低頻正弦信號發(fā)生器

1、電子技術課程設計報告 題 目 低頻正弦信號發(fā)生器 學院（部） 電子與控制工程學院 專 業(yè) 班 級 學生姓名 學 號 6 月 4 日至 6 月 13 日 共 2 周 指導教師（簽字） 目錄 摘要 . 3關鍵字 . 3 技術要求 . 3第一章，系統(tǒng)概論 . 3第二章，單元電路設計 . 5 第一節(jié)，正弦波產(chǎn)生和放大電路模塊 . 6 第二節(jié)，頻率顯示 . 12 第三節(jié)，幅值顯示 . 15第三章，系統(tǒng)綜述。 . 21第四章，結(jié)束語。 . 22參考文獻 . 23鳴謝 . 24元器件明細表 . 24收獲體會與存在的問題 . 24評語 . 25低頻正弦信號發(fā)生器摘要關鍵詞 低頻 555計時器 正弦波 濾波 放

2、大 頻率 AD轉(zhuǎn)換 顯示 技術要求 1.信號頻率范圍20HZ20kHZ； 2.輸出信號電壓幅度5； 3.輸出信號頻率數(shù)字顯示； 4. 輸出電壓幅度數(shù)字顯示。1、 系統(tǒng)綜述（內(nèi)容用小4 號字宋體）正弦信號發(fā)生器又稱正弦信號振蕩器，可以有好幾種方法來實現(xiàn)，下面介紹幾種切實可行的方案： 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運算。但由于采用大量的倍頻，分頻，混頻和濾波環(huán)節(jié)，導致直接頻率合成器的結(jié)構復雜，體積龐大，成本高，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：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

3、過設置管腳參數(shù)的輸入，可設計組成產(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用，用該芯片設計組成的信號產(chǎn)生電路集成度高，而且簡單，容易控制。但是在Multisim中，沒有MAX038芯片，所以，我們也不準備采用此方案。 方案三：采用RC選頻率網(wǎng)絡構成的振蕩電路產(chǎn)生所需正弦波。RC振蕩電路適用于低頻振蕩，結(jié)構簡單,經(jīng)濟方便，一般用于產(chǎn)生1Hz1MHz的低頻信號。但RC振蕩電路只能產(chǎn)生近似的正弦波，相比較而言，可靠性較差，誤差較大，所以我們也不準備采用此方案。 方案四：在數(shù)字電子技術中，我們學習了用555定時器產(chǎn)生方波

4、的原理，基于熟悉的知識，我們決定用555定時器先產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波，再利用模擬電子技術中所學的濾波電路搭建一個多階濾波電路（我們采用的是三階可調(diào)濾波電路），利用方波產(chǎn)生的頻率可調(diào)的正弦波。再利用數(shù)字電子技術所學的十進制計數(shù)器74LS160和數(shù)碼顯示器DCD-HEX來完成頻率的顯示。由濾波電路產(chǎn)生的正弦波信號，經(jīng)過一個放大電路放大后，形成幅值在-5v-+5v可調(diào)的正弦波信號，最后再利用我們沒有學過的A/D轉(zhuǎn)換裝置，經(jīng)過數(shù)碼顯示裝置，完成幅值顯示功能。對我們來說，以上方案雖然都是理論可行，但是有的方案要求對我們來說太高，操作太過復雜，特別是有的關于單片機的使用，超出了我們的能力范圍，只能放棄，而有

5、的的精確度又不夠，達不到我們的要求，所以綜上所述，我們采用了方案四。原理方框圖如下：反向比例器二階RC濾波電路555多諧振蕩器 方波 正弦波 DCD-HEX頻率顯示74LS175D74LS160N構成的計數(shù)器555振蕩器構成的時基電路DCD-HEX電壓顯示74LS160D與74LS161D構成的進制轉(zhuǎn)換器ADC芯片進行轉(zhuǎn)換采樣控制電路 圖1 方案四原理圖二、單元電路設計1、正弦波的產(chǎn)生部分。先由方波產(chǎn)生部分產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波，再通過正弦波產(chǎn)生部分（濾波網(wǎng)絡）產(chǎn)生正弦波。1.1 方波產(chǎn)生部分A 本組正弦波的產(chǎn)生采用的是以芯片555定時器為核心的電路。由數(shù)字電子技術的基本知識可以知道，用555定時

6、器可以構成多諧振蕩器，由多諧振蕩器產(chǎn)生方波。其原理圖如下： （圖1）本圖中電容C的充放電路徑不一樣!充電路徑為經(jīng)過R1和D1，放點路徑為經(jīng)過R2和D2（放電路徑為經(jīng)R2和D2再經(jīng)端口7相當接地）。所以C的充放電時間為：T1=Ln2(R1+R2)C0.7R1*CT2=R2*C*Ln20.7R2*C其周期為；T=T1+T2占空比q； q=R1/(R1+R2）令R1=R2，有T1=T2又因為要求輸出頻率變化范圍為20hz-20khz之間。F=1/T=1/(1.4R1*C) 取C=1uf 所以R1為35.7-35.7k在調(diào)節(jié)頻率時要同步調(diào)節(jié)R1,R2.這樣就滿足R1=R2,占空比為0.5.而輸出的波形

7、為方波（電壓值始終大于零）只有正的幅值。所以要加個恒壓源把波形（作用如下）： （圖2）（恒流源） （圖3）仿真效果如上圖3。1.2 正弦波產(chǎn)生部分。由方波經(jīng)過三階濾波（方波通過一階產(chǎn)生三角波在經(jīng)過二階濾波電路逼近形成正弦波）電路產(chǎn)生正弦波。其原理圖如下圖4： （圖4）上圖（4）中R10， R9, R12 為細調(diào)；R5,R11,R6分別為粗調(diào)使濾波達到要求！ （圖5）1.3 正弦波放大部分。其原理圖如下圖7： 圖（6）上圖中通過函數(shù)發(fā)生器代替前面產(chǎn)生的正弦波，在經(jīng)過差動放大電路（有放大電路中知識可知在電路圖一定的前提下放大倍數(shù)只與Rc有關。又因為前邊產(chǎn)生的正弦波的幅值為0.1v)通過對放大電路的

8、分析測試可知道當Rc大概為4k時放大后的賦值為5 v. R4,R6分別為放大電路的粗細調(diào)節(jié)！而圖中電容具有過濾直流的作用。其幅值顯示部分如下圖7： （圖7）2.1 正弦波頻率數(shù)字顯示模塊 對于正弦波頻率數(shù)字顯示模塊，我們可以利用之前的555構成的多諧振蕩器產(chǎn)生的方波來測量正弦波的頻率，因為其頻率都是一樣的，而且相比較而言，方波的頻率比正弦波方便測量的多。對于測頻率的方法，我們目前考慮的有三種：（1） 測頻法（M法） 用一個標準定時時間TG控制一個閘門電路，在時間TG內(nèi)閘門打開，讓被測信號通過，記下被測信號的變化周期數(shù)，該數(shù)與計數(shù)時間TG的比值就是其頻率，該方法適合高頻信號的測量，如下圖所示:

9、圖10 測頻法（2） 測周法（T法） 首先把被測信號通過二分頻，獲得一個高電平時間或低電平時間都是一個信號周期T的方波信號，然后用一個已知頻率fosc的高頻方波信號作為計數(shù)脈沖，在一個信號周期T的時間內(nèi)對信號進行計數(shù)。該方法適合低頻信號的測量，如下圖所示： 圖11 測周法 （3）T/M法 T/M法采用的是兩個計數(shù)器，分別對被測信號和高頻標準計數(shù)信號進行計數(shù)，若在確定的檢測時間內(nèi)，對被測信號fx的計數(shù)值為N1，而對高頻信號fosc的計數(shù)值為N2，則如圖所示： 圖12 T/M法由以上所知，雖然在本次課設中，無論是T法還是T/M法，都比較M法來說都更為精確，但是無疑操作和設計都加大了難度，而且測周法

10、所測得的信號周期數(shù)據(jù)，還需要求導數(shù)運算才能求得信號頻率，而二進制數(shù)據(jù)的求導數(shù)運算在中小規(guī)模中數(shù)字集成電路中又難以實現(xiàn)，而相比較而言，測頻法就方便操作的多，故我們這里采用測頻法。對于產(chǎn)生的閘門脈沖，我們可以利用555的多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來構成一個時基電路，產(chǎn)生一個高電平為1s時基脈沖，并通過在這個脈沖時間內(nèi)用計數(shù)器計算出待測信號的次數(shù)來測量待測信號的頻率，時基電路如圖所示： 圖13 時基電路如上圖所示，左邊的555多諧振蕩器有：T1=0.7(R7+R8)C8=1.1515sT2=0.7R8C8=0.329s而右邊的555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器則有：tw=1.1R6C5=1s而又有 T2<tw,

11、故此電路成立，且tw=1s。幅值顯示原理：由555多諧振蕩器經(jīng)過555單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一個高電平時間t=1s的矩形波。在單穩(wěn)態(tài)高電平時74LS160開始計數(shù)并且把記得數(shù)送到74LS175L里，直到單穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)為低電平時，又經(jīng)過非門轉(zhuǎn)換為由低電平變?yōu)楦唠娖?。這滿足74LS160的要求，接受74LS160送的數(shù)，并且保持，顯示頻率！圖中頻顯部分中的開關起到手動清零作用！74LSA160功能表 ： 輸入 輸出CRLDCTpCTtCPD0D2D3D4Q0Q1Q2Q3LXXXXXXXXLLLLHLXXd0d1d2d3d0d1d2d3HHHHXXXX 計數(shù)HHLXXXXXX 保持HHXLXXXXX 保持 L 低

12、電平 H高電平 低電平轉(zhuǎn)高電平 x 任意當輸入已知頻率為1KHZ的待測頻率，數(shù)字顯示管的顯示如下圖所示： 圖15 數(shù)字頻率計顯示結(jié)果由上圖可知，經(jīng)過我們的努力，雖然因為電路圖有點繁瑣，計算所得結(jié)果時所需時間較長，我們已經(jīng)可以把誤差控制在一個很小的范圍內(nèi)。正弦信號發(fā)生器數(shù)字頻率計總電路圖如下圖所示： 圖16 正弦信號發(fā)生器數(shù)字頻率計總電路圖如上圖所示，我們采用了手動清零的方法，而在這里的待測信號，我們用了一個函數(shù)信號發(fā)生器代替，而數(shù)碼管顯示時，就和我們平時讀數(shù)的習慣一樣，最高位在最左位，依次往右位次依次降低。3、 正弦波幅值數(shù)字顯示模塊 設計數(shù)字電壓表時，應為正弦波輸出的信號為模擬信號，和進行數(shù)

13、字顯示時卻需要數(shù)字信號，所以在這之前我們需要用A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以驅(qū)動數(shù)碼管顯示電壓幅值。在這里，我們需要用到一個我們還沒有學過的芯片ADC芯片來將模擬信號轉(zhuǎn)換，以驅(qū)動數(shù)碼管顯示。 圖17 ADC芯片 其中，vin為信號的輸入，vref+和vref-為比較電壓的輸入端，soc為開始轉(zhuǎn)換的控制端，eoc為結(jié)束轉(zhuǎn)換的控制端，而D0至D7則為八位二進制的輸出端。而此ADC芯片卻不能直接輸入交流信號，因此我們在輸入模擬信號之前，卻需要將正弦交流信號輸入一個采樣保持控制電路，以此來形成一個較穩(wěn)定的直流模擬信號，采樣保持控制電路如下圖所示： 圖18 采樣保持控制電路如上圖所示，當信號

14、開始輸入時，開關閉和，這是的輸出信號隨著輸入信號的變化而變化，如下圖所示： 圖19 開關閉和時輸出信號波形圖而當開關打開時，這是電容便會放電，而使得輸出的信號保持在一個穩(wěn)定的幅值，如下圖所示： 圖20 開關打開時輸出信號波形圖我們知道，ADC芯片輸出的信號為一個八位二進制編碼，而我們?nèi)绻瓿蓴?shù)碼管的顯示，則需要將其轉(zhuǎn)換為十進制編碼，這時，我們設計了以下電路圖: 圖21 進制轉(zhuǎn)換電路圖如上圖所示，我們用了兩片74LS161與三片74LS160構成了一個轉(zhuǎn)換電路，原理如下：我們給了74LS160與74LS161形同的CP脈沖，讓他們同時開始計數(shù)，而我們又將ADC芯片的各個輸出與74LS161的各

15、個輸出用異或門全部相與在一起，由于ADC芯片的輸出與74LS161都是八位二進制輸出，當74LS161與74LS160在CP脈沖的作用下開始計數(shù)到與ADC的輸出完全一樣時，這時他們的輸出由異或門相與在一起的結(jié)果為0，而此結(jié)果又與各個74LS161與74LS160的ENP與ENT直接相連，則這時各個芯片停止計數(shù)，而又因為74LS160與74LS161是同時在同一脈沖的作用下開始計數(shù)的，則其輸出的結(jié)果是相同的，而由此可得，最終數(shù)碼管上輸出的結(jié)果便是ADC輸出結(jié)果的轉(zhuǎn)換。而又由公式可得，當ADC的vref+與vref-之間加上25.6V的電壓時，編碼每加1時，則電壓顯示加上0.1V。當信號輸入端加上

16、一個5V的模擬信號時，這是數(shù)碼管的顯示如下圖所示： 圖22 數(shù)碼管顯示如上圖所示，其電壓顯示結(jié)果為能精確到小數(shù)點后一位，例如，上圖所示的電壓顯示為5.0V。正弦波幅值數(shù)字顯示模塊的總電路如下所示： 圖23 正弦波幅值數(shù)字顯示模塊的總電路3、 系統(tǒng)綜述 下面給出本次課設總的電路圖： 結(jié)束語 此電路可以基本完成課設的基本要求。具有頻率，幅值可調(diào)并且顯示的功能。并且都能較準確的測出幅值和頻率，誤差較?。‰m然課設已完成但其中還有許多的問題：比如musitisim中有些元器件沒有，各階電路相互影響，電路中需要的有些元器件不了解。參考文獻1. 林濤，模擬電子技術基礎-重慶：重慶大學出版社，2003 2.

17、林濤，模擬電子技術基礎-北京：清華大學出版社，20063. 黃智偉，全國大學生電子競技設計賽電路設計-北京，北京航空航天大學出版社，2006。4. 孫淑艷，電子技術實踐教學指導書-北京，中國電力出版社，2005.5. 程永真，寧武等，全國大學生電子技術設計競賽試題精選，電子工業(yè)出版社，2007. 6. 謝自美，電子線路-武漢，華中科技大學出版社。鳴謝在本次課程設計中，感謝老師們和同學的幫助，特別感謝鄧老師和楚老師的悉心指導和鼎力支持。此外，還要特別感謝我的隊友李欣潘和滾濤，大家很認真，有時候廢寢忘食。正是有了大家的團結(jié)合作和互幫互助，這個課程設計才得以順利的完成。 再次感謝他們。元器件明細表，附圖. 序號 名稱 型號參數(shù) 數(shù)量 備注 1運算放大器3288RT放大信號 2555記時器 3定值電阻 4滑動電阻 5七段顯示管DCD_HEX7顯示 6電壓源提供電源 7晶體管2N29252 8電容 9AD轉(zhuǎn)換ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換 10鎖存器74LS175D鎖存數(shù)據(jù) 12計數(shù)器74LS1605計數(shù)收獲與體會，存在的問題等 在這次維持一周半左右的課程設計結(jié)束后，我感覺收獲良多，尤其是在以前上課時有些似是而非的東西得到了加強，鞏固了原來舊的東西，而且通過了這次和同學之間的通力合作，我明白了團隊的