电子课程设计报告

实验报告课程名称：电子技术课程设计实验名称：多信号发生器学院：信息科学与技术学院专业班级：自实xxxx姓名：赵霆锋学号：xxxxxxxxxx同组人：无成绩：2019年09月10日北京化工大学一、实验目的及要求1.实验目的•电子课程设计是电子信息相关专业重要的实践教学环节，目的是初步培养学生对模拟和数字电路知识的综合运用能力；•掌握常用元件的识别和测试；熟悉常用仪器、仪表；了解电路性能优化方法；•理论与实践相结合，提高实际动手能力和独立思考能力；•培养团队精神与协调沟通能力；2.实验要求•模拟部分：使用一片LM324AD（四运放）和一片SN74LS00D（四与非门）芯片设计一个多路信号发生器。•数电部分：基于BASYS3开发板实现模拟部分产生的方波频率计数并显示。3.实验规则•系统仅可使用一片LM324AD（四运放）和一片SN74LS00D（四与非门）芯片，不得额外使用其它IC芯片。•系统外部电源仅可使用+5V单电源。•系统设计除固定电阻、固定电容及可变电阻外，不得使用其它类型元器件；可使用的元器件数量不限。电容：10nF、100nF、200nF可选滑动变阻器：1kΩ二、实验原理1.模拟部分设计原理图图2-1-1模拟部分设计原理图本实验模拟部分要求使用一片LM324AD（四运放）和一片SN74LS00D（四与非门）芯片设计一个多路信号发生器，要求在5V单电源供电的条件下，产生能带1kΩ的负载的方波、正弦波、余弦波、窄脉冲。本设计的思路是先通过两与非门产生方波，再经过一个单门限电压比较器和一个与非门进行整形，产生符合要求的方波。将方波经过一个分压电路，再经过一个两节RC滤波电路和电压跟随电路，产生正弦波。将正弦波经过一个一阶低通滤波电路，便可以产生余弦波。将正弦波经过一个单门限电压比较器和一个与非门，即可产生窄脉冲。产生方波的具体原理是2Y两个输入端信号随便，假如为两个1信号输出就是0信号，1Y输入就是两个0信号，输出1信号，电容充电，充满了2Y的输入端就会被电容隔开而变成0信号，2Y输入端有一个0信号，输出为1信号，1Y输入端为两个1信号，输出为0，电容放电，2Y输入端因为电容放电而变成1信号，如此循环下去就是震荡方波。其中电容选择200nF,实验室可供选择的电容10nF无法产生方波，100nF可调范围太小，无法满足频率要求，最后只能选择200nF。再根据f=1/0.7ΠRC计算出所需电阻大约在380Ω~560Ω之间，所以选择一个1kΩ的滑动变阻器。这样产生的方波由于干扰形状不规整，需要与规定电压2.5V进行比较从而整形，大于2.5V统一为5V，小于2.5V统一为0V。再经过一个与非门整成符合要求的波形。分压电路由5V和俩个相同电阻构成，我选用的是两个1kΩ，这样可以提供2.5V电压，避免双电源的使用。方波再经过一个两节RC滤波电路和一个电压跟随器，两节RC滤波电路是决定正弦波在频率为6kHz时电压峰峰值大于1V、频率为4kHz时电压不失真的关键问题，也是将方波转化为正弦波的关键，电压跟随器可以消除负载变化对输出电压的影响，从而避免波形变化。然后就可以产生峰峰值大于1V的正弦波。两节RC滤波电路选用100nF、200nF时无波形，只能选择10nF，在仿真过程中只有7kΩ同时符合峰峰值和不失真的要求。由产生的正弦波出发，经过一个由RC滤波电路和一个反向放大电路并联形成的电路，RC滤波电路使正弦波相位发生改变，与此同时变化的还有峰峰值，再用一个反相放大电路，将峰峰值等比调回原来的大小，并进行相位二次变化，使变化的相位程度变大。选用的RC滤波电路电容应与产生正弦波的电容相同，而经过尝试发现3kΩ时，在RC电路上的相位变化为Π/4而峰峰值缩小，再经过反向放大电路，产生相位变化Π/2而峰峰值未变的余弦波。将正弦波引入单门限电压比较器，根据正弦波波形计算出确保窄脉冲范围在0~50%的电压范围是2.5V~3.07V，指定电压是5V，只有1kΩ的滑动变阻器，选用500Ω的电阻作为定值电阻比较合适。经过单门限电压比较器就可以产生可调占空比50%的窄脉冲。2.数字部分设计原理图图2-2-1数字部分设计原理图首先需要完成的是模不大于7000的任意进制计数器，这个通过对例程的改造就可以实现。首先实现完成四个74LS90芯片串联进位，任意选择指定进制4500，将相应应该变为1的第三块90芯片Qa和Qc经过下面08芯片的一个与门，从Y1出来再与第四块90芯片Qc一起经过一个与门出来接清零端RO，使计数器达到规定数值清零，该规定数值就是计数器模制。剩余数电部分方波测频和数码显示实验过程中并没有完成，叙述一下思路。方波信号在由clk接入，在clk_div中设定时间为一秒时产生的方波信号数量，通过计数器显示一秒时间产生的方波信号数量就是频率。三、PCB设计图四、实验结果及分析1.模拟部分结果⑴模拟部分仿真结果图4-1-1-1正弦波方波最大频率6kHz选用合适的RC电路中的电阻值6.39kΩ，在达到最大频率6kHz时，正弦波的峰峰值为1.052V，仿真结果符合要求，经过与非门调节方波幅度为5V。图4-1-1-2正弦波方波最小频率4kHz选用合适的RC电路中的电阻值6.39kΩ，在达到最小频率4kHz时，正弦波的峰峰值为2.066V，仿真结果不失真，从而符合要求，经过与非门调节方波幅度必为5V。图4-1-1-3最大占空比窄脉冲根据范围计算看出，脉冲可调范围在0~100%，而要求为窄脉冲，窄脉冲最大占空比为50%，而幅度为5V符合要求。图4-1-1-4最小占空比窄脉冲最小占空比为0，所以窄脉冲占空比可调区间为50%，而幅度为5V符合要求。图4-1-1-5正弦+余弦正弦与余弦相位差产生具体原理见实验原理，仿真结果正弦余弦幅度相同并大于1V，相位差大约90°，符合要求。⑵模拟部分电路实物图图4-1-2模拟部分电路实物图实物图搭建中，各电阻相互干扰，会产生波形扰动，只能将各电阻分开，引出四条波形线方便测试。功能说明：该设计在带负载1kΩ的情况下可产生四种波形，正弦波、方波、余弦波、窄脉冲。⑶模拟部分实验结果图4-1-3-1方波正弦波同屏图实际改进后的电路产生的方波幅值降低变为3.280V,频率达到6kHz时正弦波峰峰值为1.040V符合要求，频率达到4kHz时正弦波不失真。图4-1-3-2最大占空比窄脉冲窄脉冲的幅值为4.480V大于3.2V，符合要求，正弦波占空比50%，窄脉冲占空比47.63%，为最大占空比，滑动变阻器调节为最小仍为窄脉冲的状态。图4-1-3-3最小占空比窄脉冲窄脉冲的幅值为4.480V大于3.2V，符合要求，正弦波占空比49.75%，窄脉冲占空比21.89%，为最小占空比，滑动变阻器调节为较大状态，可调范围约为30%，符合要求。图4-1-3-4正弦+余弦正弦余弦幅值分别为1.040V和1.120V，受干扰波影响，幅值有一定误差，但都符合要求，相位误差90°，正好符合要求。2.数字部分结果由于只实现了模不大于7000的任意进制计数器，并未将频率显示在BASYS3板所以并没有实验结果照片。五、讨论与结论1、出现的问题（故障及处理方法）⑴故障：原定电路图产生方波部分无单门限电压比较器和与非门，产生方波不规整，不是符合要求的方波。处理方法：①使用两个与非门，但是由于窄脉冲波形有倾斜角，必须使用至少一个与非门进行整形，产生方波的电路已经使用两个与非门，与非门的数量超出使用规定四个，所以放弃方案②模仿窄脉冲的产生，由于单门限电压比较器也能达到整形电压值的作用，所以替代一个与非门的作用，设计符合要求⑵故障：在产生正弦波的地方，仿真过程验证的7kΩ在实际操作中在最高频率峰峰值达不到要求。处理方法：降低电阻值为6.39kΩ，电压峰峰值符合要求，并且不失真。⑶故障：产生波形带有很多毛刺。处理方法：将电容的使用量减少，并且将各电阻分开避免接触短路。⑷故障：使用滑动变阻器调节频率时波形出现严重失真。处理方法：更换滑动变阻器，确保改变滑动变阻器的阻值时不会影响到其他部分。2、改进意见⑴可以先用RC振荡电路产生正弦波，再由正弦波分别产生方波、余弦波、窄脉冲，这是我设计的另一条思路，仿真结果正常，实物连接未完成，设计原理图如下：图5-2-1RC振荡产生正弦波原理图⑵选用更规整的电阻，避免电阻交错，产生干扰波。3、心得体会电子课程设计这门课是学习数字电子技术、模拟电子技术后，进行自主设计简单电路设计，提升学生对模拟和数字电路知识的综合运用能力，除此之外，还有掌握了常用元件的识别和测试，熟悉了常用仪器、仪表，了解了电路性能优化方法，理论与实践相结合，提高了实际动手能力和独立思考能力，培养了团队精神与协调沟通能力。做这个课程设计我是一个人一队，所以破除了依赖性，能够独立思考，冷静分析设计，但也独木难支，无法考虑全面，工作量太大，无法完成数字部分，以后加倍努力，争取一个人比一个队还强。最开始做的是数字部分第一部分是模为7000以内任意进制设计，这个是遵循教程在Vivado2015设计开发软件中建立图形化编程，完成计数器烧录到BASYS3板上，供电后的BASYS3板可以直接显示从0到指定数值的循环显示。课程设计的模拟部分主要就是用NIMultisim14.0画原理图，然后搭建实物图产生所需波形，按照正常程序来并没有什么难点，主要是在最初使用软件时全英文，无从下手，还是慢慢摸索才得出使用的方法。最后到数字部分显示频率时时间已经不够，就只有设计思路，并没有完成。最后没有完成得到的教训是，首先增加对知识的熟悉度，做东西要快，第二就是提前有明确的规划，避免人云亦云，被同学拖慢进度，就是说关于这个任务的前瞻性，第三就是努力还不够，需要继续努力，少玩手机。不管怎么说，这次对学过的知识的再运用，让我明确了自己的不足，对下面的学习有了更深刻的规划。