示波器功能擴(kuò)展電路的設(shè)計與實現(xiàn)

1、電子電路綜合實驗報告示波器功能擴(kuò)展電路的設(shè)計與實現(xiàn)學(xué)院： 班號：學(xué)號：姓名： e2515c4f63121b3c92fb3fc053422591.pdf摘要：本實驗是示波器功能擴(kuò)展電路，即為實現(xiàn)將普通的雙蹤示波器改造成為多蹤示波器。電路分為五個基本分塊電路時鐘電路、計數(shù)電路、選通電路、衰減和放大電路、加法電路，分別實現(xiàn)產(chǎn)生方波時鐘信號、對時鐘信號的二分頻與四分頻信號、選通信號、交流放大或衰減，直流脈沖（階梯波）與階梯波的疊加功能。電路共有四個輸入端和一個輸出端。輸入端分別接由信號函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的四路不同信號，輸出端接示波器的探頭，最終在示波器的屏幕上實現(xiàn)同時顯示四路穩(wěn)定的被測信號的波形。關(guān)鍵詞：

2、計數(shù)器、選通電路、信號疊加、555振蕩器、交流放大、多蹤顯示一、實驗?zāi)康模?. 加深對示波器工作原理和使用的理解。2. 了解掌握555定時器的用作多諧振蕩器的方法。3. 掌握集成運(yùn)放的使用方法。4. 學(xué)習(xí)模擬多路選擇器的工作原理和使用方法。5. 理解電子電路綜合設(shè)計、安裝調(diào)試的基本方法。6. 提高獨(dú)立設(shè)計電路和驗證試驗的能力二、實驗儀器：1. 直流穩(wěn)壓電源2. 函數(shù)信號發(fā)生器3. 示波器4. 數(shù)字萬用表 三、實驗元器件1. 集成運(yùn)算放大器LF3532. 多路模擬開關(guān)CD40523. 74LS1694. 555定時器5. 電阻電容導(dǎo)線若干6. 面包板四、實驗任務(wù)要求1.基本要求：設(shè)計一個將普通雙

3、蹤示波器改裝成為多蹤示波器的電路。能夠?qū)崿F(xiàn)用示波器一路探頭輸入穩(wěn)定顯示四路被測波形。輸入信號幅度為010V，頻率不低于500Hz，系統(tǒng)電源DC±5V。2.提高要求：四路被測信號波形的大小可分別調(diào)整。五、芯片功能及部分電路原理1、相關(guān)芯片介紹：1） NE555集成定時器NE555集成定時器是美國Signetics公司1972年研制的用于取代機(jī)械式定時器的中規(guī)模集成電路，因輸入端設(shè)計有三個5k的電阻而得名。NE555是一個能產(chǎn)生精確定時脈沖的高穩(wěn)度定時器，其輸出電流可達(dá)200mA，其一個很重要的應(yīng)用就是構(gòu)成多諧振蕩器，在多諧振蕩器工作方式時其延時時間由兩個外接電阻和一個外接電容確定，可延

4、時數(shù)微秒至數(shù)小時，工作電壓范圍：4.5V<Vcc<16V。555集成定時器的引腳圖：555集成定時器引腳功能：2）74LS169計數(shù)器74LS169為可預(yù)置的4位二進(jìn)制加/減計數(shù)器，74LS169的計數(shù)是同步的，靠時鐘CLOCK同時加在4個觸發(fā)器上而實現(xiàn)。當(dāng)置入控制端（LOAD）為低電平時，在CLOCK上升沿作用下，輸出端（QAQD）與數(shù)據(jù)輸入端（AD）相一致。當(dāng)EN和EN均為低電平時，在CLOCK上升沿作用下QAQD同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。當(dāng)計數(shù)方式控制（U/）為高電平時進(jìn)行加計數(shù)，當(dāng)計數(shù)方式控制（U/）為低電平時進(jìn)行減計數(shù)。引腳圖：169功能表：3）CD

5、4052模擬開關(guān) CD4052是一個雙4選一的多路模擬選擇開關(guān)，其使用真值表如下表所示： 管腳圖： 注意第6腳為使能腳，只有為0時，才會有通道被選中輸出，故第6腳在本電路接地。功能表：4）LF353集成運(yùn)算放大器：LF353為雙運(yùn)算放大器，輸入放大級是由兩只P溝道JFET組成的共源極差分電路，并且用鏡像恒流源做負(fù)載來提高增益；在輸入差分放大級和主電壓放大級之間是一個由射極跟隨器構(gòu)成的電流放大級，用來提高主電壓放大級的輸入阻抗和共源極差分電路的負(fù)載增益；主電壓放大級是一個簡單的單級共射極放大電路，為了保證放大器的穩(wěn)定性，在主電壓放大級的輸出端到輸入差分放大級的輸出端加入了一個電容補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，跟補(bǔ)償

6、電容并聯(lián)的二極管保證單級共射極放大電路構(gòu)成的主電壓放大級不進(jìn)入飽和狀態(tài)工作；輸出電流放大級是NPN和PNP構(gòu)成的互補(bǔ)射極跟隨器，兩個100的電阻用來穩(wěn)定輸出電流放大級的靜態(tài)電流，200的電阻用來限制輸出短路電流。作為與LT1057,NE5532和CA3240齊名的LF353，是早年間在音頻放大領(lǐng)域中應(yīng)用的四大著名集成雙運(yùn)放之一。由一個LF353運(yùn)放可構(gòu)成放大電路和加法器電路，其管腳圖如下： 2電路原理分別包括對應(yīng)器件在電路中產(chǎn)生的作用、電路原理圖和實物連接圖1.時鐘產(chǎn)生電路如下圖 方波信號由LMC555及其電阻，電容和電位器等器件組成，電位器的阻值可以改變，實際上就是一個滑動變阻器，通過調(diào)節(jié)電

7、路中的阻值比可以改變方波信號的占空比，從而改變方波的波形2.地址產(chǎn)生電路 此部分電路主要是用來產(chǎn)生輸入信號的二分頻與四分頻信號，產(chǎn)生的信號可表示為階梯波產(chǎn)生電路輸入的信號（如圖1）3.階梯波產(chǎn)生電路 1OtO1t二分頻信號四分頻信號圖1由9，10端口導(dǎo)入的二分頻信號和四分頻信號經(jīng)過CD4052BC產(chǎn)生四路階梯波，產(chǎn)生的原理可如下若上圖分別為輸入的兩路二分頻和四分頻信號，則有圖可以看出，在二分頻信號的一個周期內(nèi)，四分頻信號經(jīng)過了兩個周期，若高點位為1，低電位為0，則二分頻的信號是1,0，四分頻信號是1，0，1,0，則由A,B輸入的兩路信號可以分為11,10,01,00四種組合信號。CD4052B

8、C實際上是兩個四路數(shù)據(jù)選擇器，由A,B控制選擇哪一路信號，其中四路直流信號分別為0V,1V,2V,3V,四路交流信號由外接的信號發(fā)生器輸入，又由于A,B輸入的信號在不斷地改變，所以選擇出來的信號也是按照時間順序進(jìn)入下一電路的，但由于頻率很大，所以信號看起來是同時輸入的，也因此當(dāng)電路中沒有交流輸入時，可以看到四路標(biāo)準(zhǔn)的階梯波。兩個四路信號選擇器分別由X,Y輸出，又在下一級電路中輸出，每一路信號都可以看作是特定的一路直流與特定的交流的疊加，由于直流脈沖的頻率遠(yuǎn)大于交流信號，可以通過調(diào)整示波器頻率使得波形為輸入的交流波形。4.加法器與放大電路 此部分電路實現(xiàn)的是信號放大與疊加。其中原理圖左半部分電路

9、主要實現(xiàn)由上一級電路輸出的交流信號的放大，放大后信號加入到右半部分的反相加法器，與上級信號選擇出來的交流信號疊加輸出，從而實現(xiàn)了四路信號同時出現(xiàn)在示波器的輸出六、實驗設(shè)計思路如上圖，電路由NE555（時鐘產(chǎn)生電路）作為時鐘電路，74LS169（地址產(chǎn)生電路）組成的計數(shù)器作為地址產(chǎn)生電路，為CD4052（階梯波產(chǎn)生電路）提供地址，CD4052內(nèi)有兩個四選一模擬開關(guān)，一個是作為位移電路產(chǎn)生將不同的四路輸入信號在垂直方向上分開的階梯波信號，另一個在不同的時刻選通所觀察的信號之一通過，LF353（直流量疊加與信號放大電路）內(nèi)有兩個運(yùn)算放大器，一個是對選通的被測信號進(jìn)行放大或衰減，另一個則是將放大或衰減

10、后的被測信號于不同的直流量疊加，以顯示在示波器熒光屏上的不同位置，這樣就實現(xiàn)了用一個通道看四路波形的功能。時鐘產(chǎn)生電路地址產(chǎn)生電路階梯波產(chǎn)生電路加法器電路放大調(diào)整電路多路模擬開關(guān)LMC555CH74F169SC多路被測信號CD4052BCLF353M七、總體結(jié)構(gòu)框圖與電路原理總結(jié)：總之整個電路的原理是：由NE555產(chǎn)生一定頻率（遠(yuǎn)大于輸入的交流信號的頻率）的方波，由74LS169產(chǎn)生其二分頻與四分頻信號加入到CD4052BC的控制端，由于二分頻與四分頻信號的電位是隨時間變化的，所以CD4052BC選出的直流脈沖與交流信號也是不同的，但四路直流脈沖電位不同，且控制端輸入信號的頻率很大，所以可以在

11、示波器上同時顯示四路信號，CD4052BC選出的直流信號與經(jīng)過放大（或衰減）的交流信號由LF353處疊加，最終顯示在示波器上。八、實驗步驟及相應(yīng)的電路圖1. 按照電路原理圖連接電路，連接完畢后首先要認(rèn)真檢查，搭得的電路如圖2. 用示波器觀察計數(shù)器輸出的波形是否正確，頻率是否是二分頻，四分頻。測得的正確波形如圖二分頻波形四分頻波形 3. 用示波器觀察階梯波產(chǎn)生電路第一路開關(guān)的輸出是否為階梯波信號，臺階數(shù)值分別為0V,-1V,-2V,-3V階梯波波形4. 在階梯波產(chǎn)生電路接入四路路相同或不同的信號用示波器觀察其最終輸入波形是否在示波器水平位置顯示出來，改變波段開關(guān)即可改變其幅值的大小。（由于實驗室

12、條件限制，未接入四路不同輸入，但若接入四路可實現(xiàn)）示波器顯示的四路相同頻率的正弦波示波器顯示的兩路正弦波兩路三角波八、故障及問題分析：1.在時鐘產(chǎn)生電路測試時，波形不穩(wěn)定，調(diào)節(jié)示波器電平不起作用原因分析：電位器電阻不合適，調(diào)節(jié)電位器到適當(dāng)數(shù)值，最終使頻率保持在80khz處后調(diào)節(jié)電平，故可使波形清晰穩(wěn)定。2.階梯波電壓階梯電壓為0.8V，不到1V原因分析：階梯波產(chǎn)生電路電阻組織選擇不正確，改變電阻大小后達(dá)到要求。3.在最終輸出四路波形時，在階梯波正常的前提下，波形不穩(wěn)定且不清晰原因分析：由于高頻信號輸出時較不穩(wěn)定，并非電路問題，應(yīng)該在調(diào)示波器時調(diào)整trig旋鈕，改變觸發(fā)電平，以達(dá)到波形穩(wěn)定輸出的

13、目的。九、總結(jié)和心得體會：本次實驗為示波器功能拓展電路，它能實現(xiàn)將普通示波器拓展顯示四路信號。電路包括多蹤示波器的時鐘電路、位移電路、衰減和放大電路。能夠?qū)崿F(xiàn)用示波器一路探頭輸入穩(wěn)定顯示四路被測信號波形。通過對實驗的設(shè)計和實際連接電路、調(diào)試信號的經(jīng)歷，我掌握了555定時器的用做多諧振蕩器的方法，了解了運(yùn)算放大器組成的加法器實際應(yīng)用，學(xué)習(xí)模擬多路選擇器的工作原理和使用方法，復(fù)習(xí)鞏固示波器原理和使用的相關(guān)知識，提高獨(dú)立設(shè)計電路和驗證實驗的能力，對數(shù)字電路與邏輯設(shè)計的認(rèn)識更加深刻，對實驗原理的理解更進(jìn)一步，實踐能力也進(jìn)一步增強(qiáng)。在實驗中深刻的明白了模擬電路實驗在面包板上布線工整的重要性。良好的器件布局布線對于電路的檢查調(diào)試起著關(guān)鍵作用。在本次實驗中，所有的接地線都使用黑色，每級電路之間的走線為白色，電路內(nèi)部連接為藍(lán)色或綠色，接電源的5V線為紅色。這使得在調(diào)試過程中能迅速找到電路中的問題，對于解決因為走線失誤而出現(xiàn)的問題有著關(guān)鍵作用。并且在調(diào)試中采用分級調(diào)試的方法，在前一級電路功能達(dá)標(biāo)實現(xiàn)后再調(diào)試下一級電路，這樣能最大限度的提高調(diào)試效率，找到故