函数发生器.docx
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函数发生器
第1章技术指标
1.1系统功能要求
数控正弦函数信号发生器的功能是用数字电路技术产生正弦波信号，它是事先对正弦波进行取样，把各个取样点的取样值存入存储器构成正弦函数表（可以存入一个周期完整信号，也可以存入半个周期或1/4周期）。
通过数字频率控制电路对正弦函数表的读取，再把读出的取样值取出还原成原始的正弦信号。
正弦波输出信号的频率和电压幅度均由数字式开关控制。
此外，在该正弦函数信号发生器增加了输出方波，三角波，还有锯齿波，这三种波的输出信号的频率和电压幅度也均由数字式开关控制，而在不用波之间的选择输出也同样由数字式开关控制。
1.2系统结构要求
数控信号发生器的结构要求如图所示，通过频率控制开关改变频率控制电路的输出频率，由此改变计数器（地址发生器）的循环计数速度，进而改变从存储器取出样值的速度，经D/A变换后输出正弦波信号。
再由幅度控制开关控制输出信号的电压幅度。
另外增加波形选择开关用于波形的选择。
波形选择开关，频率选择开关和幅度选择开关均采用数字电路。
信号发生器
波形输出
幅度选择开关
频率选择开关
波形控制开关
1.3电气指标
1.3.1输出信号波形：
正弦波
1.3.2输出信号频率范围：
32HZ~4KHZ
1.3.3输出信号最大电压:
2.8V（峰峰值）
1.3.4.频率选择档位:
8档
1.3.5幅度选择档位：
5档
1.3.6输出阻抗：
50
1.4扩展指标
1.4.1增加输出方波，三角波，锯齿波三种波形
1.4.2输出频率最小步长：
16HZ
1.5设计条件
电源条件：
+5V,-5V
•
•型号名称及功能数量
•DAC08328位D/C转换电路2
•MC4046锁相电路1
•28C64BEEPROM存储器1
•T4LS393双16进制计数器1
•TL084运算放大器1
•8路开关双制直插式微型开关2
•MC4060与晶振为频率器1
•晶振32768k1
•74161模16的同步加法计数器2
•7400与非门1
•其他若干电阻，电容
第2章整体方案设计
2.1整体方案，方框图及原理
方案一：
系统框图如图1所示，数字式频率选择开关控制D/A变换的数据。
第一个D/A，气转换输出一直流电压控制锁相环中的压控振荡器输出频率，压控振荡器输出频率作为地址代数器输入。
地址器产生256个地址通过波形控制开关依次从存储器中取出正弦信号，方波信号，三角波信号，锯齿波信号四种波形的样值。
该样值经第二个D/A变换，输出波形。
幅度控制开关控制衰减电路使幅度变化。
放大电路可以满足信号的幅度及输出阻抗的要求。
图1
方案二：
系统框图如图2所示，该方案是通过频率合成器提供计数器的不同的频率（频率合成器是首先通过4060的晶振产生基准信号输入到锁相环电路，通过4046之后给计数器不同的频率需求，而4046的频率控制是通过锁相环电路的N分频电路来实现开关控制的）该频率作为地址代数器输入。
地址器产生256个地址通过波形控制开关依次从存储器中取出正弦信号，方波信号，三角波信号，锯齿波信号四种波形的样值。
该样值经第二个D/A变换，输出波形。
幅度控制开关控制衰减电路使幅度变化。
放大电路可以满足信号的幅度及输出阻抗的要求。
图2
2.2两种方案的可行性分析：
上面两种方案均可实现输出不同波形，整体方案也差不多，不同的是计数器的时钟电路不同，尽管两种方法都有采用4046锁相环，它的原理是：
•MC4046是一种锁相环电路。
其特点是电源电压范围宽、功耗低和输入阻抗高，其内部含有一个高性能的压控振荡器（VCO）和两个方式不同的鉴相器（PD）。
•基本锁相环如下图所示：
•
•当无信号加到锁相环时，鉴相器输出的误差电压Ue为0，低通滤波器LF的电压Ud也为0，压控振荡器VCO的工作频率最低；当有输入信号加到锁相环时，鉴相器将输入信号Ui的相位和频率与VCO输出信号Uo的相位和频率相比较，并将两个信号的相位差转换成电压Ue，经过低通滤波器加到VCO控制输入端，控制VCO的频率fo。
•压控振荡器的压控特性与VDD、R1、R2、C1取值大小有关。
VDD一定时，只与R1、R2、C1有关，如果不接R2，振荡器的频率为0Hz~fmax,这时fMAX由下式计算：
•fMAX=1/[R1（C1+32PF）]
•如使用R2，振荡器的频率由fmin~fmax,可由下式计算：
•fMin=1/[R2（C1+32PF）]
•fMax=1/[R2（C1+32PF）]+1/[R1（C1+32PF）]
•外接元件的选择范围：
•10k≤R1,R2,RS≤1M
•VDD≥5V时，C1≥100PF
•VDD≥10V时，C1≥50PF
•最高频率为:
（VDD=5V）=0.5MHz
•（VDD=15V）=1.5MHz
它的输出频率f0=N*fi（其中N是4046实现的分频数）
所以，上述两种方案不同的是，第一种方案是通过控制锁相环的输入频率fi来控制计数器的时钟，而第二种方案是通过控制锁相环的N分频来控制计数器的时钟信号。
而4060作为晶振能提供锁相环更为稳定的基准信号频率，因此在两种方案都可行的情况下选择第二种方案来实现电路。
第3章单元电路设计
3.1频率控制电路设计（第二种方案）
频率控制开关就是控制电路中的N分频电路，该分频电路采用两个74161来实现，电路图3所示（8个地址输入端作为频率开关控制）。
另外需要注意的是输出信号频率的要求为32HZ~4KHZ，则模256计数器输入时钟信号的频率范围为8.2KHZ~1024KHZ。
图3
3.2计数器设计
M=256的计数器可由M=16的计数器（即74393）级联而成，电路图如图4所示
图4
3.3存储器及函数表
•存储器内正弦函数表的采样值的采样点可由下面函数确定：
•H=255/2sin（360*D/256）+255/2,
•H=79.8Hsin（360*D/256）+79.8H,
•D=0~255.
输出正弦波时的电路图如图5所示，而要输出其它波形时图中A8和A9不接地，而是作为波形选择地址。
图5
存储器内存储的数据如下：
地址000102030405060708090A0B0C0D0E0F
000000808386818487828598869EA1A4A7A2A5
000010B0B3B6B9BCBEC1C4C6C9CBCED0D3D5D7
000020DADCDEE0E2E4E6E8E9EBEDEEF0F1F3F4
000030F5F6F8F9F9FAFBFCFDFDFEFEFEFFFFFF
000040FFFFFFFFFEFEFEFDFDFCFBFAFAF9F8F7
000050F5F4F3F1F0EFEDEBEAE8E6E4E2E0DEDC
000060DAD8D5D3D1CECCC9C6C4C1BEBCB9B6B3
000070B0AEABA8A5A29F949995928F8C898683
000080807B797673706D6A6764615E5B585552
0000904F4C494644413E3B393634312F2C2A28
0000A02623211F1D1B1917161412110F0E0C0B
0000B00A090807060504030302010101000000
0000C000000000010101020203040505060708
0000D00A0B0C0D0F1012141517191B1D1F2123
0000E025272A2C2E313336383B3E404346494B
0000F04E5154575A5D606366696C6F7376797C
000100FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
000110FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
000120FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF000130FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
000140FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
000150FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
000160FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
000170FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
00018000000000000000000000000000000000
00019000000000000000000000000000000000
0001A000000000000000000000000000000000
0001B000000000000000000000000000000000
0001C000000000000000000000000000000000
0001D000000000000000000000000000000000
0001E000000000000000000000000000000000
0001F000000000000000000000000000000000
00020000020406080A0C0E10121416181A1C1E
00021020222426282A2C2E30323436383A3C3E
00022040424446484A4C4E50525456585A5C5E
00023060626466686A6C6E70727476787A7C7E
00024080828486888A8C8E90929496989A9C9E000250A0A2A4A6A8AAACAEB0B2B4B6B8BABCBE000260C0C2C4C6C8CACCCED0D2D4D6D8DADCDE000270E0E2E4E6E8EAECEEF0F2F4F6F8FAFCFE000280FEFCFAF8F6F4F2F0EEECEAE8E6E4E2E0000290DEDCDAD8D6D4D2D0CECCCAC8C6C4C2C0
0002A0BEBCBAB8B6B4B2B0AEACAAA8A6A4A2A00002B09E9C9A98969492908E8C8A88868482800002C07E7C7A78767472706E6C6A6866646260
0002D05E5C5A58565452504E4C4A4846444240
0002E03E3C3A38363432302E2C2A2826242220
0002F01E1C1A18161412100E0C0A0806040200
000300FFFEFDFCFBFAF9F8F7F6F5F4F3F2F1F0
000310EFEEEDECEBEAE9E8E7E6E5E4E3E2E1E0000320DFDEDDDCDBDAD9D8D7D6D5D4D3D2D1D0
000330CFCECDCCCBCAC9C8C7C6C5C4C3C2C1C0
000340BFBEBDBCBBBAB9B8B7B6B5B4B3B2B1B0000350AFAEADACABAAA9A8A7A6A5A4A3A2A1A00003609F9E9D9C9B9A99989796959493929190
0003708F8E8D8C8B8A89888786858483828180
0003807F7E7D7C7B7A797877767574737271700003906F6E6D6C6B6A69686766656463626160
0003A05F5E5D5C5B5A59585756555453525150
0003B04F4E4D4C4B4A49484746454443424140
0003C03F3E3D3C3B3A393837363534333231300003D02F2E2D2C2B2A29282726252423222120
0003E01F1E1D1C1B1A191817161514131211100003F00F0E0D0C0B0A09080706050403020100
存储器的A8和A9是波形选择开关，它的功能表为
A9
A8
读取的数据地址
输出波形
0
0
0~255
正弦波
0
1
256~511
方波
1
0
512~767
三角波
1
1
768~1023
锯齿波
3.4第二个D/A电路
第二个D/A电路用于产生四种波形，电路如图6所示
图6
3.5数字幅度控制电路
幅度控制电路由分压衰减电路和模拟开关组成，如图7所示。
衰减电路可提供8中不同的衰减值，模拟开关在幅度开关的控制下选择其中一个输出。
图7
该数字幅度控制电路可以用如图8的电路进行改良，改进后的电路幅度控制可以变成有5个档位，衰减电路不再只提供8中不同的衰减值，而是可以提供32中，也可以是256个不同的衰减值。
图8
3.6整体电路图
如图9所示
图
9
第4章测试与调整
4.1频率控制电路测试
首先先测试频率合成器中的N分频电路，用EE1641B型函数信号发生器给74161级联电路提供同步的时钟信号，然后将8个地址输入随意预置一数值，例如预置8个地址输入为00000000，此时八个计数端应该依次输出波形如下：
第一个74161：
Q0：
Q1：
Q2：
Q3：
第二个74161：
Q0：
Q1：
Q2：
Q3：
用示波器观察输出的波形应该如上所示。
然后根据公式
•fMin=1/[R2（C1+32PF）]
•fMax=1/[R2（C1+32PF）]+1/[R1（C1+32PF）]
适当调整C1，R1，R2三个的值，使当置N分频为00000001使频率合成器的输出最小频率不高于8.2KHZ且能稳定输出，当置N分频为111111111使频率合成器的最大频率不低于1024KHZ且能稳定输出。
4.2计数器测试
用EE1641B型函数信号发生器给74393级联电路提供同步的时钟信号，用示波器测试74393的八个输出，应依次得出如下波形：
QA0：
QA1：
QA2：
QA3：
QB0：
QB1：
QB2：
QB3：
4.3频率控制电路与计数器合成电路的测试
用示波器依次测试74393的八个输出脚的输出波形，输出的结果如上图所示，然后调节两个747161级联的频率控制开关电路，输出的八个波形的频率应该会随频率开关的改变而改变，改变的形式如下：
最小输出的稳定频率：
32HZ
最大输出的稳定频率：
4KHZ
使出频率最小步长：
16HZ
4.4接入存储器后总体电路的测试
用示波器观察存储器八个输出端，由于存储器存储的数据不是很简单，所以示波器上能看到差不多的波形即可！
4.5接入第二个D/A电路后的测试
用示波器观察经过运放后的输出，得出如下波形：
当A9为0，A8为0时：
当A9为0，A8为1时：
当A9为1，A8为0时：
当A9为1，A8为1时：
输出的波形的频率受频率开关的控制。
4.6整体指标测试
频率控制开关：
最小输出稳定频率：
32HZ
最大输出稳定频率：
4kHZ
频率控制开关的最小步长：
16HZ
波形控制开关：
A9
A8
输出波形
0
0
正弦波
0
1
方波
1
0
三角波
1
1
锯齿波
幅度控制开关：
最大输出电压：
5V
幅度控制开关的最小步长：
0.16V
第5章设计小结
5.1设计任务完成情况
通过波形控制开关实现了四种波形的控制，频率控制开关实现输出波形的频率控制，幅度控制开关实现了输出波形的幅度控制。
很好的实现了电气指标和扩展指标。
5.2问题及改进
5.2.1幅度控制开关选用了D/A转换，巧妙的应用了D/A的转化原理Uo=KDUref，（其中D是n位并行输入的数字量，Uo是输出模拟量，Uref是实现转换所必需的参考电压，在此即实现幅度控制的基准电压）
5.3心得体会
通过对函数信号发生器的设计，我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。
而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。
最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。
也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。
他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。
在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。
而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，这也是老师要求我们加以提高的一个重要方面！
第6章参考文献
1.张顺兴.数字电路与系统设计.南京：
东南大学出版社，2004
2.黄丽亚，杨恒新.模拟电子技术基础.北京：
机械工业出版社，2007
3.张豫滇，苏起虎，林彦杰.电子电路客场设计.南京：
河海大学出版社，2005
4．许文龙，李家虎.电工电子实验技术（上册）.南京：
河海大学出版社，2005
5.张豫滇，谢劲草.电工电子实验技术（下册）.南京：
河海大学出版社，2005
附录一：
目录
第1章技术指标
1.1系统功能要求·······································1
1.2系统结构要求·······································1
1.3电气指标··········································1
1.4扩展指标··········································2
1.5设计条件··········································2
第2章整体方案设计
2.1整体方案，方框图及原理····························2
2.2两种方案的可行性分析·······························4
第3章单元电路设计
3.1频率控制电路设计··································5
3.2计数器设计········································7
3.3存储器及函数表····································7
3.4第二个D/A电路···································10
3.5数字幅度控制电路··································11
3.6整体电路图·········································12
第4章测试与调整
4.1频率控制电路测试···································14
4.2计数器测试·········································14
4.3频率控制电路与计数器合成电路的测试·················14
4.4接入存储器后总体电路的测试·························15
4.5接入第二个D/A电路后的测试·························15
4.6整体指标测试·····································16
第5章设计小结
5.1设计任务完成情况··································16
5.2问题及改进·········································16
5.3心得体会········································17
第6章参考文献···································17
附录一（实物图）·································
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