實用信號源的設(shè)計和制作(畢業(yè)論文)

1、實用信號源的設(shè)計和制作（綜合課程設(shè)計報告）目錄一、實驗要求31.任務(wù)：32.技術(shù)指標：33.要求：34.主要參考元件：3二、方案設(shè)計與論證3【總體方案設(shè)計】3【可行性分析】31.信號發(fā)生芯片選取32.頻率調(diào)節(jié)與方波占空比調(diào)節(jié)33.測頻與數(shù)碼管顯示3三、理論分析與計算31)icl8038外圍電路電阻電容選取32）lm318運算放大部分33）ne555時基電路34）cd4026時序分析3四、測試方法、數(shù)據(jù)及現(xiàn)象3五、問題分析及解決3六、實驗總結(jié)3一、 實驗要求1. 任務(wù)：在給定15v電源電壓條件下, 設(shè)計并制作一個信號源。2. 技術(shù)指標：【要求1】： (1) 正弦波信號源（20hz10khz）a、

2、信號頻率：20hz10khz連續(xù)可調(diào)；b、頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于10c、非線性失真系數(shù)：3%； (2) 脈沖波信號源（20hz10khz）a、信號頻率：20hz10khz連續(xù)可調(diào)，b、上升和下降時間：1us；c、平頂斜降： 5%。d、脈沖占空比：2%到98%連續(xù)可調(diào)。 (3) 上述兩個信號源公共要求a、頻率可預(yù)置，b、在負載為600w時，輸出幅度為3v，c、完成5位頻率的數(shù)字顯示d、在信號頻率：20hz10khz連續(xù)可調(diào)時，占空比不變，波形對稱不失真。【要求2】1) 正弦波和脈沖波頻率可連續(xù)調(diào)整。2) 正弦波和脈沖波幅度可調(diào)整，調(diào)整范圍可分為3檔，（100mv1v， 1v2v, 2v3v），在負載為

3、600w時。（峰-峰值6v）3) 降低正弦波非線性失真系數(shù)。3. 要求：設(shè)計與總結(jié)報告：有方案設(shè)計與論證，理論分析與計算，完整的電路原理圖，測試方法與數(shù)據(jù)，結(jié)果分析。要有特色與創(chuàng)新。4. 主要參考元件：icl8038, cd4026, ne556或ne555, cd4001或cd4004,lf356 或lm318,等注：1不采用單片機控制， 2請不要選用icm7216芯片二、 方案設(shè)計與論證【總體方案設(shè)計】實用信號源電路運放電路時鐘觸發(fā)電路頻率顯示電路實用信號源框圖如右，實用信號源電路采用icl8038芯片產(chǎn)生正弦波和脈沖波，并實現(xiàn)占空比可調(diào)、頻率可調(diào)、信號頻率預(yù)置；運放電路采用lm318芯片

4、，實現(xiàn)波形幅度可調(diào)；時鐘觸發(fā)電路采用ne555和cd4001芯片，以接收信號，并為頻率顯示電路中的計數(shù)器提供時鐘信號；頻率顯示電路包括cd4026計數(shù)器芯片和數(shù)碼管，用以對信號頻率計數(shù)并顯示?！究尚行苑治觥?.信號發(fā)生芯片選取icl8038為精密函數(shù)信號發(fā)生芯片，帶寬調(diào)節(jié)可達0.001hz到300khz，正弦波輸出失真低于1%，三角波線性失真低于0.1%，方波輸出ttl電平到28v，上升時間180ns，下降時間40ns，足以滿足本次實驗的任務(wù)和技術(shù)指標。2.頻率調(diào)節(jié)與方波占空比調(diào)節(jié)1）僅使用icl8038芯片，并通過簡單的外圍電路同時實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)與方波占空比調(diào)節(jié)兩個功能。典型電路有下面兩類：圖

5、一頻率與占空比調(diào)節(jié)如圖一電路，ra和rb兩電阻的阻值，由下面兩公式可確定輸出波形的上升時間t1和下降時間t2，從而決定周期t=t1+t2，占空比為t1:(t1+t2)。但此電路或其修改的派生電路存在占空比調(diào)節(jié)時頻率受影響，且頻率調(diào)節(jié)范圍不足，需要切換電阻和電容，不能滿足頻率連續(xù)調(diào)節(jié)的要求，所以不可取。公式： 2）圖二可變音頻振蕩器，20hz到20khz如圖二電路，為掃頻電路改進的音頻振蕩器，1n457引入的壓降可以增大頻率調(diào)節(jié)范圍，但實際實驗中為了減少器件未加入1n457亦可達到要求。該電路可以產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率控制，但如果想同時實現(xiàn)占空比的調(diào)節(jié)，需要在5腳和4腳上使用較大的可變電阻，而固定電阻的

6、值作為限流保護可適可而止就好。從理論上看本方案除了調(diào)節(jié)占空比的時候頻率會受到一定的擾動，而且正弦波也會在調(diào)節(jié)方波占空比時發(fā)生失真這兩點，其他方面都沒有問題。從電路的簡潔上看，是可行的。但通過實驗測試，由于上述所提到的在占空比調(diào)節(jié)過程中5腳和4腳分配電流發(fā)生變化，使輸出頻率受到影響，最終在某些頻段占空比并不能實現(xiàn)理想調(diào)節(jié)，滿足不了2%到98%連續(xù)可調(diào)的要求，所以將模塊功能分開設(shè)計：icl8038負責(zé)占空比為50%的波形產(chǎn)生，力求使失真達到最??；而將方波占空比的調(diào)節(jié)交給比較器lm318完成，如圖三，電源用5v電壓足矣，其余的電阻阻值在實驗過程中可修改使其達到理想的放大效果。圖三 lm318產(chǎn)生占空

7、比可調(diào)的方波3.測頻與數(shù)碼管顯示由于數(shù)碼管顯示精度為1hz，所以測頻時采用等精度算法，在1s鐘內(nèi)計數(shù)，計數(shù)值就是信號的頻率值。定時器選取ne555，輸出通過反相器產(chǎn)生1s的低電平。計數(shù)器使用cd4026，輸出即使7段數(shù)碼管顯示值。三、 理論分析與計算1) icl8038外圍電路電阻電容選取電路圖【占空比調(diào)節(jié)】芯片使用15v供電，掃頻電壓通過滑動變阻器r8可為8腳提供5v15v的控制電壓，電阻r4、r5分別為2k，滑動變阻器r2為100k用于調(diào)節(jié)占空比，由下述公式：占空比=（r5+r2左）-（r4+r2右）/2（r5+r2左）【正弦波失真度調(diào)節(jié)】1,2腳連接r1，r12的100k歐滑動變阻器和各

8、自10k歐電阻構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)可用于調(diào)節(jié)正弦波失真度?！绢l率調(diào)節(jié)】 由手冊公式可知大體的電容選取f=200hz對應(yīng)473f=2khz對應(yīng)472f=10khz對應(yīng)471（由于實驗過程中未能找到471，可用681亦能很方便地調(diào)節(jié)到10khz）2）lm318運算放大部分兩個電容，104和105 為防止自激干擾去交流所用。3）ne555時基電路ne555的3腳輸出占空比，即跳動的高低電平控制計數(shù)。根據(jù)手冊提供的公式：t1=0.683*(ra+rb)*ct2=0.683*rb*cf=1.443/(ra+2rb)*c)由6、7腳間和7、8腳間電阻阻值決定，由于后者阻值相對2m電位器可以忽略，t1=t2=0.

9、683*r*c，f=1.443/(2*r*c)，經(jīng)計算可得知當f大致取0.5hz時，c取值為約為1uf。由于是使用電位器，阻值可調(diào)所以電容取1uf數(shù)量級的電容都可以的。在實現(xiàn)計數(shù)和清零的功能后，手動調(diào)整電位器，使其輸出的頻率值能和示波器上的頻率值對應(yīng)，而且一段時間內(nèi)穩(wěn)定不變。即讓其在1s計數(shù)。4）cd4026時序分析電路圖： 30（在數(shù)碼管的接地端加電阻，目的是限流，防止led溫度升高時導(dǎo)致的電流增加而發(fā)生過流，那樣有可能燒毀led本身或是芯片甚至電源。）時序圖如下：易知count(2腳)輸入的上升沿計數(shù)器計數(shù)，carry out（5腳）為十進制進位輸出用于級聯(lián)，reset（15腳）為高電平時

10、芯片計數(shù)復(fù)位，display enable（3腳）為高電平時將輸出顯示信號電平，clock innibit為高時計數(shù)將暫停。使用時將display enable拉高，clock innibit拉低，count(2腳)接輸入信號。reset（15腳）和鎖存器的觸發(fā)端相連，兩者連接ne555輸出經(jīng)過反相器后的信號，在1s計數(shù)復(fù)位信號到達，此時進行復(fù)位，并將輸出鎖存，刷新七段數(shù)碼管。四、 測試方法、數(shù)據(jù)及現(xiàn)象（1）正弦波信號a、更換電容檔位，分別由電容474、472、681，調(diào)節(jié)8038的8腳電位器達到20hz、500hz、10khz三個頻率b、頻率穩(wěn)定度基本符合要求c、通過調(diào)節(jié)8038的1腳和12

11、腳可使其非線性失真系數(shù)符合要求d、頻率調(diào)節(jié)時波形對稱基本保持不變（2）脈沖波信號a、更換電容檔位，分別由電容474、472、681，調(diào)節(jié)8038的8腳電位器達到20hz、500hz、10khz三個頻率b、頻率穩(wěn)定度基本符合要求c、占空比可通過8038的4、5腳之間的電位器在2%-98%之間連續(xù)可調(diào)d、平頂斜率符合要求（3）放大電路a、在負載為600時，調(diào)節(jié)放大電路的10k電位器，使正弦波和脈沖波輸出幅度可在100mv3v之間連續(xù)可調(diào)b、頻率以及占空比同8038的信號輸出（4）顯示電路a、調(diào)節(jié)ne555的2m電位器，可使得顯示頻率與示波器一致b、改變頻率，數(shù)碼管顯示穩(wěn)定且基本仍與示波器一致。實驗

12、現(xiàn)象脈沖波20hz 峰峰值200mv20hz 峰峰值6v1khz 峰峰值6v1khz 峰峰值200mv10khz 峰峰值200mv10khz 峰峰值6v正弦波20hz 峰峰值200mv20hz 峰峰值6v1khz 峰峰值200mv1khz 峰峰值6v10khz 峰峰值200mv10khz 峰峰值6v五、 問題分析及解決1. 問題：icl8038輸出無波形?，F(xiàn)象：波形顯示為恒定直流值故障分析：頻率、占空比或失真度調(diào)節(jié)的某一電位器過偏。解決方法：先反復(fù)檢查電路是否連接正確，確定電路連接無誤后，將各電位器移至大體中間位置，使得頻率、占空比、失真度的調(diào)節(jié)均在可見可調(diào)范圍內(nèi)，先將示波器連接至icl803

13、8的9腳，調(diào)節(jié)8腳的電位器，當看到示波器顯示的波形有跳動而不是一條直線時，再配合調(diào)節(jié)4、5腳之間的電位計調(diào)節(jié)占空比，當方波的波形基本成型后示波器接到icl8038的2腳查看正弦波，調(diào)節(jié)icl8038的1腳和12腳的電位器使波形失真度達到誤差范圍內(nèi)。2.問題：運放輸出波形自激嚴重?，F(xiàn)象：輸出波形時正弦波波峰有毛刺故障分析：信號經(jīng)過放大產(chǎn)生自激現(xiàn)象，需通過選擇合適的電容進行濾波，才可得到平整連續(xù)的波形，消除自激現(xiàn)象。解決方法：調(diào)整lm3184腳和4、7腳之間的電容，在保證正弦波不失真的前提下盡量減小自激的毛刺。調(diào)整后為105和2.2f。.問題：波形不穩(wěn)定現(xiàn)象：輸出的波形會隨著數(shù)碼管的閃爍抖動故障分

14、析：各模塊之間沒有共源解決方法：首先要將各芯片接地端都連接到一起，其次要注意將cd4026的腳直接接共地端，不能先串聯(lián)電阻再接地，這樣共地就沒有意義，波形仍舊會抖動。4.問題：cd4001輸出無波形現(xiàn)象：示波器檢測到cd4001的3腳為恒定的5v直流輸出。故障分析：6、7腳之間的電容太大，導(dǎo)致如何調(diào)整電位計也無法使周期變小，在示波器上看不到現(xiàn)象。解決方法：將cd4001的6、7腳之間的電容換為1f的105，將示波器的掃描頻率調(diào)整為500ms，觀察光點的跳動，先粗調(diào)至接近1s，之后當整個電路調(diào)配完畢后根據(jù)數(shù)碼管的顯示調(diào)整ne556的1、2腳的之間的電位計。5.問題：數(shù)碼管不計數(shù)?，F(xiàn)象：數(shù)碼管會閃

15、爍，但是一直為00000.故障分析： cd4026的1腳輸入電壓不足，導(dǎo)致其無法識別信號。解決方法：之前第一模塊測試時提供5v電壓即可出現(xiàn)，但5v和10v下，cd4026的1腳輸入電壓不足，使得數(shù)碼管無法計數(shù)，于是加大第一模塊的供電電壓。因為icl8038的安全電壓為5v15v，所以將第二部分的電壓控制在10v15v之間。6.問題：數(shù)碼管顯示亮度?，F(xiàn)象：數(shù)碼管上的數(shù)字顯示有時幾乎看不到，有時又會太亮故障分析：在數(shù)碼管的接地端加的分壓電阻選擇不當，電阻太小，數(shù)碼管可能因過流而燒壞；電阻太大，數(shù)碼管顯示又不夠亮。解決方法：在保證數(shù)碼管能可靠導(dǎo)通的情況下加一適當?shù)南蘖麟娮?。而且不?個數(shù)碼管只串聯(lián)一

16、個電阻，這樣有燒毀數(shù)碼管的危險，應(yīng)該每個數(shù)碼管分別串接一個電阻。7.問題：頻率顯示與示波器不符。現(xiàn)象：示波器上頻率的顯示與數(shù)碼管顯示的不符。故障分析：ne555控制的時鐘不準確。當波形幅度特別小時，或者頻率極高或極低時，示波器上的頻率顯示也會不準確。解決方法：首先調(diào)節(jié)lm318的腳處的電位計，使其處在中間的位置，再調(diào)節(jié)icl8038的8腳，將頻率調(diào)節(jié)到一個的范圍，當頻率比較高時，再調(diào)節(jié)ne555的6,7腳間的2m電位器，使得顯示的頻率剛好停在與示波器頻率相同的位置，此時大致ne555時鐘則為1s。在高頻率時調(diào)節(jié)結(jié)果會比較精確，因為在低頻率時即使計數(shù)不太準確也不會影響頻率的精確顯示，但是高頻時對

17、時鐘的要求則極高。在調(diào)節(jié)數(shù)碼管示數(shù)時，應(yīng)先將電位計調(diào)制一端，連接都查看數(shù)碼管顯示的示數(shù)，然后將電位計另一段接入電路中，得到另一示數(shù)，這是如果示波器上顯示的頻率示數(shù)在兩次數(shù)碼管顯示的示數(shù)之間，則調(diào)節(jié)電位計即可得到結(jié)果，如果不在兩次數(shù)碼管顯示的示數(shù)之間，則要根據(jù)實際的顯示串聯(lián)電阻或調(diào)整電容值。六、 實驗總結(jié)轉(zhuǎn)眼間就到了大四，在大四開學(xué)前這個綜合課程設(shè)計也便成為了我們大三結(jié)束前的最后一門課程。因為老師說這次實驗時間緊張，所以當題目發(fā)下來時，我就開始按照老師的要求在網(wǎng)上查找相關(guān)芯片的資料以及信號源的相關(guān)設(shè)計。但是我在網(wǎng)上看了好久，還是沒有一點頭緒，之前實驗最多只用到過2片不同的芯片，而這次要使用5種不

18、同的芯片，而各個芯片應(yīng)該完成什么功能我也是一頭霧水。這時我在網(wǎng)上找到了學(xué)長做過的實驗報告，看過之后瞬間感覺思路清晰了好多，對電路各部分的功能有了大概了了解，知道信號是如何產(chǎn)生的，以及如何測量輸出信號的頻率。經(jīng)過兩天的設(shè)計后，我們拿著自己的設(shè)計圖領(lǐng)取了元件并詳細記錄了老師對電路圖不足之處的補充和完善。我做實驗的情緒特別高漲，當天晚上就完成了兩個部分的電路的搭建，但是當?shù)诙烊嶒炇視r，經(jīng)過老師的提醒我才發(fā)現(xiàn)我的布局極其的不合理。因為之前沒有搭建過這么復(fù)雜的電路圖，所以我的芯片擺放的很稀疏，4個芯片就用掉了兩塊面包板，而剩下的一塊面包板上是絕對不可能放下5塊cd4026和5個數(shù)碼管的。所以我只能將

19、前一天晚上辛苦搭建的電路板拆除，重新開始布局。這一次我先將所有的芯片在三塊面包板上擺放好，然后才開始搭建電路。因為之前已經(jīng)搭建過一次，所以這次我可以很熟練的搭電路。我很快將第一模塊，即ne555和cd4001的相關(guān)電路搭建完成。但是當測試電路時我遇到了問題，無論我怎樣的調(diào)節(jié)電位計，就是無法在示波器上顯示出跳變的方波。當我調(diào)整示波器的顯示幅值時，我發(fā)現(xiàn)我的電路也會產(chǎn)生脈沖，但是幅度很小，只有500mv，我嘗試更換了電路中的電阻電容，但是還是沒有改變幅值。直到當天下午我才發(fā)現(xiàn)，我的示波器接線手柄上不知何時被我調(diào)成了10倍衰減的顯示，其實我的電路與輸出一直都是正確的。完成第一模塊的調(diào)試后，我開始了icl8038及其周邊電路的搭建，8038的調(diào)試十分順利，9腳的方波和2腳的正弦波都很容易就調(diào)試出來了。下一步是cd4026和數(shù)碼管搭建和調(diào)試，當完成搭建后，我先將顯示模塊和第一個模塊連接起來，看到數(shù)碼管會根據(jù)4001輸出的脈沖閃爍和清零置