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电子电路综合设计实验
示波器功能扩展电路的设计与实现
一、课题名称
示波器功能扩展电路的设计与实现
二、摘要
将一普通双踪示波器扩展成多踪示波器。
电路由NE555时基振荡器产生时钟信号；计数器74LS169输入信号进行分频，为双四选一模拟开关CD4052提供地址；CD4052中，一个开关作为位移电路产生阶梯波信号，另一个在不同时刻选通所观察的信号之一通过；双运算放大器LF353中一个对信号进行衰减或放大，另一个将被测信号与直流叠加后输出，从而在示波器上显示稳定的四路交流信号，即实现了用一个通道看四路波形的功能。
（被测信号的频率应较低，而用作多路选择器和阶梯波地址信号频率应较高。
最终实现类似于示波器的断续方式来显示：
显示一路信号的一部分，然后显示下一路信号的一部分，每一路信号实际是断续不完整的，但视觉上的效果是连续的。
）
三、关键词
时钟电路时基振荡器NE555
计数器74LS169
双四选一模拟开关CD4052
双运算放大器LF353
阶梯波
四、设计任务要求
1、基本要求：
设计一个将普通双踪示波器改装成为多踪示波器的电路，包括多踪示波器的时钟电路、位移电路、衰减和放大电路。
能够实现用示波器的一路探头输入稳定显示四路被测信号波形。
输入信号幅度为0-10V，频率不低于500Hz，系统电源DC为+5V和-5V。
2、提高要求：
四路被测信号波形的大小可分别调整。
五、设计思路及总体结构框图
1、设计思路
为实现将普通双踪示波器扩展成多踪示波器，需要将单路输入信号在显示屏上显示出多路，而将阶梯波与被显信号相叠加即可实现信号一对多的显示。
实现其在竖直方向的“搬移”，只要保证输出信号的频率差别不太大就可以在示波器上同时看到多路输出的清晰波形。
实验要解决的中心问题就集中于产生大小不同的直流信号和输入信号与直流信号叠加,要产生电压不同的直流分量需要用到分压和数据选择器来实现，这样可以得到周期循环的阶梯波，只要满足阶梯波的周期远远小于信号周期（或阶梯波频率远大于信号频率），通过加法器实现二者叠加就可以得到多踪示波的效果。
阶梯波的频率可以通过输入数据选择器的地址变化频率来控制，地址可以通过计数器产生，最终频率决定于计数器的输入时钟频率，即时钟电路的输出信号频率。
由此再结合元器件特性及实验要求，即可得到如下设计：
由时基振荡器NE555作为时钟电路，提供时钟信号，即35kHz的方波输入74LS169组成的模16计数器，74LS169可以通过四位二进制输出来计时钟沿的个数，本设计中利用其两位输出Qa、Qb作为双四选一模拟开关CD4052的地址信号。
CD4052为双回路模拟开关芯片，一路为直流通道，一路为信号通道，两路信号通过衰减器后在示波器水平位置上同时显示四路不同的信号。
其中直流通道是由3k、1k、1k、1k组成的电阻分压网络，分别取出3V、2V、1V、0V的直流电压作为信号所要显示波形的直流分量，使其在示波器上的不同位置显示出来；另一路信号通道的输入则接入被显信号；通过地址信号Qa、Qb对两路回路信号同步的进行选通。
LF353为双运算放大器，实现信号的放大衰减及加法功能，最终得到四路信号输出。
2、总体结构框图
六、分块电路和总体电路的设计
1、NE555时基振荡器
集成定时器555是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在一起的中规模集成电路，因集成电路内部含有三个5千欧电阻而得名。
该电路功能灵活、适用范围广，只要在外部配上几个适当的阻容元件就可以很方便的构成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器等电路，完成脉冲信号的产生、定时和整形等功能。
本实验中，NE555组成的时基振荡器产生的振荡周期T=0.693（R1+R2）C1,振荡频率f=1/T,即f=1.443/（（R1+2R2）C1）,输出振荡频率波形的占空比为D=t1/T=（R1+R2）/（R1+2R2）,t1为输出脉冲的持续时间t1=0.693（R1+R2）C,当R2>R1时，则D约为50%，即输出振荡波形为方波。
试验室使用的变阻器R2=10K，得f=68kHz，D=1/2。
附：
CB555的内部原理及引脚图：
集成定时器555是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在一起的中规模集成电路，因集成电路内部含有三个5千欧电阻而得名。
该电路功能灵活、适用范围广，只要在外部配上几个适当的阻容元件就可以很方便的构成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器等电路，完成脉冲信号的产生、定时和整形等功能。
因而在控制、定时、检测、访报警等方面有着广泛的应用，
其引脚图如下：
各引脚的功能：
1号引脚——接地端，电路正常工作时，该引脚接地。
2号引脚——低触发端，是比较器A2的同向输入端。
3号引脚——输出端，电路产生或者变换的波形从这里输出。
4号引脚——复位输入端，不管其它输出端的状态怎么样，只要在这个引脚上输入低电平，输出就立即被置为低电平。
5号引脚——电压控制端，该引脚外接一个参考电源，可以改变比较器A1、A2的参考电压。
6号引脚——高触发端，是比较器A1的反向输入端。
7号引脚——放电端，也可以用作集电极开路输出端。
8号引脚——电源输入端，电路正常工作时，该引脚接正电源。
其内部结构图如下：
其中，正常工作状态下，Rd输入高电平。
当C1输出低电平，C2输出高电平时，基本RS锁存器被置零，TD导通，Vo端输出低电平；当C1、C2都输出高电平时，基本RS锁存器状态保持不变，，TD和Vo端状态也保持不变；当C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS锁存器被置1，TD截止，Vo端输出高电平；当C1、C2都输出低电平时，基本RS锁存器处于Q=/Q=1状态，TD截止，Vo端输出高电平。
2、计数器74LS169
74LS169是模16的同步二进制计数器，
可以通过四位二进制输出来计时钟沿的个数，
本设计中利用减法计数其两位输出Qa、Qb作
为多路选择开关CD4052的地址。
本实验中，NE555的输出3作为计数器的
时钟输入，接CLK。
由于74LS169可以通过四位
二进制输出来计时钟沿的个数，输出Q0、Q1作
为双四选一模拟开关CD4052的地址信号，Q2、
Q3悬空。
此外，/CEP、/CET、U/（/D）均为低电平
有效，管脚9、16接外接电源+5V，其余管脚均接地。
附：
74LS169工作原理及电子特性：
3、双回路模拟开关CD4052
集成多路模拟开关是能够把多个模
拟输入量分时的接通到输出端一种集成
电路，即完成多到一的转换（原理框图
如右图）。
多路模拟开关是自动数据采集，
程控增益放大等重要技术领域的常用器
件。
本实验中采用CD4052。
CD4052为双回路模拟开关芯片（电
路设计如下图），一路为直流通道，另一
路为信号通道，两路信号通过衰减器后在
示波器水平位置上同时显示四路不同的信
号。
由于输入信号为交流信号，故使用双
电源供电，除保证交流信号正常传输外，
同时也扩大了引号输出的动态范围。
其中
直流通道是3K、1K、1K、1K组成的电
阻分压网络，分别取出3V、2V、1V、0V
的直流电压作为信号所要显示波形的直流
分量，使其在示波器的不同位置上显示出
来。
另一路信号通道的输入则接被显示的
信号；通过地址信号Q0、Q1对两回路信
号同步地进行选通。
实际显示的波形为抽
样信号。
附：
CD4052构造及工作原理图：
外部构造图：
内部构造原理图：
功能表如下图：
4、双运放LF353
LF353为双运算放大器，被测信号由
CD4052的信号选通后由LF353双运放之一进行放大或衰减处理，信号通过改变反馈电阻10K、10K、40K、60K、60K对其进行放大或衰减。
（电路设计如下图）可以用四路波段开关分别选择不同反馈电阻，实现不同增益的控制，LF353内的另一个运放则组成一个加法器电路将经过放大或衰减处理以后的被测信号与CD4052直流通路选通的直流量重叠相加后从7脚输出，将此输出信号接入探头即可显示四路信号。
在实际操作中未使用开关控制反馈电阻，而直接将R9、R10接入电路构成20K的反馈电阻。
附：
LF353内部构造原理图及电子特性：
内部构造原理图：
4、总体电路设计如下图
七、所实现功能说明
1、基本功能
NE555产生了周期为14us的时钟信号，与计算值较为接近。
通过计数器74LS169从示波器上观察到Q0、Q1端输出的555时基信号的二分频、四分频波形，进而观察到在CD4052的第一路开关的输出（13脚）为等距的阶梯波信号，台阶数值分别为0V、-1V、-2V、-3V。
最后在1、5、2、4脚接入四路正弦信号后，观察到最终的四路正弦波，从而实现了示波器双路到四路的扩展。
2、扩张功能
四路被侧信号波形的大小通过滑动变阻器分别调整。
未作要求（通过调节滑动变阻器可调整）
3、主要测试数据
①外接电源的输入电压为+5V、-5V；
②555时基振荡器输出方波的占空比约为1：
2，频率为65kHz左右；
③74LS169输出为时基信号的二分频、四分频；
④CD4052的第一路开关的输出（13脚）为等距的阶梯波信号，台阶数值分别为0V、-1V、-2V、-3V；
⑤接入正弦信号后，CD4052的第二路开关的输出为单路正弦波，且显示在示波器的水平位置，幅度为0-10V，频率不低于500Hz；
⑥LF353的输出为四路正弦波，峰峰值为1V。
4、必要测试方法
①将示波器一路接入时钟电路的输出，调节电位器，是输出方波的占空比约为1：
2，频率为35kHz左右；
②将示波器另一路接入计数器的输出，双路同时显示，观察是否为时基信号的二分频、四分频；
③双四选一中一路输出的阶梯波幅度比例的控制，通过改变R3、R4、R5、R6的阻值来实现；
④观察最后输出的正弦波，调节输入信号的幅度及频率，既要不失真，也要使示波器显示波形布局合理；
⑤在每次用示波器观察波形时，要结合调整扫描周期、幅度及触发电平，是波形在示波器显示屏上清晰稳定、布局合理；
⑥观察波形时都选用直流档。
⑦对于分别调节四路输出信号幅值，由于第三级的输出为第四级的输入，若改变第三级的输出则必定会使四路被显信号幅度同时改变，因而应直接分别改变四路信号源的输入幅度。
用滑动变阻器来实现输入幅值的改变，将滑动变阻器串联输入函数信号发生器的输入端与各路信号的输入端之间即可。
八、故障及问题分析
1、时钟信号的输出幅度不是5V：
电源及电路内部元件的消耗。
2、第一级NE555电路输出的时钟频率达不到35kHZ,而且在此频率时第四级输出波形不稳定；
解决方法：
将电位器调到最大，即10k欧姆，此时频率大概为60kHZ，得到稳定波形。
3、第二级输出不是严格方波，峰值处不是严格的直线：
与元件内部结构有关，输出为数字信号，波形显示具有一定的延迟，且会有一定的损耗。
4、CD4052经常性发热：
解决方法：
负电源的正负极接反，改正后发热现象消失。
5、当第三级CD4052数据选择器引脚1、2、4、5输入同一正弦波时，引脚3输出的不是完整的正弦波，而是有一些失真的波形。
原因及解决方法：
与元件内部结构有关，输入信号幅值过大的原因，适当调小信号幅值，同时调大第四级LF353引脚1和引脚2之间的电位器的值，这样既不会出现波形失真，也不会减小最终输出波形幅值的大小。
6、阶梯波幅度比例不是0：
1：
2：
3：
解决方法：
经测量R3、R4、R5、R6的阻值，发现阻值不准，更换电阻后阶梯波显示正常。
7、第四级LF353引脚7输出的波形不稳定，且四路波形之间有阴影。
原因及解决方法：
这主要是时钟信号发生器的输出信号频率及输入正弦信号的频率值不匹配的原因，调节NE555引脚6和7之间电位器R2的值使输出频率在35kHZ附近，并使输入信号的频率远小于这个值（500-1kHZ），边调节边观察示波器输出波形，直至出现没有阴影且稳定的四路波形为止。
8、最终输出不是四路正弦波，仍是阶梯波：
解决方法：
正弦信号为加到4052输出的阶梯波上，应该是运放的问题；后将探头沿4052的输出到运放的输入电路依次接入示波器观察波形，发现运放的1脚出现问题，于是更换运放后，问题迎刃而解。
9、最终输出显示的不是连续正弦波，而是在阶梯波的每个“阶梯”上加的一到两个周期的正弦波，且有较小程度的失真：
输入信号的频率及幅度过大，与示波器的扫描频率、触发电平结合调节后得到稳定的四路连续正弦波（实际上是断续不完整的，但视觉上的效果是连续的）。
九、总结和结论
1、总结及心得
在实验预习中，应对设计课题进行具体的分析，明确所设计系统的功能、性能、技术指标及要求，并将所要实现的功能分配给各单元电路，画出整体原理框图。
在进行单元电路的设计时，首先应对各个单元电路可能的组成形式进行分析比较，在单元电路的形式确定之后选择元器件，然后根据各种法则和计算确定单元电路中元件的参数。
最后,用PROTEL软件绘制出完整的电路原理图。
对于该实验，课本上给出的参数都较为准确，所以实验的前期工作较为顺利。
测定电路的相关参数和指标时，将设计的系统在面包板上进行连接，用仪器进行测试，并在发现问题和解决问题的过程中，使要求的功能和性能指标全部符合要求。
实验的过程中，完全靠自己来做，实验的目的已经不再是以前的看看结论就行，而是必须测出准确的数据，做好记录，画出观察到的波形，在实验之后对实验中的数据做好仔细的分析，得出正确的结论，而且要对实验中遇到的问题做出正确的分析，写出实验心得体会。
这就对我们分析问题的能力提出了很高的要求，我们不仅要弄清每个原件的原理，还要学会如何找到问题出现的原因。
通过查阅资料还有和同学老师交流，不仅巩固了学过的电子电路基础知识，也使我了解了更多工程上的应用。
通过这次实验，我提高了分析问题的能力，进一步培养了实验的细心和耐心。
尤其是本实验所用的器件和导线较多，连接和美化电路则显得尤为重要。
本实验很大程度上是模电与数电的结合，通过独立思考与研究，我即巩固了电子电路知识，也把其与数字电路的知识很好的结合起来，获益匪浅。
作为一名工科学生，掌握这些东西是必须的，通过对电子电路实验课的学习，我得益最大的是学会了一种学习方法，一种对待知识的态度，一种面对问题时钻研的精神。
对待实验的每一个步骤必须特别严谨，可能读数的一点点误差都会很难得出正确的实验结论，所以在模电实验中，我们必须认真对待实验的每一个步骤，来不得半点马虎，而这种精神不仅是在实验中，在我们以后的工作中都是很重要的。
2、结论
①集成定时器555可产生时钟信号，且振荡周期与电源电压无关，主要取决于充放电的总时间常数；
②74LS169可通过四位二进制输出来计时钟沿的个数，为下一级电路提供基地址；
③CD4052为双回路模拟开关芯片，可通过地址信号对两回路信号同步进行选通；
④通过CD4052电阻分压网络可使直流信号产生阶梯波；
⑤双运放中一个对信号进行放大或衰减，另一个对信号进行反向相加；
⑥对波形显示效果影响最大的因素是NE555振荡器的振荡频率和幅度的稳定性，要想在示波器上得到完整而稳定的波形，频率不能偏低，幅度不宜过小；
⑦被测信号的频率较低，而用作多路选择器和阶梯波地址信号频率应较高。
最终实现类似于示波器的断续方式来显示：
显示一路信号的一部分，然后显示下一路信号的一部分，每一路信号实际上是断续不完整的，但视觉上的效果是连续的。
一十、所用元器件及测试仪表清单
名称
大小/型号
数量
万用表
1
双踪示波器
1
函数信号发生器
1
直流稳压电源
1
NE555
1
74LS169
1
CD4052
1
LF353
1
电容
1000pF
1
0.01uF
1
10uF
1
电位器
10k欧
1
电阻
1k欧
4
2k欧
1
3k欧
2
5k欧
1
12k欧
1
14k欧
2
21k欧
1
15k欧
2
47k欧
1
33k欧
1
36k欧
2
20k欧
1
导线
若干
十一、参考文献
《数字系统与逻辑设计》刘培植等编著
北京邮电大学出版社2009年2月第一版
《信号与系统》郑君里、应启珩、杨为理编著
高等教育出版社2009年3月第一版
《电子电路基础》王宝玲等编著
北京邮电大学出版社2009年6月第一版
《电子电路综合设计实验教程》
北京邮电大学电路中心，2011年2月
《电子测量与电子电路实验教程》
北京邮电大学电路实验中心，2010年9月
十二、PROTEL绘制的原理图
PCB效果图
反色后
3D效果图：
附：
最终输出波形图（经反色处理）
第一级波形：
第二级波形：
第三级波形：
第四级波形：
未加入正弦波：
加入正弦波：
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