课设低频正弦信号发生器.docx
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课设低频正弦信号发生器
《电子技术》课程设计报告
题目课设低频正弦信号发生器
学院（部）
班级
学生姓名
学号
6月4日至6月13日共2周
指导教师（签字）
低频正弦信号发生器
摘要
低频正弦发生器是一种比较常见的信号发生器，他能产生频率，幅值可调的低频正弦波，在生活，科研，教育等领域得到广泛的应用。
有数字电路构成的低频正弦波发生器，多有一些芯片构成。
其低频信号性能比模拟信号好得多，并且体积小，方便，谐波较少。
频率和振幅相对比较稳定，本文借助555定时器产生方波，在借助滤波电路，产生频率可调切输出稳定的正弦波。
在产生稳定可调的正弦波后，本组借助A/D转换，用一些芯片，将正弦波信号的幅值通过数码管显示出来，完成幅显功能。
并且用一种数字电路中常用的十进制计数器芯片74LS160正弦波的频率通过数码管显示出来，完成频显功能。
关键词低频正弦波滤波放大频率AD转换显示
技术要求
1.（小4号楷体）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。
一、系统综述（内容用小4号字宋体）
正弦信号发生器又称正弦信号振荡器，可以有好几种方法来实现，下面介绍几种切实可行的方案：
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：
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。
但是在Multisim中，没有MAX038芯片，所以，我们也不准备采用此方案。
方案三：
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。
但RC振荡电路只能产生近似的正弦波，相比较而言，可靠性较差，误差较大，所以我们也不准备采用此方案。
方案四：
在数字电子技术中，我们学习了用555定时器产生方波的原理，基于熟悉的知识，我们决定用555定时器先产生频率可调的方波，再利用模拟电子技术中所学的滤波电路搭建一个多阶滤波电路（我们采用的是三阶可调滤波电路），利用方波产生的频率可调的正弦波。
再利用数字电子技术所学的十进制计数器74LS160和数码显示器DCD-HEX来完成频率的显示。
由滤波电路产生的正弦波信号，经过一个放大电路放大后，形成幅值在-5v---+5v可调的正弦波信号，最后再利用我们没有学过的A/D转换装置，经过数码显示装置，完成幅值显示功能。
对我们来说，以上方案虽然都是理论可行，但是有的方案要求对我们来说太高，操作太过复杂，特别是有的关于单片机的使用，超出了我们的能力范围，只能放弃，而有的的精确度又不够，达不到我们的要求，所以综上所述，我们采用了方案四。
原理方框图如下：
反向比例器
二阶RC滤波电路
555多谐振荡器
方波正弦波
DCD-HEX频率显示
74LS175D
74LS160N构成的计数器
555振荡器构成的时基电路
DCD-HEX电压显示
74LS160D与74LS161D构成的进制转换器
ADC芯片进行转换
采样控制电路
图1方案四原理图
二、单元电路设计（内容用小4号字宋体）
1、正弦波的产生（小4号字宋体）
关于正弦波的产生我们分为了大概两个模块，第一个是由555构成的多谐振荡器产生占空比为50%的频率可调的方波，即方波的产生模块;第二个是由方波经过二阶RC滤波电路，产生一个频率相同的正弦波，在经过反向比例器，最终形成一个幅值频率可调的正弦波。
（1）方波产生模块
本次电路是以555为核心构成的电路，由数字电子技术我们知道，由555定时器我们可以构成单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器，在这里我们就以555构成的多谐振荡器产生的方波为基础，来形成我们需要的正弦波。
方波产生电路图如下所示：
图2方波产生电路图
因为产生信号要求方波占空比为50%，于是我们设计了如上电路，可知电路充电时间T1与T2必须相等，我们便加上了二极管D1与D2，使得当电路充电时，R2被短路，则有：
由计算可得：
T1=0.7R1C1
T2=0.7R2C1
可知，当R1=R2时，则T1=T2；
又有要求频率输出为20HZ—20KHZ：
f=1/T=1/（T1+T2）=1/0.7（R1+R2）C1
设定C1=1uf，则可得
R1=R2=35.7Ω—35.7KΩ
由于本课设要求产生的是频率可调的波形，而且有以上可知R1=R2，则我们选取的R1与R2为总阻值为36KΩ的滑动变阻器，且需要R1与R2同时变动，便可满足要求。
但是因为我们现在产生的波形为只有正值而没有负值的方波，即使经过滤波之后，也不能产生我们所需的正弦波，这时，我们就需要在555多谐振荡器的输出端加一个反向的电压，使输出的波形下移，刚好让0坐标轴位于方波正中，这样，我们就放完成了产生一个频率在20HZ—20KHZ之间可调的方波。
最终输出方波完成图为：
图3最终方波产生电路图
电路仿真结果为
接好电路图后，我们在Multisim中进行仿真，与我们设想的一样，仿真示波器如下图所示：
图4方波输出仿真结果
（2）正弦波产生模块
图5二阶RC滤波电路
为了满足本次课设要求，我们采用了二阶RC滤波电路，使方波转换为正弦波。
由于我们采用的是低通滤波电路，一般的截止频率为1MHZ，完全可以满足我们这次课设的要求。
为了达到更好的滤波效果，我们设定两个滑动变阻器的阻值相等，且有
C3=C4=1uf
对于滤波电路适于通过的频率
f=1/（2*3.14RC）
由于我们选取的电容C为定值，我们只需通过调节滑动变阻器便可调节出适当的频率，以达到更好的滤波效果。
滤波的仿真结果如下所示
图6二阶RC电路滤波结果
反向比例器
对于正弦波幅值的调节，我们采用的是反向比例器，因为其具有简单，易操作的特点，故最适合我们现在的情况。
反向比例器如下图所示
图7反向比例器
由于通过前面的滤波电路，这时的输入正弦波幅值已经变得很小，这时我们只需通过调节R12，便可以实现正弦波-5V—+5V之间的幅值调节。
综上，我们现在便可以得到频率为20HZ—20KHZ之间可调、-5V—+5V幅值可调的正弦波，总电量图如下所示：
图8输出正弦波总电路图
（3）最终仿真输出结果
通过以上电路，我们以5V幅值输出的仿真结果如下所示：
图9最终输出波形结果
由上图可得，虽然我们的结果有一些误差，但是经过我们的努力，已经可以控制在可接受的范围之内，至此，有关于正弦波输出的设计，我们已经完成。
2、正弦波频率数字显示模块
对于正弦波频率数字显示模块，我们可以利用之前的555构成的多谐振荡器产生的方波来测量正弦波的频率，因为其频率都是一样的，而且相比较而言，方波的频率比正弦波方便测量的多。
对于测频率的方法，我们目前考虑的有三种：
（1）测频法（M法）
用一个标准定时时间TG控制一个闸门电路，在时间TG内闸门打开，让被测信号通过，记下被测信号的变化周期数，该数与计数时间TG的比值就是其频率，该方法适合高频信号的测量，如下图所示:
图10测频法
（2）测周法（T法）
首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平时间或低电平时间都是一个信号周期T的方波信号，然后用一个已知频率fosc的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对信号进行计数。
该方法适合低频信号的测量，如下图所示：
图11测周法
（3）T/M法
T/M法采用的是两个计数器，分别对被测信号和高频标准计数信号进行计数，若在确定的检测时间内，对被测信号fx的计数值为N1，而对高频信号fosc的计数值为N2，则如图所示：
图12T/M法
由以上所知，虽然在本次课设中，无论是T法还是T/M法，都比较M法来说都更为精确，但是无疑操作和设计都加大了难度，而且测周法所测得的信号周期数据，还需要求导数运算才能求得信号频率，而二进制数据的求导数运算在中小规模中数字集成电路中又难以实现，而相比较而言，测频法就方便操作的多，故我们这里采用测频法。
对于产生的闸门脉冲，我们可以利用555的多谐振荡器和单稳态触发器来构成一个时基电路，产生一个高电平为1s时基脉冲，并通过在这个脉冲时间内用计数器计算出待测信号的次数来测量待测信号的频率，时基电路如图所示：
图13时基电路
如上图所示，左边的555多谐振荡器有：
T1=0.7（R7+R8）C8=1.1515s
T2=0.7R8C8=0.329s
而右边的555单稳态触发器则有：
tw=1.1R6C5=1s
而又有T2
3、系统综述
电路总图如下
四、结束语
此电路可以完成课设的基本要求.具有频率，振幅可调并且显示的功能，并且都能较准确额测出幅值和频率，误差较小。
虽然课设已经完成但是其中还有许多的问题：
比如，musitisim有些元器件没有，各阶电路相互影响，对电路中有些需要的元器件还不是狠了解！
参考文献
1.林涛，模拟电子技术基础-重庆：
重庆大学出版社，2003
2.林涛，模拟电子技术基础-北京：
清华大学出版社，2006
3.黄智伟，全国大学生电子竞技设计赛电路设计-北京，北京航空航天大学出版社，2006。
4.孙淑艳，电子技术实践教学指导书-北京，中国电力出版社，2005.
5.程永真，宁武等，全国大学生电子技术设计竞赛
试题精选，电子工业出版社，2007.
6.谢自美，电子线路-武汉，华中科技大学出版社。
鸣谢
在本次课程设计中，感谢老师们和同学的帮助，特别感谢邓老师和楚老师的悉心指导和鼎力支持。
此外，还要特别感谢我的队友李欣潘和滚涛，大家很认真，有时候废寝忘食。
正是有了大家的团结合作和互帮互助，这个课程设计才得以顺利的完成。
再次感谢他们。
元器件明细表，附图
序号
名称
型号参数
数量
备注
1
运算放大器
3288RT
放大信号
2
555记时器
3
定值电阻
4
滑动电阻
5
七段显示管
DCD_HEX
7
显示
6
电压源
提供电源
7
晶体管
2N2925
2
8
电容
9
AD转换
ADC
模数转换
10
锁存器
74LS175D
锁存数据
12
计数器
74LS160
5
计数
收获与体会，存在的问题等（内容用小4号字宋体）
为期两个星期的课程设计已经结束，在这两星期的学习，设计过程中，我感触很深，使我对抽象的理论有了具体的认识。
通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用实验仪器表；了解电路的连接方法，以及如何提高电路的性能等等。
其次，这次课程设计提高了我们团队合作水平，使我们配合更加默契，体会到了自己设计好的电路测试到波形后的那种喜悦。
在实验过程中。
我们遇到了不少问题。
比如，波形失真，甚至不出波形等问题，在老师和同学的帮助下，我们将问题一一解决，
评语
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