實(shí)用信號源的設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課題:實(shí)用信號源的設(shè)計(jì)與制作姓名:學(xué)號:班級:學(xué)院:一、實(shí)驗(yàn)要求1.任務(wù)在給定5V電源電壓條件下,設(shè)計(jì)并制作一個(gè)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(shí)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)整范圍峰峰值為

2、100mV2V。(3上述兩個(gè)信號源公共要求a、在負(fù)載為600時(shí),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(jì)與總結(jié)報(bào)告:方案設(shè)計(jì)與論證,理論分析與計(jì)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(jī)控制。二、方案設(shè)計(jì)與論證【總體方案設(shè)計(jì)】實(shí)用信號源框圖如右,實(shí)用信號源Array電路采用ICL8038芯片產(chǎn)生正弦波和脈沖波,并實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)、頻率可調(diào)、信號頻率預(yù)置。運(yùn)放電路采用LM318芯片,實(shí)現(xiàn)波形幅度可調(diào)。時(shí)鐘觸發(fā)電路采用NE556和CD4001芯片,以接收信號,并為

3、頻率顯示電路中的計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘信號。頻率顯示電路包括CD4026計(jì)數(shù)器芯片和數(shù)碼管,用以對信號頻率計(jì)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(shí)間180ns,下降時(shí)間40ns,足以滿足本次實(shí)驗(yàn)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(shí)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)與方波占空比調(diào)節(jié)兩個(gè)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RB兩電阻的阻值,由下面兩公式可確定輸出波形

4、的上升時(shí)間t1和下降時(shí)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(shí)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(shí)際實(shí)驗(yàn)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(shí)實(shí)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。從理論上看本方案除了調(diào)節(jié)占空比的時(shí)候頻率會受到一定的擾動

5、,而且正弦波也會在調(diào)節(jié)方波占空比時(shí)發(fā)生失真這兩點(diǎn),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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)采用等精度算法,在1s鐘內(nèi)計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)值就是信號的頻率值。定時(shí)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CD4026的計(jì)數(shù)控制端。計(jì)數(shù)器使用CD4

6、026,輸出即使7段數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)值。三、理論分析與計(jì)算1.ICL8038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,故其調(diào)節(jié)的頻率有一定范圍,若需要覆蓋20Hz

7、20kHz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(shí)驗(yàn)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20kHZ2.LM318運(yùn)算放大部分 圖五LM318運(yùn)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。3.NE556時(shí)基電路 圖六NE556管腳示意圖NE556由兩個(gè)時(shí)基集成電路NE555構(gòu)成,可產(chǎn)生特定頻率的振蕩電平。 圖七CD4001引腳圖CD4

8、001由四個(gè)2輸入或非門構(gòu)成,可用作反相器。將信號接到兩個(gè)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(shí)基電路NE556的5腳輸出占空比,即跳動的高低電平控制計(jì)數(shù)。根據(jù)手冊提供的公式:T1=0.683*(R A+R B*CT2=0.683*R B*CF=1.443/(R A+2R B*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=1.443/(2*R*C,經(jīng)計(jì)算可得知當(dāng)F大致取0.5Hz時(shí),C取值為約為1uF。由于是使用電位器,阻值可調(diào)所

9、以電容取1uf數(shù)量級的電容都可以。在實(shí)現(xiàn)計(jì)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(shí)間內(nèi)穩(wěn)定不變,即讓其在1s計(jì)數(shù)。4.CD4026時(shí)序分析 圖九CD4026數(shù)碼管顯示電路圖30圖十?dāng)?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(shí)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(shí)序圖易知Count(2腳輸入的上升沿計(jì)數(shù)器計(jì)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(shí)芯片計(jì)數(shù)復(fù)位,Display Enable(3腳為高電平時(shí)將輸出顯示信號電平,Cloc

10、k Innibit為高時(shí)計(jì)數(shù)將暫停。使用時(shí)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(jì)數(shù)復(fù)位信號到達(dá),此時(shí)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(gè)頻率;3頻率穩(wěn)定度基本符合要求;4上升與下降時(shí)間滿足要求;5平

11、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(gè)頻率;3頻率穩(wěn)定度基本符合要求;4頻率調(diào)節(jié)時(shí)波形對稱基本保持不變。3.放大電路1在負(fù)載為600時(shí),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)定且基本仍與示波器一致。五、問題分析及解決1.ICL8038輸出無波

12、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(shí),再配合調(diào)節(jié)4、5腳之間的電位計(jì)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(yùn)放輸出波形自激嚴(yán)重現(xiàn)象:輸出波形時(shí)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

13、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(jì)也無法使周期變小，在示波器上 看不到

14、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(diǎn)的跳動，先粗調(diào)至接近 1s，之后當(dāng)整個(gè)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(jì)。 5數(shù)碼管不計(jì)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(shí)幾乎看不到，有時(shí)又會太

15、亮 故障分析： 在數(shù)碼管的接地端加的分壓電阻選擇不當(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?而且不能 5 個(gè)數(shù)碼管只 串聯(lián)一個(gè)電阻，這樣有燒毀數(shù)碼管的危險(xiǎn)，應(yīng)該每個(gè)數(shù)碼管分別串接一個(gè)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(shí)鐘不準(zhǔn)確，當(dāng)波形幅度特別小時(shí)，或者頻率極高或極低時(shí)，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(jì)，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(gè)

16、10kHz20kHz 的范圍，當(dāng)頻率比較高時(shí)，再調(diào)節(jié) NE556 的 6 與 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(shí)大致 NE555 時(shí)鐘 則為 1S。在高頻率時(shí)調(diào)節(jié)結(jié)果會比較精確，因?yàn)樵诘皖l率時(shí)即使計(jì)數(shù)不太準(zhǔn)確也不會影響 頻率的精確顯示，但是高頻時(shí)對時(shí)鐘的要求則極高。在調(diào)節(jié)數(shù)碼管示數(shù)時(shí)，應(yīng)先將電位計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)際的顯示串聯(lián)電阻或調(diào)整電容值。 六、

17、實(shí)驗(yàn)總結(jié) 轉(zhuǎn)眼間大三就結(jié)束了， 在大三結(jié)束前這個(gè)綜合課程設(shè)計(jì)也便成為了我們大三結(jié)束前的最 后一門課程。因?yàn)槔蠋熣f這次實(shí)驗(yàn)早做完就早結(jié)束，所以當(dāng)題目發(fā)下來時(shí)，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(jì)。 但是我在網(wǎng)上看了好久， 還是 沒有一點(diǎn)頭緒，之前實(shí)驗(yàn)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(gè)芯片應(yīng)該完成什么功能我也是一頭霧水。 這時(shí)我在網(wǎng)上找到 了學(xué)長做過的實(shí)驗(yàn)報(bào)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

18、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(jì)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(shí)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(gè)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(shí)， 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

19、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、電容大量跨接的情況，這會造成干擾，而且在檢查電路時(shí)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(jì)數(shù)也會亮，而我的根本沒反應(yīng)。在經(jīng)歷了長時(shí)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(jì)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(shí)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(jì)數(shù)。在詢問了別人之后，我在 CD4026 前接入了一個(gè)電容，我