電子技術課程設計低頻正弦信號發(fā)生器

1、長 安 大 學電子技術課程設計 課題名稱 低頻正弦信號發(fā)生器 班 級 姓 名 指導教師 日 期 2011年1月4 前 言正弦交流信號是一種應用極為廣泛的信號，它通常作為標準信號 ，用于電子電路的性能試驗或參數(shù)測量。另外，在許多測試儀中也需要用標準的正弦信號檢測一些物理量，正弦信號用作標準信號時，要求正弦信號必須有較高的精度，穩(wěn)定度及低的失真率。本次電子課程設計的低頻正弦信號發(fā)生器的要求為：信號的頻率范圍為20hz20khz;輸出電壓幅度為5v；輸出信號頻率數(shù)字顯示；輸出電壓幅度顯示。針對以上設計要求，我們從圖書館收集，借閱了大量相關書籍，從網(wǎng)上下載了諸多相關資料，其次安裝并學習使用了電路設計中

2、所常使用的multisim仿真軟件。在設計的要求下，畫出了整體電路的框圖，將其分為正弦信號發(fā)生器，輸出電壓和幅度數(shù)字顯示，輸出信號頻率和其數(shù)字顯示三大部分。其次我們對每個單元電路進行設計分析，對其工作原理進行介紹，最后使用multisim軟件畫出單元電路，并對其仿真。完成電路的設計與分析后，對資料與設計電路進行整理，排版，完成課程設計報告。目 錄前言2目錄3摘要4關鍵字4設計要求4 系統(tǒng)概述5 單元電路設計與分析7 第一部分 正弦信號發(fā)生器的設計7 第二部分 簡易頻率計及其顯示模塊的設計12 第三部分 數(shù)字電壓表機器顯示部分的設計25 系統(tǒng)綜述、總體電路圖34 結束語 36參考文獻 36元器件

3、說明 37收獲與體會 38評語 39低頻正弦信號發(fā)生器摘要：信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領域中有著廣泛的應用，而正弦信號發(fā)生器是信號發(fā)生器中最常見的一種，它能輸出一個幅度可調(diào)、頻率可調(diào)的正弦信號，在這些正弦信號發(fā)生器中又以低頻正弦信號發(fā)生器最為常用。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器，在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。現(xiàn)今，常用的信號發(fā)生器大部分是由模擬電路構成的，電路的組成主要包括選頻網(wǎng)絡、反饋網(wǎng)絡、以及放大部分，這種方式的信號發(fā)生器可以看作是一個沒有輸出信號的帶有選頻網(wǎng)絡的正反饋放大電路。此種信號發(fā)生器包含的選頻

4、網(wǎng)絡是rc選頻電路或者lc選頻電路。一般情況下，rc選頻電路用于輸出中頻信號，lc選頻電路用于輸出高頻信號，但需要這種模擬信號發(fā)生器用于輸出低頻信號往往需要的rc值很大（lc輸出高頻，更難以滿足要求），這樣不但參數(shù)準確度難以保證，而且體積和功耗都很大，低頻難以滿足要求。而由數(shù)字電路構成的低頻信號發(fā)生器多是由一些芯片組成，其低頻性能比模擬信號發(fā)生器好得多，而且體積較小，輸出的信號諧波較少，頻率和振幅相對比較穩(wěn)定。本文用max038芯片實現(xiàn)低頻正弦信號的發(fā)生，借助于放大器對正弦信號進行放大，這種電路流程簡單、運算速度高、便于調(diào)節(jié)與實現(xiàn)并且集成度強。關鍵字： 正弦波 信號發(fā)生器 放大器 頻率顯示 電

5、壓顯示設計要求： 任務書要求設計一個低頻正弦信號發(fā)生器，根據(jù)題目要求，此低頻正弦信號發(fā)生器有以下功能及主要技術要求： 信號頻率范圍20hz20khz； 輸出信號電壓幅度5； 輸出信號頻率數(shù)字顯示； 輸出電壓幅度數(shù)字顯示。第一章 系統(tǒng)概述根據(jù)任務書的要求，系統(tǒng)可分為三大部分，即正弦信號的產(chǎn)生；輸出頻率的范圍和其顯示；輸出電壓的幅度和顯示，我們采用max038芯片產(chǎn)生正弦信號，該芯片能產(chǎn)生高精度的信號，頻率范圍大，功耗低，信號產(chǎn)生后再通過運放opa604的功率放大來滿足輸出電壓的幅度要求，然后通過555定時器組成的施密特觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài) 電路，多諧振蕩電路對其放大整形和控制，最終通過十六進制加法器7

6、4ls160，鎖存器74ls373，譯碼器74ls48使數(shù)碼管顯示電壓，由于本學期剛學過555定時器，74ls160,74l48等芯片，設計過程中易于理解和操作，其次是電壓的顯示，我們采用集成電路mc14433,mc1413,mc4511和mc1403設計成數(shù)字電壓表，實現(xiàn)對電壓的顯示。其中mc14433的作用是將輸入的模擬信號轉換成數(shù)字信號，mc1403為mc14433提供精密電壓，供mc14433a/d轉換器作參考電壓，mc4511的功能是將二-十進制轉換成七段信號，mc1413的作用為驅動顯示器的 a,b,c,d,e,f,g七個發(fā)光段，驅動數(shù)碼管進行顯示，數(shù)碼管只將譯碼器輸出的七段信號進

7、行數(shù)字顯示，讀出a/d轉換結果，該模塊集成度高，外圍電路簡單，便于實現(xiàn)。以下為電路的系統(tǒng)框圖：電阻調(diào)節(jié)opa604功率放大mc14433a/d轉換mc1403mc4511mc1413共陰極led發(fā)光數(shù)碼管555施密特觸發(fā)器&74ls160計數(shù)器74ls373鎖存器74ls48譯碼器共陰數(shù)碼管555單穩(wěn)態(tài)電路555多謝振蕩器 max038函數(shù)發(fā)生器芯片 圖1電路系統(tǒng)框圖第二章 單元電路設計與分析 第一節(jié)：正弦信號產(chǎn)生和放大電路模塊設計一、 可行性論證：正弦波發(fā)生器是本設計的核心部分，以下介紹三種方案：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

8、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：采用鎖相環(huán)間接頻率合成（pll）。雖然具有工作頻率高，寬帶，頻譜質量好的優(yōu)點，但由于鎖相環(huán)本身是一個惰性環(huán)節(jié)，鎖定時間較長，故頻率轉換時間較長。另外，由模擬方法合成的正弦波的參數(shù)（如幅度，頻率和相位等）都很難控制，而且要實現(xiàn)大范圍的頻率變化相當困難，不易實現(xiàn)。方案三：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

9、，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。綜合比較，為了實現(xiàn)要求，選擇方案三，使用高性能的芯片max038作為正弦波發(fā)生器的核心，實現(xiàn)高精度，高穩(wěn)定的正弦信號輸出。二、max038簡介以下是max038管腳圖，管腳功能和其性能的介紹：max038采用dip-20封裝形式，其管腳如下圖2所示： 圖2 max038管腳圖各引腳功能簡述如下：引腳標記符號功能說明1ref2.5v的基準電壓輸出2，6，9，11，18gnd地3a0波形選擇編碼輸入端（兼容ttl/cmos電平）4a1波形選擇編碼輸入端（兼容ttl/cmos電平）5cosc

10、主振器外接電容接入端7dadj占空比調(diào)節(jié)輸入端8fadj頻率調(diào)整輸入端10iin電流輸入端，用于頻率調(diào)節(jié)和控制12pdo相位檢測器輸入端，若相位檢測器不用，該端接地13pdi相位檢測器基準時鐘輸入，如相位檢測器不用，該端接地14syncttl/cmos電平輸出，用于同步外部電路，不用時開路15dgnd數(shù)字地，在sync不用時開路16dv+數(shù)字+5v電源。若sync不用，該端開路17v+5v電源輸入端19out正弦波、方波或三角波輸出端20v_-5v電源輸入端表1 max038的引腳功能說明max038的內(nèi)部結構和工作原理：max038的芯片內(nèi)部包含振蕩器、比較器、基準電壓和正弦波形成器等。ma

11、x038產(chǎn)生信號的頻率和占空比可以通過調(diào)整電流、電壓或電阻來分別控制。所需的輸出波形可由在a0和a1輸入端設置適當?shù)拇a來選擇，所有的輸出波形都對稱于地電位的2v（峰峰值）信號。低阻抗輸出的驅動能力可以達到20ma。在sync輸出引腳端輸出一個由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的、與ttl兼容的、占空比為50的波形（不管其他波形的占空比是多少），可作為系統(tǒng)中其他器件的同步信號。內(nèi)部振蕩器也可以由連接到pdi引腳上的外部ttl時鐘來同步。max038的工作電源為5（15）v?；镜恼袷幤魇且粋€交變的、以恒流向電容器充電和放電的弛張振蕩器，同時也就產(chǎn)生一個三角波和矩形波。充電和放電的電流是由流入引腳端iin的電流來

12、控制的，并由加到引腳端fadj和dadj上的電壓調(diào)制。流入引腳端iin的電流可由2ua變化到750ua，對任一電容器cf值可以產(chǎn)生大于兩個數(shù)量級（100倍）的頻率變化。在引腳端fadj上加2.4v電壓可改變70的標稱頻率（與vfadj=0v時比較），這種方法可以用作精確的控制。占空比（輸出波形為正時所占時間的百分比）可由加2.3v的電源到引腳端dadj上來控制其從10變化到90。這個電壓改變了cf的充電和放電電流的比值，而維持頻率近似不變。引腳端ref的2.5v基準電壓可以用固定電阻連接到引腳端iin、fadj或dadj，也可以用電位器從這些輸入端接到ref端進行調(diào)整。fadj和/或dadj可

13、以接地產(chǎn)生具有占空比為50的標稱頻率信號。max038芯片附加少許外圍電路就能夠產(chǎn)生三角波、鋸齒波、正弦波、方波、矩脈沖波形。該芯片具有如下的功能特點：(1)輸出頻率范圍：0120 mhz，最高可達40 mhz：(2)輸出波形占空比(1585)獨立可調(diào)，占空比可由dadj端調(diào)整，如果dadj端接地，則輸出占空比為50；(3)具有低輸出阻抗的輸出緩沖器，輸出阻抗的典型值為01 ；(4)備有ttl兼容的獨立同步信號sync(方波輸出，固定占空比為50)，方便組建 (5)低溫度漂移。對于所有輸出波形來說，輸出波形是以地為參考的對稱波形，在低輸出阻抗的情況下，輸出電流可達到20 ma電流。 在兩個與t

14、tlcmos信號輸入匹配的地址引腳a1，a0上輸入合適的代碼信號，能夠實現(xiàn)輸出波形變換的控制，具體輸入代碼和輸出波形的對應關系如表2所示。a0a1波形x1正弦波00矩形波a0a1波形10三角波表2 地址a0和a1引腳端工作狀態(tài)的設置與波形選擇輸出頻率反比于電容器cf值。（1） 波形選擇 max038可以產(chǎn)生正弦波、矩形波或三角波形設置a0和a1引腳端的狀態(tài)可選自輸出波形（ttl/cmos邏輯電平）如表二所列。波形切換可以在任一時刻進行，而不管輸出信號當時的相位。切換發(fā)生在0.3us之內(nèi)，但是輸出波形可能有一段小的延續(xù)0.5us的過渡狀態(tài)。（2） 輸出頻率max038輸出頻率取決于注入引腳端ii

15、n的電流大小、引腳端cosc的電容量（對地）和引腳端fadj上的電壓vfadj。當vfadj=0v時，輸出的基波頻率（f0）由下式給出：f0（mhz）=iin(ua)cf(pf)周期（t0）則為：t0(s)=cf(pf)iin(ua)式中，iin為注入到iin引腳端的電流（2750ua），cf為接到cosc引腳端和地之間的電容值（20pf100uf）。 （注:由于在multisim軟件里面沒有max038芯片，所以不能畫出關于此芯片產(chǎn)生正弦信號的波形圖。在這個設計中，為了能夠模擬產(chǎn)生低頻正弦信號并且進行顯示，我們用了另一種方法產(chǎn)生正弦信號，具體請看后面的具體電路設計圖）圖3 正弦信號發(fā)生電路三

16、、放大電路的設計上述圖3所示信號產(chǎn)生電路，當v+=5v，v-=-5v,vdadj=vfadj=vpdi=vpdo=0 v，rl=1 k，cl=20 pf，輸出波形、頻率變化調(diào)整時，輸出電壓能夠穩(wěn)定的達到vp-p=2 v。由于設計要求的電壓幅度為5v，因此必須對產(chǎn)生的信號進行放大，本設計的放大電路主要由運放opa604擔任 。opa604是fet輸入高保真運放ic，性能十分優(yōu)越，低噪聲10nv/hz，低失真率，1khz時，僅為0.0003%，高轉換率25v/us，功率帶寬為20mhz，電路中opa604的閉環(huán)電壓增益由外電路所接電阻控制。 由opa604組成的放大電路如下圖4所示 圖4 信號放大

17、電路 注：r1的另一接線端接max038的管腳19圖3所示的電路產(chǎn)生的正弦輸出波的vp-p=2 v, multisim軟件中沒有信號產(chǎn)生芯片max038，對圖3所示電路的仿真我們只能外接一個能夠產(chǎn)生vp-p=2 v的正弦信號源，仿真的結果如下圖5所示圖5 放大電路仿真結果圖第二節(jié)：頻率的數(shù)字顯示一、整體方框圖及原理輸入電路：由于輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當輸入信號電壓幅度較大時，通

18、過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益時被測信號得以放大。頻率測量：測量頻率的原理框圖如上圖2-3.測量頻率共有顯示單位。被測信號經(jīng)整形后變?yōu)槊}沖信號（矩形波或者方波），送入閘門電路，等待時基信號的到來。時基信號由555定時器構成一個較穩(wěn)定的多諧振蕩器，經(jīng)整形分頻后，產(chǎn)生一個標準的時基信號，作為閘門開通的基準時間。被測信號通過閘門，作為計數(shù)器的時鐘信號，計數(shù)器即開始記錄時鐘的個數(shù)，這樣就達到了測量頻率的目的。計數(shù)顯示電路：在閘門電路導通的情況下，開始計數(shù)被測信號中有多少個上升沿。在計數(shù)的時候數(shù)碼管不顯示數(shù)字。當計

19、數(shù)完成后，此時要使數(shù)碼管顯示計數(shù)完成后的數(shù)字?？刂齐娐罚嚎刂齐娐防锩嬉a(chǎn)生計數(shù)清零信號和鎖存控制信號。二、各部分的設計與調(diào)測1、輸入電路設計與調(diào)測1.1 時基電路設計圖1-1 時基電路與分頻電路它由兩部分組成: 如圖1-1所示，第一部分為555定時器組成的振蕩器(即脈沖產(chǎn)生電路),要求其產(chǎn)生1000hz的脈沖.振蕩器的頻率計算公式為:f=1.44/(r1+2*r2)*c),因此,我們可以計算出各個參數(shù)通過計算確定了r1=8.2k ，r2=5.1k，c=0.01f使得555能夠產(chǎn)生非常接近1khz的頻率。第二部分為分頻電路,主要由74ls160組成，因為振蕩器產(chǎn)生的是1000hz的脈沖,也就是其

20、周期是0.001s,而時基信號要求周期為1s。74ls160為十進制計數(shù)器，用于在時鐘上升沿或下降沿加計數(shù)。1.2時基電路的調(diào)測圖1-2時基電路首先調(diào)測時基信號，通過555定時器、rc阻容件構成多諧振蕩器的兩個暫態(tài)時間公式，選擇r1=8.2k ，r2=5.1k，c=0.01f。把555產(chǎn)生的信號接到示波器中，使得輸出的信號的頻率為1khz。同時輸出信號的頻率也要穩(wěn)定。測完后，下面測試分頻后輸出端信號。測出來的信號頻率和理論值1hz相等。這樣，時基電路這部分就測試完畢，可以用于做標準的閘門信號，所以此時的時基電路設計好了，而且時基信號也沒有什么問題。圖1-3時基電路分頻后的波形1.3放大整形電路

21、設計如圖3-4所示，待測的波先被送入到放大電路的輸入端，輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設計一個整形電路在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大。然后把放大調(diào)整后的信號送入由555構成的施密特觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能經(jīng)過施密特觸發(fā)器后便把信號整形成為矩形波。圖1-4

22、放大整形電路圖1.4 放大整形電路的調(diào)測圖1-5放大整形電路用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個正弦波形，輸入放大整形電路，用示波器來觀察待測信號經(jīng)放大整形電路后波形的前后變化，結果如圖4-4，1表示整形后的波形，2表示整形前的。圖1-6待測信號放大整形前后的波形圖二、控制電路的設計與調(diào)測2.1控制電路設計通過分析我們知道控制電路這部分是本實驗的最為關鍵和難搞的模塊。其中控制模塊里面又有幾個小的模塊，通過控制選擇所要測量的東西。比如頻率，周期，脈寬。同時控制電路還要產(chǎn)生74160的清零信號，74ls373的鎖存信號。圖2-1 控制電路 邏輯控制電路詳細的電路如圖2-1所示。圖2-2是測試被測信號頻率時的計數(shù)器

23、cp信號波形、pt端輸入波形、clr段清零信號波形、74ls373鎖存端波形圖。其中第一個波形是被測信號的波形圖、第二個是pt端輸入信號的波形圖、第三個是計數(shù)器的清零信號。第四個是鎖存信號。pt是高電平的時候計數(shù)器開始工作。clr為低電平的時候，計數(shù)器清零。根據(jù)圖得知在計數(shù)之前對計數(shù)器進行了清零。根據(jù)74ls373（74ls373的管腳圖和功能表詳見附錄）的功能表可以知道，當鎖存信號為高電平的時候，74ls48不送數(shù)。如果不讓74ls373鎖存的話，那么計數(shù)器輸出的信號一直往數(shù)碼管里送。由于在計數(shù)，那么數(shù)碼管上面一直顯示數(shù)字，由于頻率大，那么會發(fā)現(xiàn)數(shù)字一直在閃動。那么通過鎖存信號可以實現(xiàn)計數(shù)的

24、時候讓數(shù)碼管不顯示，計完數(shù)后，讓數(shù)碼管顯示計數(shù)器計到的數(shù)字的功能。根據(jù)圖可以看到，當pt到達下降沿的時候，此時74ls373的g端的輸入信號也剛好到達下降沿。圖2-2 控制電路工作波形示意圖2.2 邏輯控制電路的調(diào)測圖2-3 邏輯控制電路調(diào)測連接圖控制電路的連接圖如圖2-3所示，其中兩個555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的作用一個是產(chǎn)生清零信號，另一個是產(chǎn)生鎖存信號。由調(diào)試波形可以知道電路設計是正確的。這部分是測量頻率的功能。測頻率的時候時基信號作為閘門信號。測試的結果如圖2-4所示其中1波形表示為清零信號，2波形表示鎖存信號，3波形表示閘門信號?？刂撇糠值墓ぷ髟恚寒斍辶阈盘栍?變?yōu)?時，此時計數(shù)器的清零工

25、作已經(jīng)完成。閘門開始打開，當閘門打開時，即閘門信號為高電平時，計數(shù)器開始計數(shù)我們所設計的閘門的高電平時間為1s，在此時間內(nèi)計數(shù)器計數(shù)被測信號的變化次數(shù)，所得結果便是被測信號的頻率。當計數(shù)器清零和計數(shù)時，鎖存器要鎖存，以免顯示時數(shù)字跳動，當計數(shù)器清零和計數(shù)完畢時，鎖存器再開始讀數(shù)。那么到此，整個控制電路部分實現(xiàn)的控制功能都已經(jīng)實現(xiàn)了。到這里，會發(fā)現(xiàn)控制電路整個設計過程的精華所在。把控制電路這部分完成，那么本次的課程設計最重要的部分完成，所以這次課程設計整體上也就基本完成了。圖2-4邏輯控制電路輸出波形圖三、顯示電路的控制與調(diào)測3.1顯示電路設計計數(shù)電路、鎖存電路和譯碼顯示電路詳細的電路如圖5-1

26、，顯示電路主要由計數(shù)器、譯碼器、鎖存器、檔位選擇開關組成。整體電路要接收三個信號一是被測信號的計cp信號波形、74ls160的clr段清零信號波、74ls373鎖存端信號波。 圖3-1 顯示電路3.2 計數(shù)電路和顯示電路的調(diào)測圖3-2 顯示電路調(diào)測連接圖計數(shù)電路：按照圖5-2所示連接好，將74160的pt端，clr端，ld端都接高電平，4個74ls160級聯(lián)，構成異步十進制計數(shù)器。，在調(diào)測的過程中，接好后，給最低位的74ls160一個cp信號。讓函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生一個頻率適當?shù)姆讲ā＿@樣，計數(shù)器就開始計數(shù)了。數(shù)碼管從00009999顯示。計數(shù)電路就這樣搞好了。在調(diào)測的過程中，74160的clr

27、端，ld端是用臨時的線連接。因為在后面這些端都是連接控制電路產(chǎn)生清零、鎖存信號的輸出端。顯示電路：如圖4-5所示接好顯示電路。將七段顯示器ck端接地。前面的管腳接寄存器的管腳，這樣，顯示電路也就搞好了。經(jīng)過模擬仿真，顯示電路工作正常。3.3 顯示單位轉換電路和小數(shù)點顯示電路設計在測量頻率的時候，由于分兩個顯示單位，那么在不同的單位的時候，小數(shù)點也要跟著顯示。比如測量頻率的單位需要顯示hz的時候，那么在顯示的時候四個數(shù)碼管的小數(shù)點不需要顯示，此時綠燈亮。測量頻率的單位需要顯示khz的時候，那么顯示的時候，四個數(shù)碼管第二個位的數(shù)碼管的小數(shù)點要顯示，也就是當顯示的數(shù)值以khz顯示時，后面有兩位小數(shù)以

28、保證測量值度，并且此時紅燈亮，表示單位是khz.圖3-3 單位轉換和小數(shù)點顯示電路圖3.4 報警電路設計報警電路是在最高位的十進制計數(shù)器74ls160的進位端加一個蜂鳴器或者是led燈，當有進位時蜂鳴器就會發(fā)出響聲，led燈會亮起來，以此提醒被測信號頻率超出量程。第三部分:數(shù)字電壓表設計數(shù)字電壓表是將被測模擬量轉換為數(shù)字量，并進行實時數(shù)字顯示的數(shù)字系統(tǒng)。方案一：采用單片機89c51作為系統(tǒng)的控制核心,以a/d轉換器adc0809作為主要部件，原理是模數(shù)（a/d）轉換芯片的基準電壓端，北側電壓輸出端分別輸入基準電壓和被測電壓。模數(shù)（a/d）轉換芯片將被測量電壓輸入端所采集到的模擬電壓信號轉換成相

29、應的數(shù)字信號，然后通過對單片機系統(tǒng)進行軟件編程，使單片機系統(tǒng)能按規(guī)定的時序來采集這些數(shù)字信號，通過一定的算法來計算出被測量電壓的值，最后單片機系統(tǒng)將計算好了的被測電壓按一定的是與送入顯示電路模塊加以顯示。單片機技術成熟、運算功能較強、編程靈活、設計成本也較低，能較準確地測量輸入電壓。但在單片機系統(tǒng)中必須使用許多分立元件組成其外圍電路，整個系統(tǒng)顯得十分復雜，可靠性較低，抗干擾能力差，而且功耗高。并且我們對單片機的學習還不是很多，還會用到編程。所以這種方法不是我們采用的。方案二：我們主要以集成芯片為主要器件。電路主要有mc14433 ad轉換器、mc1413七路達林頓驅動器陣列、cd4511 bc

30、d到七段鎖存-譯碼-驅動器、能隙基準電源mc1403和共陰極led發(fā)光數(shù)碼管組成。本系統(tǒng)是3位數(shù)字電壓表，3位是指十進制數(shù)00001999，所謂3位是指個位、十位、百位，其數(shù)字范圍均為09。而所謂半位是指千位數(shù)，它不能從0變化到9，而只能由0變到1，即二值狀態(tài)，所以成為半位。電路圖如下：各部件的功能如下：（1）3a/d轉換器：將輸入的模擬信號轉換成數(shù)字信號。（2） 基準電源：提供精密電壓，供a/d轉換器作參考電壓。（3） 譯碼器：將二-十進制（bcd）碼轉換成七段信號。（4） 驅動器：驅動顯示器的a,b,c,d,e,f,g七個發(fā)光段，推動發(fā)光數(shù)碼管（led）進行顯示。（5） 顯示器：將譯碼器輸

31、出的七段信號進行數(shù)字顯示，讀出a/d轉換結果。工作過程如下：3數(shù)字電壓表通過位選信號進行動態(tài)掃描顯示，由于mc14433電路的a/d轉換結果是采用bcd碼多路調(diào)制方法輸出，只要配上一塊譯碼器，就可以將轉換結果以數(shù)字方式實現(xiàn)四位數(shù)字的led發(fā)光數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示。輸出多路調(diào)制選通脈沖信號，選通脈沖為高電平，則表示對應的數(shù)位被選通，此時該位數(shù)據(jù)在端輸出。每個選通脈沖高電平寬度為18個時鐘脈沖周期，兩個相鄰選通脈沖之間間隔2個時鐘脈沖周期。和eoc的時序關系是在eoc脈沖結束后，緊接著是輸出正脈沖，以下依次為、和。其中對應最高位（msd），則對應最低位（lsd）。在對應、和選通期間，輸出bcd全位數(shù)

32、據(jù)，即以8421碼方式輸出對應的數(shù)字09。在選通期間，輸出千位的半位數(shù)0或1及過量程、欠量程和極性標志信號。在位選信號選通期間的輸出內(nèi)容如下：表示千位數(shù)， =“0”代表千位數(shù)的數(shù)字顯示為1， =“1”代表千位數(shù)的數(shù)字顯示為0。表示被測電壓的極性，的電平為“1”，表示極性為正，即0，的電平為“0”，表示極性為負，即0。顯示數(shù)的負號（負電壓）由mc1413中的一只晶體管控制，符號位的“-”陰極與千位數(shù)陰極接在一起，當輸入信號為負電壓時，端輸出置“0”，負號控制位使得驅動器不工作，通過限流電阻使顯示器的“-”（即g段）點亮；當輸入信號為正電壓時，端輸出置“1”，負號控制位使達林頓驅動器導通，電阻接地

33、，使“-”旁路而熄滅。小數(shù)點顯示是由正電源通過限流電阻供電燃亮小數(shù)點。若量程不同則選通對應的小數(shù)點。過量程是當輸入電壓超過量程范圍時，輸出過量程標志信號。當=“0”且=“1”時，表示處于過過量狀態(tài)。當=“1”且=“1”時，表示處于欠量程狀態(tài)。當=“0”時，| 1999，則溢出。|則輸出低電平。當=“1”時，表示|。平時為高電平，表示被測量在量程內(nèi)。mc14433的端與mc4511的消隱端直接相連，當超出量程范圍時，則輸出低電平，即=0=0，mc4511譯碼器輸出全0，使發(fā)光數(shù)碼管顯示數(shù)字熄滅，而負號和小數(shù)點依然發(fā)亮。（二）、單元電路設計與分析1、3a/d轉換器mc14413在數(shù)字儀表中，mc1

34、4413電路是一個低功率3位雙積分式a/d轉換器。mc14413電路總框圖如圖2所示。由圖2可知，mc14413a/d轉換器主要由模擬部分和數(shù)字部分組成。使用時只要外接兩個電阻和兩個電容就能執(zhí)行3位的a/d轉換器。圖2 mc14433電路總框圖（1） 模擬部分：圖3為mc14413內(nèi)部模擬電路的工作原理示意圖。其中共有3個運算放器，和10多個電子模擬開關，接成電壓跟隨器，以提高a/d轉換器的輸入阻抗，由于采用cmos電路，因此輸入阻抗可達100以上。和外接的、構成一個積分放大器，完成即電壓-時間的轉換。接成電壓比較器，主要功能是完成“0”電平檢出，由輸入電壓與零電壓進行比較，根據(jù)兩者的差值決定

35、輸出是“1”還是“0”。比較器的輸出用作內(nèi)部數(shù)字控制電路的一個判別信號。電容為自動調(diào)零失調(diào)補償電容。圖3 模擬電路工作原理示意圖（2）數(shù)字部分：包括圖2中除“模擬部分”以外的部分。其中四位十進制計數(shù)器為3位bcd碼計數(shù)器，對反積分時間進行計數(shù)（01999），并送到數(shù)據(jù)寄存器；數(shù)據(jù)寄存器為3位十進制代碼數(shù)據(jù)寄存器，在控制邏輯和實時取數(shù)信號（du）作用下，鎖定和存儲a/d轉換器結果；多路選擇開關，從高位到低位逐位輸出多路調(diào)制bcd碼，并輸出相應位的多路選擇脈沖標志信號；控制邏輯，這是a/d轉換的指揮中心，統(tǒng)一控制各部分電路的工作，它是根據(jù)比較器的輸出極性接通電子模擬開關，完成a/d轉換6個階段的開

36、關轉換和定時轉換信號，以及過量程等功能標志信號，在對基準電壓進行積分時，令4位計數(shù)器開始計數(shù)，完成a/d轉換；時鐘發(fā)生器，它通過外接電阻構成的反饋，并利用內(nèi)部電容形成振蕩，產(chǎn)生節(jié)拍時鐘脈沖，使電路統(tǒng)一動作，這是一種施密特觸發(fā)式正反饋多諧振蕩器，一般外接電阻為360時，振蕩頻率則為100，當外接電阻為470時，振蕩頻率則為66，當外接電阻為750時，振蕩頻率則為50。若采用外時鐘頻率，則不要外接電阻，外部時鐘頻率信號從clki（10腳）端輸出，時鐘脈沖cp信號可從clko（11腳）獲得；極性檢測，顯示輸入電壓的正負極性；過載指示（溢出），當輸入電壓超出量程范圍時，輸出過量程范圍時，輸出過量程標志

37、。mc14413a/d轉換器是雙斜積分，采用電壓-時間間隔（）方式，通過先后對被測電壓模擬量和基準電壓的兩次積分，將輸入的被測電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔，用計數(shù)器測出這個時間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)目，即可得到被測電壓的數(shù)字值。雙積分過程可以由下面的式子表示：=- =- （圖1）=- =- （圖2）因=，故有 = （圖3）式中， =4000。是定時間，為變時間，由確定斜率，若用時鐘脈沖數(shù)來表示時間，則被測電壓就轉換成了相應的脈沖數(shù)，實現(xiàn)了a/d轉換。積分電阻電容的選擇應根據(jù)實際條件而定，若時鐘頻率為66，一般取0.1uf,的選取與量程有關，量程為2v時，取=470；量程為200mv時，取=27

38、。選取和的計算公式如下：=（圖4）式中，為積分電容上充電電壓幅度，=0.5v例如，假定=0.1uf， =5v, =66。當=2v時，代入（圖4）式可得=480，取=470。3a/d轉換器設計了自動調(diào)零線路，其中緩沖器和積分器采用模擬調(diào)零方式，而比較器采用數(shù)字調(diào)零方式。在自動調(diào)零時，把緩沖器和積分器的失調(diào)電壓存放在一個失調(diào)補償電容上，而比較器的失調(diào)電壓用數(shù)字形式存放在內(nèi)部的寄存器中，a/d轉換系統(tǒng)自動扣除電容上和寄存器中的失調(diào)電壓，就可得到精確的轉換結果。a/d轉換器周期約需16000個時鐘脈沖數(shù)，若時鐘頻率為48，則每秒可轉換3次，若時鐘頻率為86，則每秒可轉換4次。mc14413采用24引線

39、雙列直插式封裝，外引線排列如圖4所示，各引腳端功能說明如下：1端：，模擬地，是高阻輸入端，作為輸入被測電壓和基準電壓的參考點地。2端：，基準電壓端，是外接基準電壓輸入端，若此端加一個大于5個時鐘周期的負脈沖（電平），則系統(tǒng)復位到轉換周期的起點。3端：，是被測電壓輸入端。 4端：，外接積分點阻端。 圖4 mc14433頂視圖 5端： /，外接積分元件電阻和電容的接點。6端：，外接積分電容端，積分波形由該端輸出。7和8端：和，外接失調(diào)補償電容端，推薦該兩端外接失調(diào)補償電容取0.1uf。9端：，實時輸出控制端，主要控制轉換結果的輸出，若在比積分放電周期即階段5開始前，在端輸入一正脈沖，則該輸出端繼續(xù)

40、輸出鎖存器中原來的轉換結果，若該端通過一電阻和eoc短接，則每次轉換的結果都將被輸出。10端：clki，時鐘信號輸入端。11端：clko，時鐘信號輸出端。12端：，負電源端，是整個電路的電源最負端，主要作為模擬電路部分的負電源，該端典型約為0.8ma，所有輸出驅動電路的電流不流過該端，而是流向端。13端：，負電源端。14端：eoc，轉換周期結束標志輸出端，每一a/d轉換周期結束，eoc端輸出一正脈沖，其脈沖寬度為時鐘信號周期的1/2。15端：，過量程標志輸出端，當|時，輸出低電平，正常量程內(nèi)為高電平。1619端：對應為，分別是多路調(diào)制選通脈沖信號個位、十位、百位和千位輸出端。當端輸出高電平時，

41、表示此刻輸出的bcd碼代碼是該對應位上的數(shù)據(jù)。2023端：對應為，分別是a/d轉換結果數(shù)據(jù)輸出bcd代碼的最低位（lsb）、次低位、次高位和最高位輸出端。24端：，整個電路的正電源端。 2.七段鎖存-譯碼-驅動器cd4511cd4511是專用于將二-十進制代碼（bcd）轉換成七段顯示信號的專用標準譯碼器，它由四位閂鎖、七段譯碼電路和驅動器三部分組成，如圖5所示。四位閂鎖七段譯碼驅動器abcdefg七段輸出bcd輸入圖5 cd4511功能圖（1） 四位閂鎖（latch）:它的功能是將輸入的a、b、c和d代碼寄存起來，該電路具有鎖存功能，在鎖存允許端le端（即latch enable）控制下起閂鎖

42、電路的作用。 當le=“1”時，閂鎖器處于鎖存狀態(tài)，四位閂鎖封鎖輸入，此時它的輸出為前一次le=“0”時輸入的bcd碼； 當le=“0”時，閂鎖器處于選通狀態(tài)，輸出即為輸入的代碼。 由此可見，利用le端的控制作用可以將某一時刻的輸入bcd代碼寄存下來，使輸出不再隨輸入變化。（2） 七段譯碼電路：將來自四位閂鎖輸出的bcd代碼譯成七段顯示碼輸出，mc4511中的七段譯碼器有兩個控制端： （lamptest）燈測試端。當=“0”時， 七段譯碼器輸出全“1”，發(fā)光數(shù)碼管各段全亮顯示；當=“1”時，譯碼器輸出狀態(tài)由端控制。 （blanking）消隱端。當=“0”時，控制譯碼器為全“0”輸出，發(fā)光數(shù)碼管

43、各段熄滅。=“1”時，譯碼器正常輸出，發(fā)光數(shù)碼管正常顯示。上述兩個控制配合使用，可使譯碼器完成顯示上的一些特殊功能。 （3）驅動器：利用內(nèi)部設置的npn管構成的射極輸出器，加強驅動能力，使譯碼器輸出驅動電流可達20ma。 cd4511電源電壓的范圍為5v15v。它可與nmos電路或ttl電路兼容工作。圖 6 cd4511頂視圖 cd4511采用16引線雙列直插式封裝（見圖6）。其真值表1。 使用 cd4511時應注意輸出端不允許短路，應用時電路輸出端外接限流電阻。表 1輸入輸出lebiltdcbaabcdefg顯示xx0xxxx11111118x01xxxx0000000暗0110000111

44、1111001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000暗01110110000000暗01111000000000暗01111010000000暗01111100000000暗01111110000000暗111xxxx取決于原來le=0時的bcd碼3.七路達林頓驅動器陣列mc1413 mc1413采用npn達林頓復合晶體管的結構，因此具有很高

45、的電流增益和很高的輸入阻抗，可直接接受mos或cmos集成電路的信號，并把電壓信號轉換成足夠大的電流信號驅動各種負載。該電路內(nèi)含有7個集電極開路反相器（也稱oc門）。 mc1413電路結構和引腳如圖7所示，它采用16引腳的雙列直插式封裝。每一驅動器輸出端均接有一釋放電感負載能量的抑制二極管。圖7 mc1413引腳和電路結構圖 4.高精度低漂移能隙基準電源 mc1403 mc1403的輸出電壓的溫度系數(shù)為零，即輸出電壓與溫度無關。該電路的特點是：溫度系數(shù)??；噪聲小；輸入電壓范圍大，穩(wěn)定性能好，當輸入電壓從+4.5v變化到+15v時，輸出電壓值變化量3mv；輸出電壓值準確度較高，值在2.4752.

46、525v以內(nèi)；壓差小，適用于低壓電源；負載能力小，該電源最大輸出電流為10ma，mc1403用8條引線雙列直插標準封裝，如圖8所示。圖8 mc1403頂視圖三、系統(tǒng)綜述二、 整體電路圖結束語 此電路基本可以完成任務要求的各個功能，具有電壓頻率數(shù)字顯示，電壓幅度可調(diào)的功能。能夠產(chǎn)生比較穩(wěn)定、失真度較小的低頻正弦信號，頻率和幅值都能較好的滿足題目的要求。并且能夠較準確的測出輸出波形的頻率以及幅值。盡管如此，此電路也存在許多問題。存在的具體問題有：正弦信號的產(chǎn)生芯片max038優(yōu)點很多，但是價格較高，要是可以找到具備它的優(yōu)點又能節(jié)約成本的方式產(chǎn)生低頻正弦信號的話那就更好了。還有頻率調(diào)節(jié)，由于rc振蕩的選頻回路的要求，兩個r和兩個c必須相同，這個調(diào)節(jié)帶來了不便。頻率選擇的檔位不是很方便，不能很