低频正弦信号发生器

1《电子技术》课程设计报告题目低频正弦信号发生器学院（部）电子与控制工程学院专业建筑电气与智能化班级2013320602学生姓名吴会从学号2013320602256月29日至7月10日共2周指导教师（签字）2前言正弦交流信号是一种应用极为广泛的信号，它通常作为标准信号，用于电子电路的性能试验或参数测量。另外，在许多测试仪中也需要用标准的正弦信号检测一些物理量，正弦信号用作标准信号时，要求正弦信号必须有较高的精度，稳定度及低的失真率。本次电子课程设计的低频正弦信号发生器的要求为：信号的频率范围为20HZ～20KHZ;输出电压幅度为5V；输出信号频率数字显示；输出电压幅度显示。针对以上设计要求，我们从图书馆收集，借阅了大量相关书籍，从网上下载了诸多相关资料，其次安装并学习使用了电路设计中所常使用的Multisim仿真软件。在设计的要求下，画出了整体电路的框图，将其分为正弦信号发生器，输出信号频率和其数字显示，输出电压和幅度数字显示三大部分。其中，正弦信号发生器部分主要由我负责，输出信号频率和其数字显示部分主要由刘琪负责，输出电压和幅度数字显示部分主要由李光辉负责。其次我们对每个单元电路进行设计分析，对其工作原理进行介绍，通过对电路分析,确定了元器件的参数,并利用Multisim软件仿真电路的理想输出结果,克服了设计低频信号发生器电路方面存在的技术难题,使得设计的低频信号发生器结构简单,实现方便。完成电路的设计与分析后，对资料与设计电路进行整理，排版，完成课程设计报告。3目录摘要.......................................................................4关键字.....................................................................4技术要求...................................................................4第一章系统概述..........................................................5第二章单元电路设计.....................................................6第一节正弦信号产生和放大电路模块设计.................................6第二节数字的频率显示.................................................10第三节数字电压表设计................................................17第三章结束语...........................................................23参考文献..................................................................23鸣谢......................................................................23元器件明细表.............................................................24收获与体会，存在的问题..................................................24评语......................................................................264低频正弦信号发生器摘要正弦信号发生器是信号中最常见的一种，它能输出一个幅度可调、频率可调的正弦信号在这些信号发生器中，又以低频正弦信号发生器最为常用，在科学研究及生产实践中均有着广泛应用。本设计采用RC选频率网络构成的振荡电路产生所需正弦波。RC振荡电路适用于低频振荡，结构简单,经济方便，一般用于产生1Hz-1MHz的低频信号。本文用于输出正弦波工作状态，正弦波产生后通过同相比例放大电路对信号进行放大，从而满足设计要求；频率的数字显示主要由555定时器构成的放大整形电路，时基电路构成，最终由十进制加法器74LS160，锁存器74LS373，译码器74LS48使数码管显示频率；电压数字显示主要由芯片MC14433,MC1413,MC4511和MC1403构成。关键词信号发生器低频正弦信号放大电路电路仿真电压显示频率显示技术要求1.信号频率范围20HZ～20kHZ；2.输出信号电压幅度5；3.输出信号频率数字显示；4.输出电压幅度数字显示。5第一章系统概述根据任务书的要求，系统可分为三大部分，即正弦信号的产生；输出频率的范围和其显示；输出电压的幅度和显示，我们采用RC选频率网络构成的振荡电路产生正弦信号，信号产生后再通过同相比例运算放大器来满足输出电压的幅度要求，然后通过555定时器组成的多谐振荡器，对其放大整形和控制，最终通过十进制加法器74LS160，锁存器74LS373，译码器74LS48使数码管显示频率，由于本学期刚学过555定时器，74LS160,74L48等芯片，设计过程中易于理解和操作，其次是电压的显示，我们采用集成电路MC14433,MC1413,MC4511和MC1403设计成数字电压表，实现对电压的显示。其中MC14433的作用是将输入的模拟信号转换成数字信号，MC1403为MC14433提供精密电压，供MC14433A/D转换器作参考电压，MC4511的功能是将二-十进制转换成七段信号，MC1413的作用为驱动显示器的a,b,c,d,e,f,g七个发光段，驱动数码管进行显示，数码管只将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果，该模块集成度高，外围电路简单，便于实现。以下为电路的系统框图：图1.1电路系统框图电阻调节正弦信号发生器MC1403交流变直流同向比例放大器MC14433A/D转换555多谐振荡器MC4511MC141374LS160计数器74LS175锁存器时基电路74LS248译码器数码管显示6第二章单元电路设计第一节：正弦信号产生和放大电路模块设计1.正弦波发生器正弦波发生器是本设计的核心部分，以下介绍四种方案：方案一：采用传统的直接频率合成法直接合成。利用混频器，倍频器，分频器和带通滤波器完成对频率的算术运算。但由于采用大量的倍频，分频，混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。方案二：采用锁相环间接频率合成（PLL）。虽然具有工作频率高，宽带，频谱质量好的优点，但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。另外，由模拟方法合成的正弦波的参数（如幅度，频率和相位等）都很难控制，而且要实现大范围的频率变化相当困难，不易实现。方案三：用函数产生芯片直接产生所需信号。采用MAX038函数产生芯片，通过设置管脚参数的输入，可设计组成产生幅频精度很高且易于调整的波形信号，该波失真度很小，而且可实现的频率范围很大，在电路参数要求苛刻的工作场所能够得到较好的应用，用该芯片设计组成的信号产生电路集成度高，而且简单，容易控制。方案四：采用RC选频率网络构成的振荡电路产生所需正弦波。RC振荡电路适用于低频振荡，结构简单,经济方便，一般用于产生1Hz~1MHz的低频信号。由以上分析可知，方案一和方案二不易实现，方案三虽然可行，但MAX038已经停产，所以我们选择第四种方案中的RC选频率网络构成的振荡电路来实现所需正弦波。2.RC桥式振荡电路及工作原理图2.1.1为RC串并联正弦波振荡电路，其放大电路为同相比例运算放大器，反馈网络和选频网络由RC串并联网络组成。7图2.1.1RC串并联正弦波振荡电路由RC串并联网络的选频特性可知，在。ww=1/RC或RCffπ。2/1时，RC选频网络的相角为0，而同相比例运算放大电路的相位差为0，从而满足振荡的相位条件。由于RC串并联网络的选频特性，使信号通过闭合环路AF后，仅有错误!未找到引用源。的信号才满足相位条件，因此该电路振荡频率为。f，从而保证了电路输出为单一频率的正弦波。为了使电路能振荡，还应该满足起振条件，即要求|AF|错误!未找到引用源。1。由于。ww时，uF=1/3则要求311RRAfu，即12RRf，输出波形就接近正弦波。振荡电路起振后，如一只维持uA3,输出电压会继续增加，这样会因输出信号振幅的增长致使放大器件工作在非线性区域，波形会产生严重的非线性失真。为此必须设法使输出电压幅值在增大的同时，让|AF|适当减小，以维持输出电压的幅值。这一任务由稳幅环节完成。通常的方案有下列三种：一种方案是选择负温度系数的热敏电阻代替反馈电阻fR，当输出电压。U的幅值增加时，会使fR的功耗增大，温度上升，则fR阻值下降，负反馈加强，放大倍数下降，输出电压。U也会随之下降。也可选择正温度系数的热敏电阻代替电阻fR，同样可以实现稳幅。第二种方案是利用二极管的非线性特性。如图2.1.2所示电路是在rf2两端并联两个二极管1D，2D,用来稳定输出电压。U的幅度。当。U幅值很小时，二极管1D，2D接近于开路，如果二极管的反向电阻是无穷大，则反馈电阻21RRRf，使uA3,有利于起振；反之，当。U幅值较大时，1D8或2D导通，二极管的正向电阻是会随着正向电流的增大而减小，反馈电阻'21fffRRR会减小，使uA随之下降，。U幅值趋于稳定。由稳定性和精确性以及简单易实现的原则我们最终采用利用二极管实现稳幅。电路如下。图2.1.2具有二极管稳幅环节的RC串并联正弦波振荡电路3.放大电路的设计由于设计要求的电压幅度为5V，上述图2.1.2所示信号产生电路不能满足要求，因此必须对产生的信号进行二级放大，本设计的放大电路主要由同相比例器来担任。图2.1.3同相比例器同相比例运算放大器的放大倍数1u1RRAf。4．正弦信号发生总电路把上述各分电路根据要求改进后集中在一块电路板上,共用电源和接地后,整个信号发生器的结构变得紧凑美观，集成电路图如图2.1.4所示。9图2.1.4正弦信号发生总电路调整电阻2R和错误!未找到引用源。（即改变了反馈错误!未找到引用源。），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大错误!未找到引用源。，如波形失真严重，则应适当减少错误!未找到引用源。=)(235DRRRR。改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C作频率量程切换（粗调），而调节R作量程内的频率细调。本设计要求输出地正弦波的频率为20HZ～20KHZ,因此由式f=错误!未找到引用源。取值满足以下关系：当uFC04.0时，微调电阻R可以得到HZHZ200~20的正弦波。当uF004.0C时，微调电阻R可以得到HZHZ2000~200的正弦波。当uF0004.0C时，微调电阻R可以得到HZHZ20000~2000的正弦波。调节滑动变阻器2R可以改变放大倍数，可帮助电路起振，调节滑动变阻器8R可进一步改变输出波形幅度，可以实现幅值从VV5~1之间的调节变化。通过Multisim软件调试后可得仿真的结果如下图2.1.5所示。图中信号幅值较小的为初级放大后的输出信号，另一个为二级放大后的输出信号。10图2.1.5放大电路仿真结果图第二节：频率的数字显示电路设计中要求输出的频率能够进行数字显示，本电路中频率显示电路利用555定时器构成控制电路，时基电路和延时电路，控制计数器对输入信号进行计数，延时和清零，将计数结果用锁存器锁存输出到数码管驱动器驱动数码管静态数位显示。1.总体框架图图2.2.1频率显示计总体框架图2.基本原理为了提高输出信号的频率的精确度和稳定度本装置设置了频率检测电路，该电路先使检测信号