實用信號源的設(shè)計和制作

1、 北京郵電大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)綜合課程設(shè)計實驗報告課題：實用信號源的設(shè)計與制作姓名： 學(xué)號：班級：學(xué)院： 一、 實驗要求1任務(wù)在給定5V電源電壓條件下，設(shè)計并制作一個正弦波信號源。2技術(shù)指標(biāo)：（1）正弦波信號源a、信號頻率：20HZ20KHZ連續(xù)可調(diào)；b、頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于10-4；c、非線性失真系數(shù)：3%，降低正弦波非線性失真系數(shù)，至少肉眼看不出來；d、正弦波幅度連續(xù)可調(diào)整，調(diào)整范圍峰峰值為100mV2V。（2）脈沖波信號源a、信號頻率：20HZ20KHZ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)；e、脈沖波幅度連續(xù)可調(diào)整，調(diào)整范圍峰

2、峰值為100mV2V。（3）上述兩個信號源公共要求a、在負(fù)載為600W時，輸出幅度為2V；b、完成5位頻率的數(shù)字顯示2要求設(shè)計與總結(jié)報告：方案設(shè)計與論證，理論分析與計算，電路圖，信號控制波形圖，測試方法與數(shù)據(jù)，結(jié)果分析。主要參考元件：函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038，CD4026，NE556，CD4001， LM318。注：不采用單片機控制。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，實現(xiàn)波形幅度可調(diào)。時鐘觸發(fā)電路采用

3、NE556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)生芯片電路選取ICL8038為精密函數(shù)信號發(fā)生芯片，帶寬調(diào)節(jié)可達(dá)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(biāo)。2頻率調(diào)節(jié)與方波占空比調(diào)節(jié)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：圖一 頻率與占空比調(diào)節(jié)如圖一電路，RA和R

4、B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：圖二 可變音頻振蕩器，20Hz到20kHz如圖二電路，為掃頻電路改進(jìn)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(dá)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，而固定電阻的值作為限流保護(hù)可適可而止就好。從理論上看本

5、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。3幅度調(diào)節(jié)圖三 LM318產(chǎn)生幅度可調(diào)的波形如圖三所示，將信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形通過LM318運放進(jìn)行放大輸出，可變電阻可調(diào)節(jié)幅度大小，使峰峰值滿足100mV2V要求。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(dá)到理想的放大效果。4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NE556，輸出產(chǎn)生1s跳變電平接入CD4026的清零端，并通過反相器產(chǎn)生1s的跳變電平接入C

6、D4026的計數(shù)控制端。計數(shù)器使用CD4026，輸出即使7段數(shù)碼管顯示計數(shù)值。三、理論分析與計算1ICL8038外圍電路電阻電容選取圖四 信號發(fā)生器電路【占空比調(diào)節(jié)】芯片使用5V供電，掃頻電壓通過滑動變阻器R8可為8腳提供的控制電壓，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腳與12腳連接的R1，R12的100k歐滑動變阻器和各自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)】8腳連接的滑動變阻器R8用于調(diào)節(jié)頻率大小，但由于在調(diào)節(jié)頻率過程中占空比會緩慢發(fā)生變化，

7、故其調(diào)節(jié)的頻率有一定范圍，若需要覆蓋20Hz20kHz全頻率調(diào)節(jié)，需更換10腳電容，以調(diào)節(jié)檔位。 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=20kHz對應(yīng)471（由于實驗過程中未能找到471，可用與471相近的電容亦能很方便地調(diào)節(jié)到20kHZ）2LM318運算放大部分圖五 LM318運算放大電路【幅度調(diào)節(jié)】可變電阻可調(diào)節(jié)幅值，需使幅值滿足100mV2V要求，若無法達(dá)到最大或最小值，可更換電阻以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。電容104和105 用于防止自激干擾去交流。3NE556時基電路圖六 NE556管腳示意圖NE556由兩個時基集成電路NE555構(gòu)成，可產(chǎn)生特定頻率的振蕩

8、電平。圖七 CD4001引腳圖CD4001由四個2輸入或非門構(gòu)成，可用作反相器。將信號接到兩個輸入端，就可以在輸出端得到相反的信號VDD 為正電源，VSS 為地，AH為數(shù)據(jù)輸入端，J、K、L、M 為相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端。圖八 時基電路NE556的5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)頻率F由1、2腳間和1、14腳間電阻值決定，由于后者阻值相對2M電位器可以忽略，則T1=T2=0.683*R*C，F(xiàn)=1.443/(2*R*C)，經(jīng)計算可得知當(dāng)F大致取0.5Hz時，C取值為約為1

9、uF。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。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)。4CD4026時序分析圖九 CD4026數(shù)碼管顯示電路圖 30圖十 數(shù)碼管管腳示意圖在數(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。圖十一 CD4026時序圖易知Count（2腳）輸入的上升沿計數(shù)器計數(shù)，Carry Out（5腳）為十進(jìn)制進(jìn)位輸出用于級聯(lián)，reset（15腳）為高電平時芯片計數(shù)復(fù)位，Display Enable（

10、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NE556輸出經(jīng)過反相器后的信號，在1s計數(shù)復(fù)位信號到達(dá)，此時進(jìn)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脈沖波信號1）調(diào)節(jié)8038的4、5腳間電位器使占空比在2%-98%之間連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)占空比為50%；2）更換電容檔位，分別由電容473、472、271，調(diào)節(jié)8038的8腳電位器達(dá)到20Hz、200Hz、2kHz、20kHz四個頻率；3）頻

11、率穩(wěn)定度基本符合要求；4）上升與下降時間滿足要求；5）平頂斜率符合要求。2正弦波信號1）通過調(diào)節(jié)8038的1腳和12腳可使其非線性失真系數(shù)符合要求；2）更換電容檔位，分別由電容473、472、271，調(diào)節(jié)8038的8腳電位器達(dá)到20Hz、200Hz、2kHz、20kHz四個頻率；3）頻率穩(wěn)定度基本符合要求；4）頻率調(diào)節(jié)時波形對稱基本保持不變。3放大電路1）在負(fù)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100mv2v之間連續(xù)可調(diào)；2）頻率以及占空比同8038的信號輸出。4顯示電路1）調(diào)節(jié)NE556的2M電位器，使數(shù)碼管顯示頻率與示波器一致；2）改變頻率，數(shù)碼管顯示穩(wěn)定

12、且基本仍與示波器一致。五、問題分析及解決1 ICL8038輸出無波形現(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ICL8038的9腳，調(diào)節(jié)8腳的電位器，當(dāng)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(dāng)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(dá)到誤差范圍內(nèi)。2運放輸出波形自激嚴(yán)重現(xiàn)象：輸出波形時正弦波

13、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(jìn)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LM318的4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104。3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 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

14、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(dāng)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數(shù)碼管不計數(shù)現(xiàn)象：數(shù)碼管會閃爍，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：將ICL8038的9腳與CD4026的一腳間接入一合適大小的電容或接入一反相器，在辦證波形不失真的前提下，可接入電容681。6數(shù)碼管顯示亮度現(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

15、阻選擇不當(dāng)，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(dāng)?shù)南蘖麟娮瑁也荒?個數(shù)碼管只串聯(lián)一個電阻，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(zhǔn)確，當(dāng)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(zhǔn)確。解決方法：首先調(diào)節(jié)LM318的2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10kHz20kHz的范圍，當(dāng)頻率比較高時，再調(diào)節(jié)NE556的6與7腳間的2M電位器，使得

16、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(zhǔn)確也不會影響頻率的精確顯示，但是高頻時對時鐘的要求則極高。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)眼間大三就結(jié)束了，在大三結(jié)束前這個綜合課程設(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早做完就早結(jié)束，所以

17、當(dāng)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，之前實驗很少使用這么多芯片搭建電路，而且電路圖已經(jīng)給我們了。而這次要使用5種不同的芯片，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)過幾天的查找資料與分析后，我們向老師領(lǐng)取了元件，并向老師提出了一些不懂的問題，老師為我們排疑解惑，使我們豁然開朗。我按照設(shè)計圖開始搭建電路，首先我開始進(jìn)行布局，由于只有4塊電路板，我必須認(rèn)真

18、布局以節(jié)省空間，防止造成無空間使用的局面。我打算在第一快面包板上搭建信號發(fā)生與放大電路，第二塊搭建時基電路，第三塊插上CD4026，第四塊則插上數(shù)碼管。由于我較好的布局，并沒有造成空間不足的局面。很快我就把第一個模塊就搭建好了，但接上示波器發(fā)現(xiàn)沒有波形。這在我的料想之中，于是我打算把所有的電路搭完再來測試。在搭建數(shù)碼管顯示電路時，由于要連接的線路太多，而面包板只有這么大的地方，這給我造成了不小的困擾。為了減少跨線，在仔細(xì)認(rèn)真布局之后，我用導(dǎo)線把電路終于搭建完了。這是，成就感油然而生。在仔細(xì)檢查電路沒有發(fā)現(xiàn)問題過后，我重新連接示波器，但讓我失望的是依然沒有波形。為了方便，我的電路中存在導(dǎo)線、電阻

19、、電容大量跨接的情況，這會造成干擾，而且在檢查電路時也不容易查找出錯誤。于是我修改了電路，將元件與導(dǎo)線的引腳剪短，電路馬上就變得美觀了。讓我受打擊的是，電路輸出依然沒有波形。我檢查了很多次電路，沒有發(fā)現(xiàn)錯誤，但偏偏就不出結(jié)果。在聽從了同學(xué)的建議后，我又重新搭建了一遍電路，由于之前搭建過一場，所以我非常熟練的搭完了。接上示波器，令我驚喜的波形出來了，雖然不是很完美，但也足夠讓我開心了。在調(diào)節(jié)占空比、頻率、失真度與幅度后我的波形變得更漂亮了，雖然仍然有一些小問題。接著我開始測試數(shù)碼模塊，但我的數(shù)碼管不亮，這令我非常煩惱。別人連接好電路后即使不計數(shù)也會亮，而我的根本沒反應(yīng)。在經(jīng)歷了長時間我折磨之后，我發(fā)現(xiàn)我的CD4026的管腳接錯了，我重新進(jìn)行連接，完成之后總算有了顯示，但不計數(shù)。在聽取同學(xué)的意見之后，我將線路進(jìn)行了小幅度的改動，我測試時基電路，發(fā)現(xiàn)波形是正確的，的確有跳變的電平，數(shù)碼管仍然不計數(shù)。在詢問了別人之后，我在CD4026前