小，輸出的信號諧波較少，頻率和振幅相對比較穩(wěn)定。本文用max038芯片實現(xiàn)低頻正弦信號的發(fā)生，借助于放大器對正弦信號進行放大，這種電路流程簡單、運算速度高、便于調(diào)節(jié)與實現(xiàn)并且集成度強。關(guān)鍵詞 正弦波 信號發(fā)生器 放大器 頻率顯示 電壓顯示技術(shù)要求1 信號

5、頻率范圍20hz20khz;2 輸出信號電壓幅度 5v；3 輸出信號頻率數(shù)字顯示；4 輸出電壓幅度數(shù)字顯示。第一章系統(tǒng)綜述（內(nèi)容用小4 號字宋體）根據(jù)任務(wù)書的要求，系統(tǒng)可分為三大部分，即正弦信號的產(chǎn)生；輸出頻率的范圍和其顯示；輸出電壓的幅度和顯示，我們采用max038芯片產(chǎn)生正弦信號，該芯片能產(chǎn)生高精度的信號，頻率范圍大，功耗低，信號產(chǎn)生后再通過運放opa604的功率放大來滿足輸出電壓的幅度要求，然后通過555定時器組成的施密特觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài) 電路，多諧振蕩電路對其放大整形和控制，最終通過十六進制加法器74ls160，鎖存器74ls373，譯碼器74ls48使數(shù)碼管顯示電壓，由于本學(xué)期剛學(xué)過5

6、55定時器，74ls160,74l48等芯片，設(shè)計過程中易于理解和操作，其次是電壓的顯示，我們采用集成電路mc14433,mc1413,mc4511和mc1403設(shè)計成數(shù)字電壓表，實現(xiàn)對電壓的顯示。其中mc14433的作用是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，mc1403為mc14433提供精密電壓，供mc14433a/d轉(zhuǎn)換器作參考電壓，mc4511的功能是將二-十進制轉(zhuǎn)換成七段信號，mc1413的作用為驅(qū)動顯示器的 a,b,c,d,e,f,g七個發(fā)光段，驅(qū)動數(shù)碼管進行顯示，數(shù)碼管只將譯碼器輸出的七段信號進行數(shù)字顯示，讀出a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果，該模塊集成度高，外圍電路簡單，便于實現(xiàn)。 max038函數(shù)

7、發(fā)生器芯片以下為電路的系統(tǒng)框圖：圖1電阻調(diào)節(jié) opa604功率放大 mc14433a/d轉(zhuǎn)換555施密特觸發(fā)器mc1403555多謝振蕩器555單穩(wěn)態(tài)電路&mc4511mc1413 74ls160計數(shù)器 共陰極led發(fā)光數(shù)碼管74ls373鎖存器共陰數(shù)碼管74ls48譯碼器第二章單元電路設(shè)計（內(nèi)容用小4 號字宋體）第一節(jié)：正弦信號產(chǎn)生和放大電路模塊設(shè)計1 .正弦波發(fā)生器是本設(shè)計的核心部分以下介紹三種方案：方案一：采用傳統(tǒng)的直接頻率合成法直接合成。利用混頻器，倍頻器，分頻器和帶通濾波器完成對頻率的算術(shù)運算。但由于采用大量的倍頻，分頻，混頻和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，成本高

8、，而且容易產(chǎn)生過多的雜散分量，難以達到較高的頻譜純度。方案二：采用鎖相環(huán)間接頻率合成（pll）。雖然具有工作頻率高，寬帶，頻譜質(zhì)量好的優(yōu)點，但由于鎖相環(huán)本身是一個惰性環(huán)節(jié)，鎖定時間較長，故頻率轉(zhuǎn)換時間較長。另外，由模擬方法合成的正弦波的參數(shù)（如幅度，頻率和相位等）都很難控制，而且要實現(xiàn)大范圍的頻率變化相當(dāng)困難，不易實現(xiàn)。方案三：用函數(shù)產(chǎn)生芯片直接產(chǎn)生所需信號。采用max038函數(shù)產(chǎn)生芯片，通過設(shè)置管腳參數(shù)的輸入，可設(shè)計組成產(chǎn)生幅頻精度很高且易于調(diào)整的波形信號，該波失真度很小，而且可實現(xiàn)的頻率范圍很大，在電路參數(shù)要求苛刻的工作場所能夠得到較好的應(yīng)用，用該芯片設(shè)計組成的信號產(chǎn)生電路集成度高，而且簡

9、單，容易控制。綜合比較，為了實現(xiàn)要求，選擇方案三，使用高性能的芯片max038作為正弦波發(fā)生器的核心，實現(xiàn)高精度，高穩(wěn)定的正弦信號輸出。以下是max038管腳圖，管腳功能和其性能的介紹：max038采用dip-20封裝形式，其管腳如下圖2所示： 圖2 max038管腳圖各引腳功能簡述如下：引腳標(biāo)記符號功能說明1ref2.5v的基準(zhǔn)電壓輸出2，6，9，11，18gnd地3a0波形選擇編碼輸入端（兼容ttl/cmos電平）4a1波形選擇編碼輸入端（兼容ttl/cmos電平）5cosc主振器外接電容接入端7dadj占空比調(diào)節(jié)輸入端8fadj頻率調(diào)整輸入端10iin電流輸入端，用于頻率調(diào)節(jié)和控制12p

10、do相位檢測器輸入端，若相位檢測器不用，該端接地13pdi相位檢測器基準(zhǔn)時鐘輸入，如相位檢測器不用，該端接地14syncttl/cmos電平輸出，用于同步外部電路，不用時開路15dgnd數(shù)字地，在sync不用時開路16dv+數(shù)字+5v電源。若sync不用，該端開路17v+5v電源輸入端19out正弦波、方波或三角波輸出端20v_-5v電源輸入端表1 max038的引腳功能說明max038的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理：max038的芯片內(nèi)部包含振蕩器、比較器、基準(zhǔn)電壓和正弦波形成器等。max038產(chǎn)生信號的頻率和占空比可以通過調(diào)整電流、電壓或電阻來分別控制。所需的輸出波形可由在a0和a1輸入端設(shè)置適當(dāng)?shù)?/p>

11、代碼來選擇，所有的輸出波形都對稱于地電位的2v（峰峰值）信號。低阻抗輸出的驅(qū)動能力可以達到20ma。在sync輸出引腳端輸出一個由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的、與ttl兼容的、占空比為50的波形（不管其他波形的占空比是多少），可作為系統(tǒng)中其他器件的同步信號。內(nèi)部振蕩器也可以由連接到pdi引腳上的外部ttl時鐘來同步。max038的工作電源為5（15）v?；镜恼袷幤魇且粋€交變的、以恒流向電容器充電和放電的弛張振蕩器，同時也就產(chǎn)生一個三角波和矩形波。充電和放電的電流是由流入引腳端iin的電流來控制的，并由加到引腳端fadj和dadj上的電壓調(diào)制。流入引腳端iin的電流可由2ua變化到750ua，對任一電容器

12、cf值可以產(chǎn)生大于兩個數(shù)量級（100倍）的頻率變化。在引腳端fadj上加2.4v電壓可改變70的標(biāo)稱頻率（與vfadj=0v時比較），這種方法可以用作精確的控制。占空比（輸出波形為正時所占時間的百分比）可由加2.3v的電源到引腳端dadj上來控制其從10變化到90。這個電壓改變了cf的充電和放電電流的比值，而維持頻率近似不變。引腳端ref的2.5v基準(zhǔn)電壓可以用固定電阻連接到引腳端iin、fadj或dadj，也可以用電位器從這些輸入端接到ref端進行調(diào)整。fadj和/或dadj可以接地產(chǎn)生具有占空比為50的標(biāo)稱頻率信號。max038芯片附加少許外圍電路就能夠產(chǎn)生三角波、鋸齒波、正弦波、方波、矩

13、脈沖波形。該芯片具有如下的功能特點：(1)輸出頻率范圍：0120 mhz，最高可達40 mhz：(2)輸出波形占空比(1585)獨立可調(diào)，占空比可由dadj端調(diào)整，如果dadj端接地，則輸出占空比為50；(3)具有低輸出阻抗的輸出緩沖器，輸出阻抗的典型值為01 ；(4)備有ttl兼容的獨立同步信號sync(方波輸出，固定占空比為50)，方便組建 (5)低溫度漂移。對于所有輸出波形來說，輸出波形是以地為參考的對稱波形，在低輸出阻抗的情況下，輸出電流可達到20 ma電流。 在兩個與ttlcmos信號輸入匹配的地址引腳a1，a0上輸入合適的代碼信號，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出波形變換的控制，具體輸入代碼和輸出波形

14、的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。a0a1波形x1正弦波00矩形波a0a1波形10三角波表2 地址a0和a1引腳端工作狀態(tài)的設(shè)置與波形選擇輸出頻率反比于電容器cf值。（1） 波形選擇 max038可以產(chǎn)生正弦波、矩形波或三角波形設(shè)置a0和a1引腳端的狀態(tài)可選自輸出波形（ttl/cmos邏輯電平）如表二所列。波形切換可以在任一時刻進行，而不管輸出信號當(dāng)時的相位。切換發(fā)生在0.3us之內(nèi)，但是輸出波形可能有一段小的延續(xù)0.5us的過渡狀態(tài)。（2） 輸出頻率max038輸出頻率取決于注入引腳端iin的電流大小、引腳端cosc的電容量（對地）和引腳端fadj上的電壓vfadj。當(dāng)vfadj=0v時，輸出的基波頻率

15、（f0）由下式給出：f0（mhz）=iin(ua)cf(pf)周期（t0）則為：t0(s)=cf(pf)iin(ua)式中，iin為注入到iin引腳端的電流（2750ua），cf為接到cosc引腳端和地之間的電容值（20pf100uf）。 （注:由于在multisim軟件里面沒有max038芯片，所以不能畫出關(guān)于此芯片產(chǎn)生正弦信號的波形圖。在這個設(shè)計中，為了能夠模擬產(chǎn)生低頻正弦信號并且進行顯示，我們用了另一種方法產(chǎn)生正弦信號，具體請看后面的具體電路設(shè)計圖）圖3 正弦信號發(fā)生電路2 放大電路的設(shè)計上述圖3所示信號產(chǎn)生電路，當(dāng)v+=5v，v-=-5v,vdadj=vfadj=vpdi=vpdo=0

16、 v，rl=1 k，cl=20 pf，輸出波形、頻率變化調(diào)整時，輸出電壓能夠穩(wěn)定的達到vp-p=2 v。由于設(shè)計要求的電壓幅度為5v，因此必須對產(chǎn)生的信號進行放大，本設(shè)計的放大電路主要由運放opa604擔(dān)任 。opa604是fet輸入高保真運放ic，性能十分優(yōu)越，低噪聲10nv/hz，低失真率，1khz時，僅為0.0003%，高轉(zhuǎn)換率25v/us，功率帶寬為20mhz，電路中opa604的閉環(huán)電壓增益由外電路所接電阻控制。 由opa604組成的放大電路如下圖4所示 圖4 信號放大電路 注：r1的另一接線端接max038的管腳19圖3所示的電路產(chǎn)生的正弦輸出波的vp-p=2 v, multisi

17、m軟件中沒有信號產(chǎn)生芯片max038，對圖3所示電路的仿真我們只能外接一個能夠產(chǎn)生vp-p=2 v的正弦信號源，仿真的結(jié)果如下圖5所示圖5 放大電路仿真結(jié)果圖第二節(jié)：頻率的數(shù)字顯示一、整體方框圖及原理 圖6輸入電路：由于輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設(shè)計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當(dāng)輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅(qū)動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入

18、放大的增益，時被測信號得以放大。頻率測量：測量頻率的原理框圖如圖6.測量頻率共有顯示單位。被測信號經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時基信號的到來。時基信號由555定時器構(gòu)成一個較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)的時基信號，作為閘門開通的基準(zhǔn)時間。被測信號通過閘門，作為計數(shù)器的時鐘信號，計數(shù)器即開始記錄時鐘的個數(shù)，這樣就達到了測量頻率的目的。計數(shù)顯示電路：在閘門電路導(dǎo)通的情況下，開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿。在計數(shù)的時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當(dāng)計數(shù)完成后，此時要使數(shù)碼管顯示計數(shù)完成后的數(shù)字?？刂齐娐罚嚎刂齐娐防锩嬉a(chǎn)生計數(shù)清零信號和鎖存控制信號。二、各部分的

19、設(shè)計與調(diào)測1、輸入電路設(shè)計與調(diào)測1.1 時基電路設(shè)計圖7 時基電路與分頻電路它由兩部分組成: 如圖7所示，第一部分為555定時器組成的振蕩器(即脈沖產(chǎn)生電路),要求其產(chǎn)生1000hz的脈沖.振蕩器的頻率計算公式為:f=1.44/(r1+2*r2)*c),因此,我們可以計算出各個參數(shù)通過計算確定了r1=8.2k ，r2=5.1k，c=0.01f使得555能夠產(chǎn)生非常接近1khz的頻率。第二部分為分頻電路,主要由74ls160組成，因為振蕩器產(chǎn)生的是1000hz的脈沖,也就是其周期是0.001s,而時基信號要求周期為1s。74ls160為十進制計數(shù)器，用于在時鐘上升沿或下降沿加計數(shù)。1.2時基電路

20、的調(diào)測圖8時基電路首先調(diào)測時基信號，通過555定時器、rc阻容件構(gòu)成多諧振蕩器的兩個暫態(tài)時間公式，選擇r1=8.2k ，r2=5.1k，c=0.01f。把555產(chǎn)生的信號接到示波器中，使得輸出的信號的頻率為1khz。同時輸出信號的頻率也要穩(wěn)定。測完后，下面測試分頻后輸出端信號。測出來的信號頻率和理論值1hz相等。這樣，時基電路這部分就測試完畢，可以用于做標(biāo)準(zhǔn)的閘門信號，所以此時的時基電路設(shè)計好了，而且時基信號也沒有什么問題。圖9時基電路分頻后的波形1.3放大整形電路設(shè)計如圖10所示，待測的波先被送入到放大電路的輸入端，輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波，

21、所以需要設(shè)計一個整形電路在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當(dāng)輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅(qū)動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大。然后把放大調(diào)整后的信號送入由555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能經(jīng)過施密特觸發(fā)器后便把信號整形成為矩形波。圖10 放大整形電路圖1.4 放大整形電路的調(diào)測圖11放大整形電路用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個正弦波形，輸入放大整形電路，用示波器來觀察待測信號經(jīng)放大

22、整形電路后波形的前后變化，結(jié)果如圖12，1表示整形后的波形，2表示整形前的。圖12待測信號放大整形前后的波形圖二、控制電路的設(shè)計與調(diào)測2.1控制電路設(shè)計通過分析我們知道控制電路這部分是本實驗的最為關(guān)鍵和難搞的模塊。其中控制模塊里面又有幾個小的模塊，通過控制選擇所要測量的東西。比如頻率，周期，脈寬。同時控制電路還要產(chǎn)生74160的清零信號，74ls373的鎖存信號。圖13 控制電路 邏輯控制電路詳細的電路如圖13所示。圖14是測試被測信號頻率時的計數(shù)器cp信號波形、pt端輸入波形、clr段清零信號波形、74ls373鎖存端波形圖。其中第一個波形是被測信號的波形圖、第二個是pt端輸入信號的波形圖、

23、第三個是計數(shù)器的清零信號。第四個是鎖存信號。pt是高電平的時候計數(shù)器開始工作。clr為低電平的時候，計數(shù)器清零。根據(jù)圖得知在計數(shù)之前對計數(shù)器進行了清零。根據(jù)74ls373（74ls373的管腳圖和功能表詳見附錄）的功能表可以知道，當(dāng)鎖存信號為高電平的時候，74ls48不送數(shù)。如果不讓74ls373鎖存的話，那么計數(shù)器輸出的信號一直往數(shù)碼管里送。由于在計數(shù)，那么數(shù)碼管上面一直顯示數(shù)字，由于頻率大，那么會發(fā)現(xiàn)數(shù)字一直在閃動。那么通過鎖存信號可以實現(xiàn)計數(shù)的時候讓數(shù)碼管不顯示，計完數(shù)后，讓數(shù)碼管顯示計數(shù)器計到的數(shù)字的功能。根據(jù)圖可以看到，當(dāng)pt到達下降沿的時候，此時74ls373的g端的輸入信號也剛好

24、到達下降沿。圖14 控制電路工作波形示意圖2.2 邏輯控制電路的調(diào)測圖15 邏輯控制電路調(diào)測連接圖控制電路的連接圖如圖15所示，其中兩個555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用一個是產(chǎn)生清零信號，另一個是產(chǎn)生鎖存信號。由調(diào)試波形可以知道電路設(shè)計是正確的。這部分是測量頻率的功能。測頻率的時候時基信號作為閘門信號。測試的結(jié)果如圖16所示其中1波形表示為清零信號，2波形表示鎖存信號，3波形表示閘門信號?？刂撇糠值墓ぷ髟恚寒?dāng)清零信號由0變?yōu)?時，此時計數(shù)器的清零工作已經(jīng)完成。閘門開始打開，當(dāng)閘門打開時，即閘門信號為高電平時，計數(shù)器開始計數(shù)我們所設(shè)計的閘門的高電平時間為1s，在此時間內(nèi)計數(shù)器計數(shù)被測信號的變化次數(shù)，所

25、得結(jié)果便是被測信號的頻率。當(dāng)計數(shù)器清零和計數(shù)時，鎖存器要鎖存，以免顯示時數(shù)字跳動，當(dāng)計數(shù)器清零和計數(shù)完畢時，鎖存器再開始讀數(shù)。那么到此，整個控制電路部分實現(xiàn)的控制功能都已經(jīng)實現(xiàn)了。到這里，會發(fā)現(xiàn)控制電路整個設(shè)計過程的精華所在。把控制電路這部分完成，那么本次的課程設(shè)計最重要的部分完成，所以這次課程設(shè)計整體上也就基本完成了。圖16邏輯控制電路輸出波形圖第三部分:數(shù)字電壓表設(shè)計數(shù)字電壓表是將被測模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并進行實時數(shù)字顯示的數(shù)字系統(tǒng)。方案一：采用單片機89c51作為系統(tǒng)的控制核心,以a/d轉(zhuǎn)換器adc0809作為主要部件，原理是模數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換芯片的基準(zhǔn)電壓端，北側(cè)電壓輸出端分別輸入基準(zhǔn)

26、電壓和被測電壓。模數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換芯片將被測量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，然后通過對單片機系統(tǒng)進行軟件編程，使單片機系統(tǒng)能按規(guī)定的時序來采集這些數(shù)字信號，通過一定的算法來計算出被測量電壓的值，最后單片機系統(tǒng)將計算好了的被測電壓按一定的是與送入顯示電路模塊加以顯示。單片機技術(shù)成熟、運算功能較強、編程靈活、設(shè)計成本也較低，能較準(zhǔn)確地測量輸入電壓。但在單片機系統(tǒng)中必須使用許多分立元件組成其外圍電路，整個系統(tǒng)顯得十分復(fù)雜，可靠性較低，抗干擾能力差，而且功耗高。并且我們對單片機的學(xué)習(xí)還不是很多，還會用到編程。所以這種方法不是我們采用的。方案二：我們主要以集成芯片為主要器件。電路

27、主要有mc14433 ad轉(zhuǎn)換器、mc1413七路達林頓驅(qū)動器陣列、cd4511 bcd到七段鎖存-譯碼-驅(qū)動器、能隙基準(zhǔn)電源mc1403和共陰極led發(fā)光數(shù)碼管組成。本系統(tǒng)是3位數(shù)字電壓表，3位是指十進制數(shù)00001999，所謂3位是指個位、十位、百位，其數(shù)字范圍均為09。而所謂半位是指千位數(shù)，它不能從0變化到9，而只能由0變到1，即二值狀態(tài)，所以成為半位。電路圖如下：各部件的功能如下：（1）3a/d轉(zhuǎn)換器（mc14433）：將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。（2） 基準(zhǔn)電源（mc1403）：提供精密電壓，供a/d轉(zhuǎn)換器作參考電壓。（3） 譯碼器（mc4511）：將二-十進制（bcd）碼轉(zhuǎn)換成

28、七段信號。（4） 驅(qū)動器（mc1413）：驅(qū)動顯示器的a,b,c,d,e,f,g七個發(fā)光段，推動發(fā)光數(shù)碼管（led）進行顯示。（5） 顯示器：將譯碼器輸出的七段信號進行數(shù)字顯示，讀出a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果。工作過程如下：3數(shù)字電壓表通過位選信號進行動態(tài)掃描顯示，由于mc14433電路的a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果是采用bcd碼多路調(diào)制方法輸出，只要配上一塊譯碼器，就可以將轉(zhuǎn)換結(jié)果以數(shù)字方式實現(xiàn)四位數(shù)字的led發(fā)光數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示。輸出多路調(diào)制選通脈沖信號，選通脈沖為高電平，則表示對應(yīng)的數(shù)位被選通，此時該位數(shù)據(jù)在端輸出。每個選通脈沖高電平寬度為18個時鐘脈沖周期，兩個相鄰選通脈沖之間間隔2個時鐘脈沖周期。和eoc的

29、時序關(guān)系是在eoc脈沖結(jié)束后，緊接著是輸出正脈沖，以下依次為、和。其中對應(yīng)最高位（msd），則對應(yīng)最低位（lsd）。在對應(yīng)、和選通期間，輸出bcd全位數(shù)據(jù)，即以8421碼方式輸出對應(yīng)的數(shù)字09。在選通期間，輸出千位的半位數(shù)0或1及過量程、欠量程和極性標(biāo)志信號。在位選信號選通期間的輸出內(nèi)容如下：表示千位數(shù)， =“0”代表千位數(shù)的數(shù)字顯示為1， =“1”代表千位數(shù)的數(shù)字顯示為0。表示被測電壓的極性，的電平為“1”，表示極性為正，即0，的電平為“0”，表示極性為負，即0。顯示數(shù)的負號（負電壓）由mc1413中的一只晶體管控制，符號位的“-”陰極與千位數(shù)陰極接在一起，當(dāng)輸入信號為負電壓時，端輸出置“0

30、”，負號控制位使得驅(qū)動器不工作，通過限流電阻使顯示器的“-”（即g段）點亮；當(dāng)輸入信號為正電壓時，端輸出置“1”，負號控制位使達林頓驅(qū)動器導(dǎo)通，電阻接地，使“-”旁路而熄滅。小數(shù)點顯示是由正電源通過限流電阻供電燃亮小數(shù)點。若量程不同則選通對應(yīng)的小數(shù)點。過量程是當(dāng)輸入電壓超過量程范圍時，輸出過量程標(biāo)志信號。當(dāng)=“0”且=“1”時，表示處于過過量狀態(tài)。當(dāng)=“1”且=“1”時，表示處于欠量程狀態(tài)。當(dāng)=“0”時，| 1999，則溢出。|則輸出低電平。當(dāng)=“1”時，表示|。平時為高電平，表示被測量在量程內(nèi)。mc14433的端與mc4511的消隱端直接相連，當(dāng)超出量程范圍時，則輸出低電平，即=0=0，mc

31、4511譯碼器輸出全0，使發(fā)光數(shù)碼管顯示數(shù)字熄滅，而負號和小數(shù)點依然發(fā)亮。單元電路設(shè)計與分析1、3a/d轉(zhuǎn)換器mc14413在數(shù)字儀表中，mc14413電路是一個低功率3位雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器。mc14413電路總框圖如圖2所示。由圖2可知，mc14413a/d轉(zhuǎn)換器主要由模擬部分和數(shù)字部分組成。使用時只要外接兩個電阻和兩個電容就能執(zhí)行3位的a/d轉(zhuǎn)換器。圖17 mc14433電路總框圖（1） 模擬部分：圖3為mc14413內(nèi)部模擬電路的工作原理示意圖。其中共有3個運算放器，和10多個電子模擬開關(guān)，接成電壓跟隨器，以提高a/d轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，由于采用cmos電路，因此輸入阻抗可達100以上。

32、和外接的、構(gòu)成一個積分放大器，完成即電壓-時間的轉(zhuǎn)換。接成電壓比較器，主要功能是完成“0”電平檢出，由輸入電壓與零電壓進行比較，根據(jù)兩者的差值決定輸出是“1”還是“0”。比較器的輸出用作內(nèi)部數(shù)字控制電路的一個判別信號。電容為自動調(diào)零失調(diào)補償電容。圖18 模擬電路工作原理示意圖（2）數(shù)字部分：包括圖2中除“模擬部分”以外的部分。其中四位十進制計數(shù)器為3位bcd碼計數(shù)器，對反積分時間進行計數(shù)（01999），并送到數(shù)據(jù)寄存器；數(shù)據(jù)寄存器為3位十進制代碼數(shù)據(jù)寄存器，在控制邏輯和實時取數(shù)信號（du）作用下，鎖定和存儲a/d轉(zhuǎn)換器結(jié)果；多路選擇開關(guān)，從高位到低位逐位輸出多路調(diào)制bcd碼，并輸出相應(yīng)位的多路

33、選擇脈沖標(biāo)志信號；控制邏輯，這是a/d轉(zhuǎn)換的指揮中心，統(tǒng)一控制各部分電路的工作，它是根據(jù)比較器的輸出極性接通電子模擬開關(guān)，完成a/d轉(zhuǎn)換6個階段的開關(guān)轉(zhuǎn)換和定時轉(zhuǎn)換信號，以及過量程等功能標(biāo)志信號，在對基準(zhǔn)電壓進行積分時，令4位計數(shù)器開始計數(shù)，完成a/d轉(zhuǎn)換；時鐘發(fā)生器，它通過外接電阻構(gòu)成的反饋，并利用內(nèi)部電容形成振蕩，產(chǎn)生節(jié)拍時鐘脈沖，使電路統(tǒng)一動作，這是一種施密特觸發(fā)式正反饋多諧振蕩器，一般外接電阻為360時，振蕩頻率則為100，當(dāng)外接電阻為470時，振蕩頻率則為66，當(dāng)外接電阻為750時，振蕩頻率則為50。若采用外時鐘頻率，則不要外接電阻，外部時鐘頻率信號從clki（10腳）端輸出，時鐘脈

34、沖cp信號可從clko（11腳）獲得；極性檢測，顯示輸入電壓的正負極性；過載指示（溢出），當(dāng)輸入電壓超出量程范圍時，輸出過量程范圍時，輸出過量程標(biāo)志。mc14413a/d轉(zhuǎn)換器是雙斜積分，采用電壓-時間間隔（）方式，通過先后對被測電壓模擬量和基準(zhǔn)電壓的兩次積分，將輸入的被測電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔，用計數(shù)器測出這個時間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)目，即可得到被測電壓的數(shù)字值。雙積分過程可以由下面的式子表示：=- =- （1）=- =- （2）因=，故有 = （3）式中， =4000。是定時間，為變時間，由確定斜率，若用時鐘脈沖數(shù)來表示時間，則被測電壓就轉(zhuǎn)換成了相應(yīng)的脈沖數(shù)，實現(xiàn)了a/d轉(zhuǎn)換。積分

35、電阻電容的選擇應(yīng)根據(jù)實際條件而定，若時鐘頻率為66，一般取0.1uf,的選取與量程有關(guān)，量程為2v時，取=470；量程為200mv時，取=27。選取和的計算公式如下：=（4）式中，為積分電容上充電電壓幅度，=0.5v例如，假定=0.1uf， =5v, =66。當(dāng)=2v時，代入（4）式可得=480，取=470。3a/d轉(zhuǎn)換器設(shè)計了自動調(diào)零線路，其中緩沖器和積分器采用模擬調(diào)零方式，而比較器采用數(shù)字調(diào)零方式。在自動調(diào)零時，把緩沖器和積分器的失調(diào)電壓存放在一個失調(diào)補償電容上，而比較器的失調(diào)電壓用數(shù)字形式存放在內(nèi)部的寄存器中，a/d轉(zhuǎn)換系統(tǒng)自動扣除電容上和寄存器中的失調(diào)電壓，就可得到精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。a/

36、d轉(zhuǎn)換器周期約需16000個時鐘脈沖數(shù)，若時鐘頻率為48，則每秒可轉(zhuǎn)換3次，若時鐘頻率為86，則每秒可轉(zhuǎn)換4次。mc14413采用24引線雙列直插式封裝，外引線排列如圖4所示，各引腳端功能說明如下：1端：，模擬地，是高阻輸入端，作為輸入被測電壓和基準(zhǔn)電壓的參考點地。2端：，基準(zhǔn)電壓端，是外接基準(zhǔn)電壓輸入端，若此端加一個大于5個時鐘周期的負脈沖（電平），則系統(tǒng)復(fù)位到轉(zhuǎn)換周期的起點。3端：，是被測電壓輸入端。 4端：，外接積分點阻端。 圖4 mc14433頂視圖 5端： /，外接積分元件電阻和電容的接點。6端：，外接積分電容端，積分波形由該端輸出。7和8端：和，外接失調(diào)補償電容端，推薦該兩端外接失

37、調(diào)補償電容取0.1uf。9端：，實時輸出控制端，主要控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出，若在比積分放電周期即階段5開始前，在端輸入一正脈沖，則該輸出端繼續(xù)輸出鎖存器中原來的轉(zhuǎn)換結(jié)果，若該端通過一電阻和eoc短接，則每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果都將被輸出。10端：clki，時鐘信號輸入端。11端：clko，時鐘信號輸出端。12端：，負電源端，是整個電路的電源最負端，主要作為模擬電路部分的負電源，該端典型約為0.8ma，所有輸出驅(qū)動電路的電流不流過該端，而是流向端。13端：，負電源端。14端：eoc，轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志輸出端，每一a/d轉(zhuǎn)換周期結(jié)束，eoc端輸出一正脈沖，其脈沖寬度為時鐘信號周期的1/2。15端：，過量程標(biāo)志輸出

38、端，當(dāng)|時，輸出低電平，正常量程內(nèi)為高電平。1619端：對應(yīng)為，分別是多路調(diào)制選通脈沖信號個位、十位、百位和千位輸出端。當(dāng)端輸出高電平時，表示此刻輸出的bcd碼代碼是該對應(yīng)位上的數(shù)據(jù)。2023端：對應(yīng)為，分別是a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)輸出bcd代碼的最低位（lsb）、次低位、次高位和最高位輸出端。24端：，整個電路的正電源端。 2.七段鎖存-譯碼-驅(qū)動器cd4511cd4511是專用于將二-十進制代碼（bcd）轉(zhuǎn)換成七段顯示信號的專用標(biāo)準(zhǔn)譯碼器，它由四位閂鎖、七段譯碼電路和驅(qū)動器三部分組成，如圖5所示。四位閂鎖七段譯碼驅(qū)動器abcdefg七段輸出bcd輸入圖19cd4511功能圖（1） 四位閂鎖（l

39、atch）:它的功能是將輸入的a、b、c和d代碼寄存起來，該電路具有鎖存功能，在鎖存允許端le端（即latch enable）控制下起閂鎖電路的作用。 當(dāng)le=“1”時，閂鎖器處于鎖存狀態(tài)，四位閂鎖封鎖輸入，此時它的輸出為前一次le=“0”時輸入的bcd碼； 當(dāng)le=“0”時，閂鎖器處于選通狀態(tài)，輸出即為輸入的代碼。 由此可見，利用le端的控制作用可以將某一時刻的輸入bcd代碼寄存下來，使輸出不再隨輸入變化。（2） 七段譯碼電路：將來自四位閂鎖輸出的bcd代碼譯成七段顯示碼輸出，mc4511中的七段譯碼器有兩個控制端： （lamptest）燈測試端。當(dāng)=“0”時， 七段譯碼器輸出全“1”，發(fā)光

40、數(shù)碼管各段全亮顯示；當(dāng)=“1”時，譯碼器輸出狀態(tài)由端控制。 （blanking）消隱端。當(dāng)=“0”時，控制譯碼器為全“0”輸出，發(fā)光數(shù)碼管各段熄滅。=“1”時，譯碼器正常輸出，發(fā)光數(shù)碼管正常顯示。上述兩個控制配合使用，可使譯碼器完成顯示上的一些特殊功能。 （3）驅(qū)動器：利用內(nèi)部設(shè)置的npn管構(gòu)成的射極輸出器，加強驅(qū)動能力，使譯碼器輸出驅(qū)動電流可達20ma。 cd4511電源電壓的范圍為5v15v。它可與nmos電路或ttl電路兼容工作。圖 20 cd4511頂視圖 cd4511采用16引線雙列直插式封裝。其真值表1。 使用 cd4511時應(yīng)注意輸出端不允許短路，應(yīng)用時電路輸出端外接限流電阻。表

41、 輸入輸出lebiltdcbaabcdefg顯示xx0xxxx11111118x01xxxx0000000暗01100001111111001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000暗01110110000000暗01111000000000暗01111010000000暗01111100000000暗01111110000000暗111xxx

42、x取決于原來le=0時的bcd碼3.七路達林頓驅(qū)動器陣列mc1413 mc1413采用npn達林頓復(fù)合晶體管的結(jié)構(gòu)，因此具有很高的電流增益和很高的輸入阻抗，可直接接受mos或cmos集成電路的信號，并把電壓信號轉(zhuǎn)換成足夠大的電流信號驅(qū)動各種負載。該電路內(nèi)含有7個集電極開路反相器（也稱oc門）。 mc1413電路結(jié)構(gòu)和引腳如圖7所示，它采用16引腳的雙列直插式封裝。每一驅(qū)動器輸出端均接有一釋放電感負載能量的抑制二極管。圖21 mc1413引腳和電路結(jié)構(gòu)圖 4.高精度低漂移能隙基準(zhǔn)電源 mc1403 mc1403的輸出電壓的溫度系數(shù)為零，即輸出電壓與溫度無關(guān)。該電路的特點是：溫度系數(shù)?。辉肼曅。惠斎腚妷悍秶?，穩(wěn)定性能好，當(dāng)輸入電壓從+4.5v變化到+15v時，輸出電壓值變化量3mv；輸出電壓值準(zhǔn)確度較高，值在2.4752.525v以內(nèi)；壓差小，適用于低壓電源；負載能力小，該電源最大輸出電流為10ma，mc1403用8條引線雙列直插標(biāo)準(zhǔn)封裝，如圖8所示。圖22 mc1403頂視圖三、系統(tǒng)綜述（內(nèi)容用小4 號字宋體）總電路圖:結(jié)束語（內(nèi)容用小4 號字宋體）通過這次對低頻信號發(fā)生器的設(shè)計學(xué)習(xí)，讓我了解了設(shè)計電路的程序，也讓