函数信号发生器的设计.

西华大学课程设计说明书目录1前言..................................................................12总体方案设计..........................................................23单元模块设计..........................................................33.1各单元模块功能介绍及电路设计......................................33.1.1比较器模块......................................................................................................33.1.2积分器模块......................................................................................................33.1.3差分放大器模块..............................................................................................43.1.4频率检测模块..................................................................................................43.1.5显示模块..........................................................................................................53.2电路参数的计算及元器件的选择......................................63.2.174LS123............................................................................................................63.2.274LS74..............................................................................................................73.2.3uA741................................................................................................................83.3特殊器件的介绍....................................................93.3.174HC190............................................................................................................93.3.27段共阴极数码管.........................................................................................103.3.374HC4511........................................................................................................113.4各单元模块的联接.................................................124系统调试.............................................................135系统功能、指标参数...................................................145.1系统能实现的功能.................................................145.2系统指标参数测试.................................................145.3系统功能及指标参数分析...........................................146设计总结.............................................................157谢辞.................................................................168参考文献.............................................................179附录一仿真波形图....................................................1810附录二整机电路图...................................................19第1页西华大学课程设计说明书1前言函数信号发生器的应用非常广泛，种类繁多。首先，信号发生器可以分通用和专用两大类，专用信号发生器主要为了某种特殊的测量目的而研制的，如电视信号发生器、脉冲编码信号发生器等。这种发生器的特性是受测量对象的要求所制约的。其次，信号发生器按输出波形又可分为正弦波信号发生器、脉冲波信号发生器、函数发生器和任意波发生器等。在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器；随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。本次设计中用到了多块集成芯片包括：NE555、74LS90、74LS123、CD4511等。函数发生器是现代电子系统的重要组成部分，是决定电子系统性能的关键设备之一。随着现代通信技术的发展，系统对频率合成器提出了越来越高的要求。低相位噪声、高频谱纯度、高捷变速率和高频率分辨率的频率合成器已经成为频率合成技术发展的主要趋势。本次设计是通过分立元件的方法实现方波、三角波、正弦波的产生用户可分别调节该函数发生器产生的正弦波、矩形波、三角波等波形的频率和波幅，该函数发生器应具有一定的带负载能力，发生器能测量仪器产生的波形的频率，用六位十进制数字显示。本次设计采用分立元件的方法实现各个波形的产生，这样对于所产生的波形的高频率部分和各个电子元件的工作频率就存在选取的问题，而且所输出的函数信号还要求具备一定的带载能力；对于本次的设计采用的方法是分离元件法。将方波产生电路、三角波产生电路、正弦波产生电路三个模块有序搭建，将所产生的波形通过示波器显示出来，这样可以方便用户对所产生的波形进行观察，对于所产生的波形的频率部分则是采用6个共阴极的7段数码管来显示的，这样用户可以方便读取波形的频率值；本次设计最终达到预期的要求和条件，能够实现对所产生的波形进行频率和幅度的调节，并且本次的函数信号发生器所产生的函数信号也到达了要求所规定的带负载能力；通过分立元件法实现函数信号的产生使得电路的模块化程度更高，减少了各个信号发生模块相互间的干扰，这样电路的应用性和可移植性更强。第2页西华大学课程设计说明书2总体方案设计方案一：通过NE555产生占空比、幅度可调时钟脉冲信号，通过高速集成运算放大器构成减法电路将脉冲信号转变成方波信号，然后将方波信号通过高精度集成运算放大器构成的积分电路将方波信号转变为三角波信号，最后将三角波信号通过差分放大电路变换为正弦信号，从而实现各个波形的转换。通过74HC161构成异步10进制计数器、74LS48编码器和7段共阴极数码管构成频率显示模块。图2.1方案一方案二：由比较器和积分器组成方波——三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。再由74LS90构成异步10进制计数器、CD4511译码显示驱动器和7段共阴极数码管构成频率显示模块。图2.2方案二方案论证：方案一中方波的频率、幅度调节不能与三角波和正弦波同步，且NE555产生的振荡波形不稳定。电阻、电容不易调节。方案选择：根据设计的设计难易程度和可操作性，本次设计采用了方案二进行设计。脉冲产生电路减法电路积分电路差分放大电路频率检测电路显示电路比较器积分器差分放大器频率检测电路显示电路第3页西华大学课程设计说明书3单元模块设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1比较器模块图3.1uA741方波产生电路通过uA741外加阻容元件构成比较器，产生频率、幅度可调的方波。3.1.2积分器模块图3.2uA741三角波产生电路通过uA741外加阻容元件构成积分器，用于产生三角波。第4页西华大学课程设计说明书3.1.3差分放大器模块图3.3积分电路通过差分对管外加阻容元件构成差分放大器，用于产生正弦波。3.1.4频率计数模块图3.4频率计数电路通过74LS123、74LS90构成异步十进制电路，用于对信号频率的采集。第5页西华大学课程设计说明书3.1.5显示模块图3.5波形、频率显示电路通过7段共阴极数码管、示波器作为波形参数的显示。第6页西华大学课程设计说明书3.2电路参数的计算及元器件的选择3.2.174LS12374LS123是一个单稳态触发器，内有两组多谐振荡器，是一个直流触发的多谐振荡器。它的特点是：三种方法控制脉冲宽度，最基本的是选取外部的RC值来控制。74LS123内部已经有一个定时电阻，因此允许只外接定时电容使用。其功能特点：清零终止输出脉冲；为VCC和温度变化补偿；直流触发是高电平或电平逻辑输入。74LS123的输出脉冲宽度Tw可以由三种方法控制。一是通过选择外定时元件Cext和Rext值，来确定脉冲宽度，二是通过正脉冲输入端（A）或负脉冲输入端（B）的重触发延长Tw,三是通过清除端（CLR）的清除使Tw缩小。表3.1单稳态触发器74LS123逻辑功能表第7页西华大学课程设计说明书3.2.274LS7474LS74双上升沿D触发器，是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发D触发器电路。每个触发器有数据输入、置位输入、复位输入、时钟输入和数据输出。Sd与Rd低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当Sd与Rd均无效（高电平）时，符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。其主要功能如下：（1）异步置零当SD=1、RD=0时，触发器置零，RD触发称为异步置零端。（2）异步置一当SD=0、RD=1时，触发器置一，SD触发称为异步置零端。（3）同步置零当SD=RD=1时，如D=0，则在CP有0正跃到1时，触发器置0。（4）同步置一当SD=RD=1时，如D=1，则在CP有0正跃到1时，触发器置1。（5）保持当SD=RD=1时，在CP=0时，无论D端输入信号为1还是0，,触发器都保持原来的状态不变。表3.274LS74功能表输入输出SDRDCPDQn＋1Qn＋101××1010××0100××φφ11↑11011↑00111↓×Qn