低频正弦信号发生器11课案.docx

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低频正弦信号发生器11课案

《电子技术》课程设计报告

题目低频正弦信号发生器

学院（部）电子与控制工程学院

专业建筑电气与智能化

班级2013320602

学生姓名吴会从

学号************

6月29日至7月10日共2周

指导教师（签字）

前言

正弦交流信号是一种应用极为广泛的信号，它通常作为标准信号，用于电子电路的性能试验或参数测量。

另外，在许多测试仪中也需要用标准的正弦信号检测一些物理量，正弦信号用作标准信号时，要求正弦信号必须有较高的精度，稳定度及低的失真率。

本次电子课程设计的低频正弦信号发生器的要求为：

信号的频率范围为20HZ～20KHZ;输出电压幅度为

5V；输出信号频率数字显示；输出电压幅度显示。

针对以上设计要求，我们从图书馆收集，借阅了大量相关书籍，从网上下载了诸多相关资料，其次安装并学习使用了电路设计中所常使用的Multisim仿真软件。

在设计的要求下，画出了整体电路的框图，将其分为正弦信号发生器，输出信号频率和其数字显示，输出电压和幅度数字显示三大部分。

其中，正弦信号发生器部分主要由我负责，输出信号频率和其数字显示部分主要由刘琪负责，输出电压和幅度数字显示部分主要由李光辉负责。

其次我们对每个单元电路进行设计分析，对其工作原理进行介绍，通过对电路分析,确定了元器件的参数,并利用Multisim软件仿真电路的理想输出结果,克服了设计低频信号发生器电路方面存在的技术难题,使得设计的低频信号发生器结构简单,实现方便。

完成电路的设计与分析后，对资料与设计电路进行整理，排版，完成课程设计报告。

摘要.......................................................................4

关键字.....................................................................4

技术要求...................................................................4

第一章系统概述..........................................................5

第二章单元电路设计.....................................................6

第一节正弦信号产生和放大电路模块设计.................................6

第二节数字的频率显示.................................................10

第三节数字电压表设计................................................17

第三章结束语...........................................................23

参考文献..................................................................23

鸣谢......................................................................23

元器件明细表.............................................................24

收获与体会，存在的问题..................................................24

评语......................................................................26

低频正弦信号发生器

摘要

正弦信号发生器是信号中最常见的一种，它能输出一个幅度可调、频率可调的正弦信号在这些信号发生器中，又以低频正弦信号发生器最为常用，在科学研究及生产实践中均有着广泛应用。

本设计采用RC选频率网络构成的振荡电路产生所需正弦波。

RC振荡电路适用于低频振荡，结构简单,经济方便，一般用于产生1Hz-1MHz的低频信号。

本文用于输出正弦波工作状态，正弦波产生后通过同相比例放大电路对信号进行放大，从而满足设计要求；频率的数字显示主要由555定时器构成的放大整形电路，时基电路构成，最终由十进制加法器74LS160，锁存器74LS373，译码器74LS48使数码管显示频率；电压数字显示主要由芯片MC14433,MC1413,MC4511和MC1403构成。

关键词

信号发生器低频正弦信号放大电路电路仿真电压显示频率显示

技术要求

1.信号频率范围20HZ～20kHZ；

2.输出信号电压幅度

5；

3.输出信号频率数字显示；

4.输出电压幅度数字显示。

第一章系统概述

根据任务书的要求，系统可分为三大部分，即正弦信号的产生；输出频率的范围和其显示；输出电压的幅度和显示，我们采用RC选频率网络构成的振荡电路产生正弦信号，信号产生后再通过同相比例运算放大器来满足输出电压的幅度要求，然后通过555定时器组成的多谐振荡器，对其放大整形和控制，最终通过十进制加法器74LS160，锁存器74LS373，译码器74LS48使数码管显示频率，由于本学期刚学过555定时器，74LS160,74L48等芯片，设计过程中易于理解和操作，其次是电压的显示，我们采用集成电路MC14433,MC1413,MC4511和MC1403设计成数字电压表，实现对电压的显示。

其中MC14433的作用是将输入的模拟信号转换成数字信号，MC1403为MC14433提供精密电压，供MC14433A/D转换器作参考电压，MC4511的功能是将二-十进制转换成七段信号，MC1413的作用为驱动显示器的a,b,c,d,e,f,g七个发光段，驱动数码管进行显示，数码管只将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果，该模块集成度高，外围电路简单，便于实现。

以下为电路的系统框图：

图1.1电路系统框图

第二章单元电路设计

第一节：

正弦信号产生和放大电路模块设计

1.正弦波发生器

正弦波发生器是本设计的核心部分，以下介绍四种方案：

方案一：

采用传统的直接频率合成法直接合成。

利用混频器，倍频器，分频器和带通滤波器完成对频率的算术运算。

但由于采用大量的倍频，分频，混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。

方案二：

采用锁相环间接频率合成（PLL）。

虽然具有工作频率高，宽带，频谱质量好的优点，但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。

另外，由模拟方法合成的正弦波的参数（如幅度，频率和相位等）都很难控制，而且要实现大范围的频率变化相当困难，不易实现。

方案三：

用函数产生芯片直接产生所需信号。

采用MAX038函数产生芯片，通过设置管脚参数的输入，可设计组成产生幅频精度很高且易于调整的波形信号，该波失真度很小，而且可实现的频率范围很大，在电路参数要求苛刻的工作场所能够得到较好的应用，用该芯片设计组成的信号产生电路集成度高，而且简单，容易控制。

方案四：

采用RC选频率网络构成的振荡电路产生所需正弦波。

RC振荡电路适用于低频振荡，结构简单,经济方便，一般用于产生1Hz~1MHz的低频信号。

由以上分析可知，方案一和方案二不易实现，方案三虽然可行，但MAX038已经停产，所以我们选择第四种方案中的RC选频率网络构成的振荡电路来实现所需正弦波。

2.RC桥式振荡电路及工作原理

图2.1.1为RC串并联正弦波振荡电路，其放大电路为同相比例运算放大器，反馈网络和选频网络由RC串并联网络组成。

图2.1.1RC串并联正弦波振荡电路

由RC串并联网络的选频特性可知，在

=1/RC或

时，RC选频网络的相角为0，而同相比例运算放大电路的相位差为0，从而满足振荡的相位条件。

由于RC串并联网络的选频特性，使信号通过闭合环路AF后，仅有

的信号才满足相位条件，因此该电路振荡频率为

，从而保证了电路输出为单一频率的正弦波。

为了使电路能振荡，还应该满足起振条件，即要求|AF|

1。

由于

时，

=1/3则要求

，即

，输出波形就接近正弦波。

振荡电路起振后，如一只维持

>3,输出电压会继续增加，这样会因输出信号振幅的增长致使放大器件工作在非线性区域，波形会产生严重的非线性失真。

为此必须设法使输出电压幅值在增大的同时，让|AF|适当减小，以维持输出电压的幅值。

这一任务由稳幅环节完成。

通常的方案有下列三种：

一种方案是选择负温度系数的热敏电阻代替反馈电阻

，当输出电压

的幅值增加时，会使

的功耗增大，温度上升，则

阻值下降，负反馈加强，放大倍数下降，输出电压

也会随之下降。

也可选择正温度系数的热敏电阻代替电阻

，同样可以实现稳幅。

第二种方案是利用二极管的非线性特性。

如图2.1.2所示电路是在rf2两端并联两个二极管

，

用来稳定输出电压

的幅度。

当

幅值很小时，二极管

，

接近于开路，如果二极管的反向电阻是无穷大，则反馈电阻

，使

>3,有利于起振；反之，当

幅值较大时，

或

导通，二极管的正向电阻是会随着正向电流的增大而减小，反馈电阻

会减小，使

随之下降，

幅值趋于稳定。

由稳定性和精确性以及简单易实现的原则我们最终采用利用二极管实现稳幅。

电路如下。

图2.1.2具有二极管稳幅环节的RC串并联正弦波振荡电路

3.放大电路的设计

由于设计要求的电压幅度为5V，上述图2.1.2所示信号产生电路不能满足要求，因此必须对产生的信号进行二级放大，本设计的放大电路主要由同相比例器来担任。

图2.1.3同相比例器

同相比例运算放大器的放大倍数

。

4．正弦信号发生总电路

把上述各分电路根据要求改进后集中在一块电路板上,共用电源和接地后,整个信号发生器的结构变得紧凑美观，集成电路图如图2.1.4所示。

图2.1.4正弦信号发生总电路

调整电阻

和

（即改变了反馈

），使电路起振，且波形失真最小。

如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大

，如波形失真严重，则应适当减少

=

。

改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。

一般采用改变电容C作频率量程切换（粗调），而调节R作量程内的频率细调。

本设计要求输出地正弦波的频率为20HZ～20KHZ,因此由式f=

取值满足以下关系：

当

时，微调电阻R可以得到

的正弦波。

当

时，微调电阻R可以得到

的正弦波。

当

时，微调电阻R可以得到

的正弦波。

调节滑动变阻器

可以改变放大倍数，可帮助电路起振，调节滑动变阻器

可进一步改变输出波形幅度，可以实现幅值从

之间的调节变化。

通过Multisim软件调试后可得仿真的结果如下图2.1.5所示。

图中信号幅值较小的为初级放大后的输出信号，另一个为二级放大后的输出信号。

图2.1.5放大电路仿真结果图

第二节：

频率的数字显示

电路设计中要求输出的频率能够进行数字显示，本电路中频率显示电路利用555定时器构成控制电路，时基电路和延时电路，控制计数器对输入信号进行计数，延时和清零，将计数结果用锁存器锁存输出到数码管驱动器驱动数码管静态数位显示。

1.总体框架图

图2.2.1频率显示计总体框架图

2.基本原理

为了提高输出信号的频率的精确度和稳定度本装置设置了频率检测电路，该电路先使检测信号通过由555构成的整波电路将正弦信号转化成同频率的脉冲信号，做为计数器的时钟脉冲输入端。

时基电路由多谐振荡器构成，产生采样时间为1S，0.1S,0.01S的脉冲信号，通过改变多谐振荡器的电容可以产生三种不同档位的待测信号，档位通过拨码开关来选择。

第一档：

，信号的采样时间为1S。

第二档：

，信号的采样时间为0.1S。

第三档：

信号的采样时间为0.01S。

3.总体设计与原理

3.1整波电路

具体电路图2.2.3，并进行仿真，得到输入波形与输出波形如图2.2.4。

图.2.2.3整波电路

图2.2.4整波电路仿真图

3.2时基电路

频率显示计的时基电路是采用555构成的多谐振荡器，控制计数器的输入脉冲。

多谐振荡器不需要外加输入信号，只需要接通电源，就能自动产生矩形脉冲信号，矩形脉冲信号的频率是由电路参数R，C决定的，当标准时间信号（1S正脉冲）到来时计数器开始计时。

拨码开关的三个输出端代表了频率的三个档位，具体电路见图2.2.5

图2.2.5时基电路

3.3.1锁存信号和清零信号的产生

频率显示器的控制电路是由555构成的多谐振荡器。

在标准时间信号结束后产生的负跳变来产生锁存信号，同时锁存信号经过反相器又产生清零信号。

将时基电路的的输出信号与控制电路的输出信号在multisim中进行仿真，得到如图2.2.7。

图2.2.6控制电路

图2.2.7锁存信号（上）与清零信号（下）

3.4锁存器的使用

锁存器的作用是将计数器在1S结束时的计数值进行锁存，使显示器获得稳定的测量值。

当时钟脉冲CP的正跳变到来时，锁存器的输出端等于输入，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端，正脉冲结束后，输出不再改变。

我们采用74LS373，其管脚图如图2.2.9。

图2.2.974LS175D管脚图

图2.2.1074LS175D真值表

3.5计数器及数码管的显示

由于频率显示的范围是20HZ----20KHZ，则计数器能计数的最大数不小于20000，将6片同步十进制计数器74LS160进行级联即可实现对100000个脉冲数以下的脉冲计数。

6片计数器的清零端是由时基电路产生的，CP脉冲端是由待测信号经整波后产生的矩形波提供的。

其级联电路图如图2.2.11。

从右到左依次是十进制的个位，十位，百位，千位。

将计数器的输出值通过锁存器输送到共阳极译码管驱动芯片74LS48，驱动数码管显示。

图2.2.11计数器级联

3.6数码管驱动

输出端（a-g）为低电平有效，可以直接驱动指示灯或者共阴极LED。

当要求输入0-15时，消隐输入（/RBI）应为高电平或者开路，对于输出0时还要求脉冲消隐输入（/RBI）为高电平或开路。

当BI为低电平不管其他输入状态如何a-g均为低电平。

当/RBI和地址端（A-D）均为低电平并且灯测试（/LT）为高电平时a-g均为低电平，消隐输出（/RBO）为低电平。

当DI为高电平开路时，/LT为低电平可使a-g为高电平。

引出段符号；

A,B,C,D驿码地址输入端

/BI,/RBO消隐输入（低电平有效）

/LT灯测试输入端（低电平有效）

/RBI脉冲消隐输入端（低电平有效）

a-g段输出（低电平有效）

图2.2.1274LS248D外引线排列

第三节：

数字电压表设计

设计数字电压表，以A/D转换器MC14433为核心器件，它有多路调制BCD码输出端和超量程，采用动态扫描显示，便于实现自动控制。

它连接着输入放大器、基准电源、译码器、逻辑控制器和显示器。

其中，A/D转换器将输入的模拟量转换成数字量，逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换器中各组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。

A/D转换结果通过译码电路变换成笔段码，最后驱动显示器显示相应的数值。

由于MC14433只能测量直流电压幅值，所以通过全波整流电路将待测正弦交流信号转化为直流信号。

图2.3.1频率倍数控制电路

图2.3.2数字电压表电路图

备注：

1.单刀双掷开关的电压输入端Uo接信号发生器的电压输出端，电压输出端Ui接数字电压表的输入电压端，即引脚3。

2.单刀双掷开关接的电阻，当S接到左边的开关时，则将信号发生器输出的电压缩小了10倍，当数码管上显示电压时，对于读出的数字应该乘以10，此时的结果才是真正的电压值；而当开关S打到右边时，则将信号发生器输出的电压缩小了5倍，当数码管上显示电压时，对于读出的数字应该乘以5，此时的结果才是真正的电压值。

各部分的功能如下：

3位半A/D转换器（MC14433）：

将输入的模拟信号转换成数字信号。

基准电源（MC1403）：

提供精密电压，供A/D转换器作参考电压。

译码器（MC4511）：

将二——十进制（BCD）码转换成七段信号。

驱动器（MC1413）：

驱动显示器的a,b,c,d,e,f,g七个发光段，驱动发光数码管（LED）进行显示。

显示器：

将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换的结果。

一个单刀双掷开关和三个定值电阻起到了对输入电压的缩小作用。

工作过程如下：

3位半数字电压表通过位选信号DS1～DS4进行动态扫描显示，由于MC14433电路的A/D转换结果是采用BCD码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描显示。

DS1～DS4输出多路调制选通脉冲信号。

DS选通脉冲为高电平时表示对应的数位被选通，此时该位数据在Q0～Q3端输出。

每个DS选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。

DS和EOC的时序关系是在EOC脉冲结束后，紧接着是DS1输出正脉冲。

以下依次为DS2，DS3和DS4。

其中DS1对应最高位（MSD），DS4则对应最低位（LSD）。

在对应DS2,DS3和DS4选通期间，Q0～Q3输出BCD全位数据，即以8421码方式输出对应的数字0～9。

小数点显示是由正电源通过限流电阻RDP供电燃亮小数点。

若量程不同则选通对应的小数点。

过量程是当输入电压UX超过量程范围时，输出过量程标志信号OR。

（1）当OR=0时，|UX|>UR，则溢出。

|UX|>UR则OR输出低电平。

（2）当OR=1时，表示|UX|

平时OR输出为高电平，表示被测量在量程内。

（3）MCl4433的OR端与MC4511的消隐端BI直接相连，当UX超出量程范围时，OR输出低电平，即OR=0→BI=0，MC4511译码器输出全0，使发光数码管显示数字熄灭，而负号和小数点依然发亮。

器件简介：

3半位A／D转换器MCl4433

（1）在数字仪表中，MC14433电路是一个低功耗3位半双积分式A／D转换器。

和其它典型的双积分A/D转换器类似，MC14433A／D转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。

如果必要设计应用者可参考相关参考书。

（2）使用MC14433时只要外接两个电阻（分别是片内RC振荡器外接电阻和积分电阻RI）和两个电容（分别是积分电容CI和自动调零补偿电容C0）就能执行3位半的A／D转换。

MC14433的内部结构如下图：

MC14433引脚图

图2.3.3MC14433的内部结构图图2.3.4MC14433引脚图

MCl4433采用24引线双列直插式封装，外引线排列，各主要引脚功能说明如下：

（1）端：

VAG，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压UX和基准电压VREF的参考点地。

（2）端：

RREF，外接基准电压输入端。

（3）端：

UX，是被测电压输入端。

（4）端：

RI，外接积分电阻端。

（5）端：

RI／CI，外接积分元件电阻和电容的公共接点。

（6）端，C1，外接积分电容端，积分波形由该端输出。

（7）和（8）端：

C01和C02，外接失调补偿电容端。

推荐外接失调补偿电容C0取0.1μF。

（9）端：

DU，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在双积分放电周期即阶段5开始前，在DU端输入一正脉冲，则该周期转换结果将被送入输出锁存器并经多路开关输出，否则输出端继续输出锁存器中原来的转换结果。

若该端通过一电阻和EOC短接，则每次转换的结果都将被输出。

（10）端：

CPI（CLKI），时钟信号输入端。

（11）端：

CPO（CLKO），时钟信号输出端。

（12）端：

VEE，负电源端，是整个电路的电源最负端，主要作为模拟电路部分的负电源，该端典型电流约为0.8mA，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向VSS端。

（13）端：

VSS负电源端．

（14）端：

EOC，转换周期结束标志输出端，每一A／D转换周期结束，EOC端输出一正脉冲，其脉冲宽度为时钟信号周期的1／2。

（15）端：

OR，过量程标志输出端，当|UX|>VREF时，OR输出低电平，正常量程OR为高电平。

（16）～（19）端：

对应为DS4～DS1，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端，当DS端输出高电平时，表示此刻Q。

～Q3输出的BCD代码是该对应位上的数据。

（20）～（23）端：

对应为Q0一Q3，分别是A／D转换结果数据输出BCD代码的最低位（LSB）、次低位、次高位和最高位输出端。

（24）端：

VDD，整个电路的正电源端。

七段锁存-译码-驱动器MC4511

CD4511是专用于将二-十进制代码（BCD）转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由4位锁存器，7段译码电路和驱动器三部分组成。

（1）四位锁存器（LATCH）：

它的功能是将输入的A，B，C和D代码寄存起来，该电路有锁存功能，在锁存允许端（LE端，即LATCHENABLE）控制下起锁存数据的作用。

（2）七段译码电路：

将来自四位锁存器输出的BCD代码译成七段显示码输出。

（3）驱动器：

利用内部设置的NPN管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。

图2.3.5MC1413管脚图

七路达林顿驱动器阵列MCl413

MCl413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此具有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成电路的输出信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载．该电路内含有7个集电极开路反相器（也称OC门）。

MCl413引脚如图采用16引脚的双列直插式封装。

每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的续流二极管。

高精度低漂移能隙基准电源MCl403

MCl403的输出电压的温度系数为零，即输出电压与温度无关．该电路的特点是：

①温度系数小；

②噪声小；

③输入电压范围大，稳定性能好，当输入电压从+4．5V变化到+15V时，输出电压值变化量小于3mV；

④输出电压值准确度较高，y。

值在2．475V～2.525V以内；

⑤压差小，适用于低压电源；

6负载能力小，该电源最大输出电流为10mA。

第三章

结束语

此电路基本可以完成任务要求的各个功能，具有电压频率数字显示，电压幅度可调的功能。

能够产生比较稳定、失真度较小的低频正弦信号，频率和幅值都能较好的满足题目的要求。

并且能够较准确的测出输出波形的频率以及幅值。

尽管如此，此电路也存在许多问题。

存在的具体问题有：

频率调节，由于RC振荡的选频回