簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)電路設(shè)計(jì)報(bào)告

1、湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱(chēng)：電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)電路設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：所在學(xué)院：信息科學(xué)與工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電信1102班學(xué)生學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：2013年06月28日電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)報(bào)告題目簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)電路設(shè)計(jì)完成時(shí)間2013.6.17至2013.6.28學(xué)生姓名專(zhuān)業(yè)班級(jí)指導(dǎo)教師職稱(chēng)講師總體設(shè)計(jì)要求和技術(shù)要點(diǎn)一、設(shè)計(jì)要求1.設(shè)計(jì)一個(gè)由集成運(yùn)算放大器和晶體管放大器組成的簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器，要求能產(chǎn)生方波、三角波、正弦波。2. 用小規(guī)模數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器，要求能對(duì)簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波、三角波、正弦波進(jìn)行計(jì)數(shù)。3.每小組應(yīng)同時(shí)完成1、2兩部分電路。設(shè)計(jì)的

2、信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波、三角波、正弦波能用示波器檢測(cè)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器對(duì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波、三角波、正弦波進(jìn)行計(jì)數(shù)應(yīng)與專(zhuān)用儀器檢測(cè)數(shù)據(jù)一致。二、技術(shù)要點(diǎn)1. 信號(hào)發(fā)生器部分技術(shù)要點(diǎn)系統(tǒng)圖如下：要求：(1)輸出波形 正弦波、方波、三角波。(2)頻率范圍 頻率范圍1HZ10HZ,10HZ100HZ。(3)輸出電壓 方波的輸出電壓峰峰值為10V, 三角波峰峰值、正弦波峰峰值1v.(4)波形特性 表征正弦波特性的參數(shù)是非線性失真r1,一般要求r13%：表征三角波特性的參數(shù)是非線性系數(shù)是 r2,一般要求r21V；四、設(shè)計(jì)方案的選擇及論證函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波

3、形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成電路。產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過(guò)整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊取?.1. 方案一采用分立器件實(shí)現(xiàn)電路組成，主要的部件有雙運(yùn)放uA741運(yùn)算放大器、電壓比較器、積分運(yùn)算電路、差分放大電路、選擇開(kāi)關(guān)、電位器和一些電容、電阻組成。該方案由三級(jí)單元電路組成的，第一級(jí)單元可以產(chǎn)生方波，第二級(jí)可以產(chǎn)生三角波，第三級(jí)可以產(chǎn)生正弦波，通過(guò)第二級(jí)的選擇開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換

4、，通過(guò)對(duì)差分放大電路部分元器件的調(diào)節(jié)來(lái)改善正弦波產(chǎn)生的波形。4.2. 方案二采用集成電路實(shí)現(xiàn)，主要部件有高速運(yùn)算放大器LM318、單片函數(shù)發(fā)生器模塊5G8038、選擇開(kāi)關(guān)、電位器和一些電容、電阻組成。該方案通過(guò)調(diào)節(jié)不同電位器可調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器輸出振蕩頻率大小、占空比、正弦波信號(hào)的失真，可產(chǎn)生精度較高的方波、三角波、正弦波，且具有較高的溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。4.3. 方案比較與選擇方案二采用芯片雖然精度較高，溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性比較好，而它們只能產(chǎn)生300kHz以下的中低頻正弦波、矩形波和三角波，且頻率與占空比不能單獨(dú)調(diào)節(jié)，從而給使用帶來(lái)很大不便，也無(wú)法滿足高頻精密信號(hào)源的要求。uA741是美

5、國(guó)仙童公司較為早期的產(chǎn)品,由于其性能完善,如差模電壓范圍和共模電壓范圍寬,增益高,不需外加補(bǔ)償,功耗低,負(fù)載能力強(qiáng),有輸出保護(hù)等,因此具有較廣泛的應(yīng)用。uA741這類(lèi)單片硅集成電路器件提供輸出短路保護(hù)和閉鎖自由運(yùn)作，可以方便的輸出精度較高的方波、三角波、正弦波，且可以通過(guò)調(diào)節(jié)差分放大電路的各個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)正弦波的失真。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，可將頻率很低的三角波變換成正弦波。綜上所述，本課題選用方案一。五、函數(shù)發(fā)生器的具體方案 5.1 總的原理框圖及總方案多波形信號(hào)發(fā)生器方框圖如圖1所示。 圖1 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器原理

6、圖 本課題采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。并采用先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法。由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來(lái)完成。設(shè)計(jì)差分放大器時(shí)，傳輸特性曲線要對(duì)稱(chēng)、線性區(qū)要窄，輸入的三角波的的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。5.2各組成部分的工作原理5.2.1 方波發(fā)生電路從一般原理來(lái)分析,可以在滯回比較器電路的基礎(chǔ)上,靠正反饋和RC充放電回路組成矩形波發(fā)生電路,由于滯回比較器的

7、輸出只有兩種可能的狀態(tài)，高電平或低電平，兩種不同的輸出電平式RC電路進(jìn)行充電和放電，于是電容上的電壓降升高或降低，而電容的電壓又作為滯回比較器的輸入電壓，控制其輸出端狀態(tài)發(fā)生跳變，從而使RC電路由充電過(guò)程變成放電過(guò)程或相反，如此循環(huán)往復(fù)，最后在滯回比較器的輸出端即可得到一個(gè)高低電平變化周期性交替的方波信號(hào)。方波發(fā)生電路仿真電路模型如圖2所示。圖2 方波發(fā)生電路仿真模擬圖3 方波發(fā)生電路仿真模擬5.2.2 三角波發(fā)生電路在產(chǎn)生方波之后，利用此波形輸入到一個(gè)積分電路便可輸出一個(gè)三角波。由于三角波信號(hào)是電容的充放電過(guò)程形成的指數(shù)形式，所以線性度較差，為了能得到線性度較好的三角波，可以將運(yùn)放和幾個(gè)電阻

8、，電容構(gòu)成積分電路。三角波發(fā)生電路仿真電路模型如圖4所示。圖4三角波發(fā)生電路仿真模擬圖5三角波發(fā)生電路仿真模擬5.2.3 正弦波發(fā)生電路利用差分放大器傳輸特曲線的非線性，將三角波信號(hào)轉(zhuǎn)化成正弦波信號(hào)。其傳輸特性曲線越對(duì)稱(chēng)，線性區(qū)越窄越好，三角波的幅值pp應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)和截止去。正弦波發(fā)生電路仿真電路模型如圖6所示。圖6正弦波發(fā)生電路仿真模擬圖7正弦波發(fā)生電路仿真模擬5.2.4 電路原理分析在電路中 ,運(yùn)放741和電阻 R3 , Rw , R4構(gòu)成正常的負(fù)反饋放大電路,而R1 , C1 , R2 , C2 則構(gòu)成 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò),同時(shí)又由該選頻網(wǎng)絡(luò)作為反饋網(wǎng)絡(luò)形成正反饋環(huán)節(jié),其 R

9、1 , C2 上的反饋電壓作為輸入代替放大器的輸入信號(hào), D1 , D2 起穩(wěn)幅作用。5.2.5 選頻特性分析 （1）采用參數(shù)掃描還可以對(duì)振蕩頻率進(jìn)行分析. 同時(shí)改變選頻網(wǎng)絡(luò)的電阻 R1 , R2 (或同時(shí)改變 C1 , C2 ) ,即可改變振蕩輸出的頻率，使得頻率分別為300Hz、1KHz、10KHz，輸出幅值通過(guò)RW可調(diào)。5.2.6 起振過(guò)程分析根據(jù)起振條件| AF| 1 ,選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù) Fmax =1/ 3 ,只要負(fù)反饋放大器的放大倍數(shù) A 大于 3 ,即 RW(接入電阻)與 R4的和略大于 R3 的兩倍,就可產(chǎn)生正弦波振蕩。5.3 測(cè)試實(shí)物圖5.3.1方波測(cè)試圖圖8 方波測(cè)試圖5

10、.3.2 三角波測(cè)試圖圖9 三角波測(cè)試圖5.3.3 正弦波測(cè)試圖圖10 正弦波測(cè)試圖5.4 總電路圖圖11 焊接電路實(shí)物圖圖12 仿真電路圖六、同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器6.1計(jì)數(shù)器部分技術(shù)要點(diǎn)系統(tǒng)圖如下：圖13 計(jì)數(shù)器過(guò)程6.2同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器原理二進(jìn)制計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是讀數(shù)不習(xí)慣，所以在有些場(chǎng)合采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器較為方便。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器是在二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)上得出的，用四位二進(jìn)制數(shù)來(lái)代表十進(jìn)制的每一位數(shù)，所以也稱(chēng)為二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。6.3脈沖反饋式通過(guò)反饋線和門(mén)電路來(lái)控制二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中各觸發(fā)器的 RD 端，以消去多余狀態(tài)（無(wú)效狀態(tài)）構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器。表1 十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表CP順序Q3Q

11、2Q1Q0等效十進(jìn)制數(shù)00000010001120010230011340100450101560110670111781000891001910000010從表1和圖14、圖15中可以看出，在Q3由1變?yōu)?之前，即從0000到1001為止，當(dāng)?shù)谑畟€(gè)計(jì)數(shù)十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器和 4位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)順序完全相同。脈沖CP到來(lái)后，要求計(jì)數(shù)器返回到0000。此時(shí)可以向4位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器各觸發(fā)器的RD端輸入一個(gè)負(fù)脈沖，是各觸發(fā)器置0，計(jì)數(shù)器回到0000狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)。圖14 十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的工作波形圖6.4 特征方程由表1可以列出各觸發(fā)器JK端的邏輯關(guān)系式(又稱(chēng)驅(qū)動(dòng)方程) （2）代

12、入各個(gè)JK觸發(fā)器的狀態(tài)方程 （3）將觸發(fā)器的十六種取值組合代入各觸發(fā)器的狀態(tài)方程，得到如圖15所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。6.5 十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖15 十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖6.6 同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的邏輯圖圖16 同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器6.7集成塊 圖17 74HC00引腳圖 圖18 74HC73引腳圖 6.8總電路圖19 十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器實(shí)物圖圖20 十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器測(cè)試圖圖21 十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器電路仿真圖七、故障及問(wèn)題分析對(duì)于方波-三角波產(chǎn)生電路，遇到的第一個(gè)問(wèn)題是波形無(wú)法顯示。檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)電路中電流幾乎為零，原因是電阻過(guò)大，電容有些小，使得電路無(wú)法有效起振。因此在保證電路安全基礎(chǔ)上

13、減小電阻值同時(shí)保證電阻間的比值，換用較大的電容，在示波器上檢查波形，得出方波波形，但是其占空比不為50%，調(diào)節(jié)發(fā)現(xiàn)不是電路連接問(wèn)題，檢查器件，發(fā)現(xiàn)是穩(wěn)壓管損壞造成，更換穩(wěn)壓管得到理想波形。然后觀測(cè)三角波波形，發(fā)現(xiàn)有些失真，可知是由于電容造成的，更換變?nèi)荩瑢⑵湓龃蟮玫嚼硐氩ㄐ?。在第三?jí)上輸出正弦波形，發(fā)現(xiàn)有較大失真，計(jì)算電流可知電阻較大，但是更換后仍有失真。此時(shí)電路中電阻器件并未有不當(dāng)，考慮電容影響。換用較大電容，不斷調(diào)節(jié)，得到失真較小的波形。此些調(diào)節(jié)均在基本電路基礎(chǔ)上完成。由于要使方波占空比可調(diào)添加電位器與二極管實(shí)現(xiàn)。八、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 比較器與積分器組成正反饋閉環(huán)電路，方波、三角波同時(shí)輸出。電

14、位器Rp1與Rp2要事先調(diào)整到設(shè)定值，否則電路可能會(huì)不起振。只要接線正確，接通電源后便可輸出方波、三角波。微調(diào)Rp1，使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計(jì)要求，調(diào)節(jié)Rp2，則輸出頻率在對(duì)應(yīng)波段內(nèi)連續(xù)可變。 調(diào)整RP4及電阻R7，可以使傳輸特性曲線對(duì)稱(chēng)。調(diào)節(jié)Rp3使三角波的輸出幅度經(jīng)Rp3輸出等于Uidm值，這時(shí)輸出波形應(yīng)接近正弦波，調(diào)節(jié)C6的大小可改善波形。 因?yàn)檫\(yùn)放輸出級(jí)由PNP型與NPN型兩種晶體管組成復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，輸出方波時(shí)，兩管輪流截止與飽和導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)受輸出電阻的影響，使方波輸出值小于電源電壓值，故方波輸出電壓Up-p2Vcc。方波的上升時(shí)間tr主要受運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換速率的限制。 實(shí)驗(yàn)中若波

15、形幅值太小，可適當(dāng)添加一個(gè)放大電路以達(dá)到課設(shè)要求。九、實(shí)驗(yàn)總結(jié)本課題根據(jù)設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的功能，經(jīng)過(guò)自己認(rèn)真地分析、實(shí)踐，確立方案，書(shū)寫(xiě)文檔，設(shè)計(jì)出電路，在設(shè)計(jì)過(guò)程中翻閱了大量資料，通過(guò)對(duì)所得的各種資料的綜合分析，提煉出自己需要的信息，從而提高自己的分析能力；通過(guò)對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)的分析，認(rèn)真體會(huì)了設(shè)計(jì)時(shí)的各項(xiàng)技術(shù)政策；通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的各種問(wèn)題的分析與解決，鍛煉了獨(dú)立分析，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的能力；通過(guò)對(duì)電路設(shè)計(jì)中的某些問(wèn)題的較為深入的探索，培養(yǎng)了自己的科研工作能力；通過(guò)設(shè)計(jì)論文的書(shū)寫(xiě)，進(jìn)一步鍛煉了繪圖技巧，文字表達(dá)能力和對(duì)工作的認(rèn)真態(tài)度。 當(dāng)然，在設(shè)計(jì)中遇到了一些實(shí)際困難，通過(guò)本人及同組同學(xué)多次查找參考

16、資料，以及指導(dǎo)老師的悉心講解，終于豁然開(kāi)朗；通過(guò)這次設(shè)計(jì)不僅鞏固了本專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，加深了對(duì)課本知識(shí)的理解，為本人在這一學(xué)期所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)做了一個(gè)系統(tǒng)的把握。十、心得體會(huì)在這次設(shè)計(jì)、焊接過(guò)程中我對(duì)抽象的理論有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我了解了常用元件的識(shí)別和測(cè)試；熟悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接、焊接方法；以及如何提高電路的性能等等。雖然這次實(shí)驗(yàn)使得我糾結(jié)了近一天，但收獲的確很多。在這次實(shí)驗(yàn)中，總結(jié)了很多感觸體會(huì)，我們不能盲目的圖快，一定要在心底有個(gè)具體的譜然后下手去焊接，這樣能讓我們少走彎路，更加節(jié)省時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我也遇到了不少的問(wèn)題，如波形失真，電路板測(cè)試時(shí)甚至不出波形這樣的問(wèn)題。在老師和同學(xué)的幫助下，自己的總結(jié)思索下，把問(wèn)題一一解決。實(shí)驗(yàn)中暴露出我們?cè)诶碚搶W(xué)習(xí)中所存在的問(wèn)題，有些理論知識(shí)還處于懵懂狀態(tài)，這次實(shí)驗(yàn)讓我對(duì)過(guò)去未理解的很多知識(shí)有了明了的認(rèn)識(shí)。這次課程設(shè)計(jì)讓我體會(huì)到了在接好電路后測(cè)試出波形的喜悅與如重釋負(fù)的輕松。此課程的設(shè)計(jì)，真的讓我認(rèn)識(shí)到了實(shí)踐能力的的重要性與真實(shí)性。這能讓我們很好的加深對(duì)不知道的理論知識(shí)的理解，同時(shí)也鞏固了以前知道的知識(shí)。明白老師為什么要求我們做好這個(gè)課程設(shè)計(jì)的原因。這次課程設(shè)計(jì)讓我