北京工業(yè)大學(xué)電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告壓控階梯波發(fā)生器數(shù)字類(lèi)

1、北京工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 學(xué)院 電子信息與控制工程 專業(yè) 班級(jí) 組號(hào) 題目1、壓控階梯波發(fā)生器 2、 基于運(yùn)放的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 姓名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)老師 成績(jī)年月日壓控階梯波發(fā)生器（數(shù)字類(lèi)）（一）設(shè)計(jì)任務(wù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)并調(diào)試一個(gè)由電壓控制的階梯波發(fā)生器。（二）設(shè)計(jì)要求1、輸出階梯波的頻率能被輸入直流電壓所控制，頻率控制范圍為600Hz至1000Hz。2、輸出階梯波的臺(tái)階級(jí)數(shù)為10級(jí)，且比例相等。3、輸出階梯波的電壓為1V/級(jí)。4、輸入控制電壓的范圍0.5V至0.6V。5、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用元器件盡量少，成本低。（三）調(diào)試要求利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和指定器件進(jìn)行設(shè)計(jì)、組裝和調(diào)試，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，寫(xiě)出總結(jié)報(bào)告

2、。（四）方案選擇在壓頻轉(zhuǎn)換部分存在兩種方案。1、Lm358組成壓頻轉(zhuǎn)換電路；2、NE555構(gòu)成壓頻轉(zhuǎn)換電路。方案論證數(shù)字電路精確度較高、有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)字系統(tǒng)的特性不易隨使用條件變化而變化，尤其使用了大規(guī)模的繼承芯片，使設(shè)備簡(jiǎn)化，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在計(jì)算精度方面，模擬系統(tǒng)是不能和數(shù)字系統(tǒng)相比擬的。數(shù)字系統(tǒng)有算術(shù)運(yùn)算能力和邏輯運(yùn)算能力，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造和大規(guī)模集成，可進(jìn)行邏輯推理和邏輯判斷；具有高度的規(guī)范性，對(duì)電路參數(shù)要求不嚴(yán)，功能強(qiáng)大。為了得到更精彩的波形采用數(shù)模混合方案。（五）實(shí)驗(yàn)元器件和芯片運(yùn)算放大器Lm358，TTL電路74LS20、74LS

3、161、74LS175，CMOS緩沖器CD4010，穩(wěn)壓管，二極管1N4148，電位器，電容，電阻。（六）設(shè)計(jì)方案整體設(shè)計(jì)思路：壓頻轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)器權(quán)電阻運(yùn)放=>階梯波利用Lm358組成壓頻轉(zhuǎn)換電路；使用CD4010緩沖，形成可被數(shù)字電路識(shí)別的矩形波信號(hào)；74LS161與74LS20組合構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器；利用74LS175提高負(fù)載、整流信號(hào)，并組成權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)；最后利用運(yùn)放放大信號(hào)，并輸出。仿真電路圖：詳細(xì)設(shè)計(jì)：壓頻轉(zhuǎn)換部分：壓頻轉(zhuǎn)換將一定的輸入電壓按線性的比例關(guān)系轉(zhuǎn)化成頻率信號(hào)，當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，輸出頻率也相應(yīng)變化。其輸出時(shí)矩形波。上圖采用的是電荷平衡式壓頻轉(zhuǎn)換電路，該部分有積分器和滯回比較器

4、組成。滯回比較器的閾值電壓為：±UT=±R5R3·UZ在波形圖的t2時(shí)段，UO1是對(duì)UI的線性積分，起始值記作+UT，終值記作-UT，因而t2應(yīng)滿足-UT=1R4CUI+t2UT，解得t2=2R5R4CR3·UZUI，當(dāng)R1>>R2時(shí)，振蕩周期Tt2，故振蕩頻率受控于輸入電壓：F=1t2=R32R5R4CUZ·UI。Lm358芯片信息：Wide Supply Range: Single Supply . . . 3 V to 32 V(26 V for LM2904) or Dual Supplies . . . 1.5 V to

5、16 V(13 V for LM2904)Low Supply-Current Drain, Independent ofSupply Voltage . . . 0.7 mA TypCommon-Mode Input Voltage RangeIncludes Ground, Allowing Direct SensingNear GroundLow Input Bias and Offset Parameters: Input Offset Voltage . . . 3 mV TypA Versions . . . 2 mV Typ Input Offset Current . . .

6、2 nA Typ Input Bias Current . . . 20 nA TypA Versions . . . 15 nA TypDifferential Input Voltage Range Equal toMaximum-Rated Supply Voltage . . . 32 V(26 V for LM2904)Open-Loop Differential VoltageAmplification . . . 100 V/mV TypInternal Frequency Compensation內(nèi)部結(jié)構(gòu)：Lm358管腳圖：計(jì)數(shù)器部分用74LS161和74LS20組成計(jì)數(shù)器，其

7、中AD為四個(gè)輸入端，QAQD為四個(gè)輸出端，采用置數(shù)法完成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。ENP,ENT,LOAD,CLR根據(jù)要求分別置高低電平。CLK連接壓頻轉(zhuǎn)換電路的輸出端。74LS161和74LS20管腳圖：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)部分74LS175四D觸發(fā)器集成電路，可以用來(lái)構(gòu)成寄存器。功能表如下：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換，其原理是將二進(jìn)制數(shù)字量形式的離散信號(hào)轉(zhuǎn)換成以標(biāo)準(zhǔn)量為基準(zhǔn)的模擬量。74LS175管腳圖：內(nèi)部結(jié)構(gòu)：放大器部分具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成功能模塊。如圖，使用運(yùn)算放大器構(gòu)成正向比例放大器，對(duì)輸出信號(hào)幅度加以調(diào)節(jié)，以滿足實(shí)驗(yàn)要求。（七）實(shí)驗(yàn)調(diào)

8、試過(guò)程首先用萬(wàn)用表元器件測(cè)試，確定元器件完好，測(cè)試面包板，確定面包板的導(dǎo)通狀態(tài)，然后按照設(shè)計(jì)的電路圖布線，連線整齊、簡(jiǎn)明。組裝完畢后，對(duì)各個(gè)模塊單獨(dú)測(cè)試。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題：壓頻轉(zhuǎn)換部分輸出信號(hào)：發(fā)現(xiàn)信號(hào)并不整齊，影響后面TTL計(jì)數(shù)電路的識(shí)別和波形發(fā)生。在調(diào)整穩(wěn)壓管和增加施密特觸發(fā)器個(gè)數(shù)后，波形得到改善：計(jì)數(shù)器部分調(diào)試：輸入脈沖選擇實(shí)驗(yàn)板上固定脈沖，四個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)接到實(shí)驗(yàn)板數(shù)碼管上。驗(yàn)證十進(jìn)制計(jì)數(shù)器工作情況。驗(yàn)證無(wú)誤后，將輸入脈沖改為壓頻轉(zhuǎn)換電路生成的脈沖信號(hào)，進(jìn)一步確認(rèn)信號(hào)通路完好。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)放部分調(diào)試：在信號(hào)輸出部分，可以產(chǎn)生階梯波，但各階幅值并不相等，使用示波器測(cè)量線發(fā)現(xiàn)部分階梯大于1

9、V，而有的小于1V。使用萬(wàn)用表歐姆檔測(cè)量權(quán)電阻阻值發(fā)現(xiàn)比例并非嚴(yán)格的8：4：2：1，導(dǎo)致階梯比例失調(diào)。通過(guò)調(diào)節(jié)支路上的電位器使階梯比例趨于嚴(yán)格。調(diào)試完畢，最終產(chǎn)生的波形為：完成本次試驗(yàn)全部效果。（八）總體電路材料清單名稱規(guī)格數(shù)量集成運(yùn)算放大器LM3582計(jì)數(shù)器74LS1611與非門(mén)74LS201D觸發(fā)器74LS1751二極管1N41481穩(wěn)壓管2CW2341施密特觸發(fā)器CD40101電阻、電容、導(dǎo)線若干參考資料模擬電子技術(shù)（第四版）童詩(shī)白主編；高等教育出版社。數(shù)字?jǐn)?shù)字電子技術(shù)閻石主編;高等教育出版社。（九）心得體會(huì)此次電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，讓我懂得了實(shí)踐的重要性。即使課本知識(shí)掌握的很好，如果不會(huì)綜

10、合運(yùn)用，也是一些支離破碎的知識(shí)，這是無(wú)用的，而如果能運(yùn)用而實(shí)際動(dòng)手能力很差，理論與實(shí)際結(jié)合不起來(lái)，學(xué)得再好也沒(méi)有用。這次課程設(shè)計(jì)恰好是將課本知識(shí)與動(dòng)手實(shí)踐結(jié)合起來(lái)。一方面，它加深與鞏固了所學(xué)的各章節(jié)的理論，并將其綜合運(yùn)用，提高了我們綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；另一方面，培養(yǎng)了我們學(xué)習(xí)知識(shí)的興趣。雖然，我們這次遇到很多困難，經(jīng)過(guò)努力，都得以解決。經(jīng)過(guò)查資料、選方案、設(shè)計(jì)電路、撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，使我得到一次較全面的實(shí)踐訓(xùn)練。首先，綜合運(yùn)用電子技術(shù)課程中所學(xué)到的理論知識(shí)來(lái)獨(dú)立完成此次設(shè)計(jì)課題，培養(yǎng)我們查閱手冊(cè)和文獻(xiàn)資料的良好習(xí)慣，以及培養(yǎng)我們獨(dú)立分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。其次，在學(xué)習(xí)了理論知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步熟悉

11、常用電子器件的類(lèi)型和特征，并掌握合理選用的原則。再次，就是學(xué)會(huì)電子電路的安裝與調(diào)試技能，以及與同組的組員的團(tuán)結(jié)合作的精神。最后，為了滿足學(xué)生對(duì)電工、電子技術(shù)課程的實(shí)踐需求，學(xué)校特地給我們提供了為期四周的課程設(shè)計(jì)時(shí)間，這門(mén)課程將電子技術(shù)基礎(chǔ)理論與實(shí)際操作有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，意在加深我們對(duì)所學(xué)理論課程的理解。通過(guò)讓我們運(yùn)用已基本掌握的具有不同功能的單元電路的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試方法，在單元電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出具有各種不同用途的電子裝置。深化所學(xué)理論知識(shí)，培養(yǎng)綜合運(yùn)用能力，增強(qiáng)獨(dú)立分析與解決問(wèn)題的能力。訓(xùn)練培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和科學(xué)態(tài)度。同時(shí)，它也培養(yǎng)我們查閱資料的能力和學(xué)生的工藝素質(zhì)，培養(yǎng)我們的團(tuán)隊(duì)

12、精神以及綜合設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力。就是培養(yǎng)我們嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度以及學(xué)會(huì)撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告，為以后畢業(yè)論文打好基礎(chǔ)?；谶\(yùn)放的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)（模擬類(lèi)）（一）設(shè)計(jì)任務(wù)本課題要求使用集成運(yùn)算放大器制作正弦波發(fā)生器，在沒(méi)有外加輸入信號(hào)的情況下，依靠電路自激振蕩而產(chǎn)生正弦波輸出電路。（二）設(shè)計(jì)要求1、采用經(jīng)典振蕩電路，產(chǎn)生正弦信號(hào)，頻率范圍400Hz100kHz2、雙電源供電3、信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、驅(qū)動(dòng)電路，可在1K負(fù)載條件下： 正弦波最大峰-峰值3V，幅值可調(diào)，諧波失真 3%（三）解決方案產(chǎn)生正弦波方案很多，這里我們采取了RC自激振蕩的方式產(chǎn)生正弦波。使用運(yùn)算放大器LM324，組成由基本放大電路，

13、選頻網(wǎng)絡(luò)，正反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的經(jīng)典振蕩電路，產(chǎn)生自激振蕩的正弦波。使用同軸電位器，對(duì)信號(hào)的頻率范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其在400Hz100kHz時(shí)可產(chǎn)生幅值不變的正弦波。雙電源供電：選取直流電源串聯(lián)追蹤方式輸出15V電壓。綜上所述，電路應(yīng)分為經(jīng)典振蕩器部分、兩級(jí)放大部分、電壓跟隨器部分。（五）實(shí)驗(yàn)元器件和芯片運(yùn)算放大器Lm324，NE5532，二極管，電位器，同軸電位器，電阻，電容。 （六）設(shè)計(jì)方案整體設(shè)計(jì)思路：正弦波發(fā)生部分兩級(jí)放大部分電壓跟隨器部分=>符合要求的正弦波使用運(yùn)算放大器LM324，組成由基本放大電路，選頻網(wǎng)絡(luò)，正反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的經(jīng)典振蕩電路，產(chǎn)生自激振蕩的正弦波。使用同軸電位器，對(duì)信號(hào)

14、的頻率范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其在400Hz100kHz時(shí)可產(chǎn)生幅值不變的正弦波。在接入兩級(jí)運(yùn)算放大器放大到Vp-p=3V。使用NE5532制作電壓跟隨器，提高負(fù)載能力。仿真電路圖：Lm324說(shuō)明：2-kV ESD Protection for: LM224K, LM224KA LM324K, LM324KALM2902K, LM2902KV, LM2902KAV Wide Supply Ranges Single Supply . . . 3 V to 32 V(26 V for LM2902) Dual Supplies . . .1.5 V to16 V(13 V for LM2902)Low

15、Supply-Current Drain Independent ofSupply Voltage . . . 0.8 mA TypCommon-Mode Input Voltage RangeIncludes Ground, Allowing Direct SensingNear GroundLow Input Bias and Offset Parameters Input Offset Voltage . . . 3 mV TypA Versions . . . 2 mV Typ Input Offset Current . . . 2 nA Typ Input Bias Current

16、 . . . 20 nA TypA Versions . . . 15 nA TypDifferential Input Voltage Range Equal toMaximum-Rated Supply Voltage . . . 32 V(26 V for LM2902)Open-Loop Differential VoltageAmplification . . . 100 V/mV TypInternal Frequency Compensation內(nèi)部結(jié)構(gòu)：NE5532說(shuō)明:Equivalent Input Noise Voltage5 nV/Hz Typ at 1 kHz Uni

17、ty-Gain Bandwidth . . . 10 MHz Typ Common-Mode RejectionRatio . . . 100 dB Typ High dc Voltage Gain . . . 100 V/mV Typ Peak-to-Peak Output Voltage Swing 32 VTyp With VCC± = ±18 V and RL = 600 High Slew Rate . . . 9 V/s Typ Wide Supply-Voltage Range . . . ±3 V to±20 V內(nèi)部結(jié)構(gòu)：Lm324及NE

18、5532管腳圖：詳細(xì)設(shè)計(jì)：正弦波發(fā)生部分：經(jīng)典振蕩器部分由基本放大電路，選頻網(wǎng)絡(luò)，正反饋網(wǎng)絡(luò)組成。其中，基本放大電路作用：使電路獲得一定幅值的輸出量；選頻網(wǎng)絡(luò)作用：確定電路的振蕩頻率，保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩；正反饋網(wǎng)絡(luò)作用：在振蕩電路中,當(dāng)沒(méi)有輸入信號(hào)的情況下,輸入正反饋信號(hào)作為輸入信號(hào)。電路分析RC橋式振蕩電路由RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)和同相放大電路組成，圖中RC選頻網(wǎng)絡(luò)形成正反饋電路，決定振蕩頻率 ；R1Rf形成負(fù)反饋回路，決定起振的幅值條件，D1、D2為二極管。該電路的振蕩頻率： = 起振幅值條件：式中，為二極管的正向動(dòng)態(tài)電阻。電路參數(shù)確定：根據(jù)設(shè)計(jì)所要求的振蕩頻率 ，先確定RC之積，即RC=

19、 為了使選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性盡量不受集成運(yùn)算放大器的輸入電阻和輸出電阻的影響，應(yīng)使R滿足下列關(guān)系式：>>R>>一般約為幾百千歐以上，而僅為幾百歐以下，初步選定電阻之后，再算出電容的值，然后再算出R取值能否滿足振蕩頻率的要求。電阻和應(yīng)由起振的幅值條件來(lái)確定，2 通常取=（2.12.5），這樣既能保證起振，也不致產(chǎn)生嚴(yán)重的波形失真。此外，為了減小輸入失調(diào)電流和漂移的影響，電路還應(yīng)滿足直流平衡條件，即：R= /通常的穩(wěn)幅方法是利用隨輸出電壓振幅上升而下降的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。穩(wěn)幅電路由兩只正反向并聯(lián)的二極管和電阻并聯(lián)組成，利用二極管正向動(dòng)態(tài)電阻的非線性以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅，為了減小因二

20、極管特性的非線性而引起的波形失真，在二極管兩端并聯(lián)小電阻 。實(shí)驗(yàn)證明，取時(shí)，效果最佳。 （七）實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程按照電路原理圖連線。對(duì)每個(gè)模塊可以分別連線然后分別檢查。實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生多種失真現(xiàn)象，“刺突狀” 失真尤為突出，示意如下：具體波形：實(shí)際的波形實(shí)踐起來(lái)效果并不理想，振蕩頻率不高及停振，尤其是在使用LM324制作振蕩器時(shí)波形出現(xiàn)嚴(yán)重失真。我們組查閱資料，整理出了常見(jiàn)的正弦波失真問(wèn)題及解決方法：削波失真： 該種失真的明顯特點(diǎn)是波形頂部變得平直。波形的幅度很大，接近電源電壓。造成這種失真的原因，大多是反饋電阻值過(guò)大，使電路的增益過(guò)大，致使輸出電壓峰值太大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)隨著反饋電阻值的增大，輸出波形將變得

21、極像方波。解決這種失真的方法：減小反饋網(wǎng)絡(luò)的總電阻 而過(guò)分地減小又將使電路不能起振，因此它的大小非常關(guān)鍵，在不確定電阻值大小的情況下，可先使用電位器代替，通過(guò)細(xì)調(diào)電位器，將波形調(diào)到一個(gè)最好效果即可。停振現(xiàn)象： 在實(shí)際制作中，由于元器件本身的質(zhì)量和精度問(wèn)題，也會(huì)使振蕩器的制作效果大打折扣在電路中，我們需要調(diào)節(jié)同軸雙聯(lián)電位器來(lái)改變輸出正弦波的頻率。顧名思義，雙聯(lián)同軸電位器是由兩個(gè)電位器組成，通過(guò)調(diào)節(jié)同一個(gè)軸達(dá)到同步調(diào)節(jié)兩個(gè)電阻值的目的器件。但在實(shí)際中，我們發(fā)現(xiàn)，雙聯(lián)同軸電位器的兩個(gè)電阻值并不能時(shí)刻保持相等，而是有一個(gè)差值，有時(shí)候這個(gè)差值很大，可達(dá)數(shù)干歐姆。差值的存在造成了振蕩器在高頻時(shí)出現(xiàn)停振現(xiàn)象，也就是說(shuō)。振蕩器的輸出信號(hào)不能達(dá)到較高的頻率。在這種情況下，我們當(dāng)然可以更換精度和質(zhì)量更好的雙聯(lián)同軸電位器來(lái)解決。但為節(jié)省成本，我們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn)，如果用兩個(gè)小、電阻分別與雙聯(lián)同軸電位器的兩個(gè)可變電阻串聯(lián)，停振問(wèn)趣即可得薊狼好的解決，從而使得振蕩器的頻率得到顯著提高?！按掏粻睢?失真： 這種失真是在使用集成運(yùn)放LM324制作正弦波振蕩器時(shí)無(wú)法避免的棘手問(wèn)題。一個(gè)簡(jiǎn)單有效的解決辦法是，用一只適當(dāng)阻值的電阻連接在輸出端與負(fù)電源v