哈工程信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1、電子電路綜合設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告設(shè)計(jì)選題信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 姓 名：王俊 學(xué) 號(hào)：2010081329 班 級(jí)：20100813 指導(dǎo)老師：安澄全2013年6月摘要本綜合實(shí)驗(yàn)利用555芯片、CD4518、MF10和LM324等集成電路和分離元件來(lái)產(chǎn)生各種信號(hào)，利用555芯片與電阻、電容組成無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路，其產(chǎn)生脈沖信號(hào)由CD4518做分頻實(shí)現(xiàn)方波信號(hào)，再經(jīng)低通濾波成為正弦信號(hào)，再有積分電路變?yōu)槿遣āＷ詈?，所有的信?hào)均可通過(guò)幅值調(diào)節(jié)電路，進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)。所以此法形成的信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)產(chǎn)生的種類、頻率、幅值均為可調(diào)，信號(hào)的種類、頻率可通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器和接不同的跳線來(lái)改變，幅度可以通過(guò)電位器來(lái)調(diào)節(jié)。

2、信號(hào)的最高頻率可達(dá)到500Hz以上，可用的頻率應(yīng)三個(gè)以上，T,2T,3T或T,2T,4T均可。信號(hào)的種類應(yīng)三種以上，必須產(chǎn)生正弦波、方波，幅度可在1-5V之間調(diào)節(jié)。在此過(guò)程中，綜合的運(yùn)用多科學(xué)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了初步工程設(shè)計(jì)。一、設(shè)計(jì)選題二十二 信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)選題背景 信號(hào)發(fā)生器廣泛應(yīng)用于電子、通信、信號(hào)處理等相關(guān)領(lǐng)域中，信號(hào)發(fā)生器既可以由單片機(jī)、FPGA等數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，也可以由模擬電路實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)具有靈活性強(qiáng)、便于制作、成本低廉的特點(diǎn)，該系統(tǒng)既可用于實(shí)驗(yàn)，也可作為基本的信號(hào)發(fā)生裝置，具有一定的實(shí)用性。設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)可以產(chǎn)生多種波形信號(hào)，這些信號(hào)包括方波、三角波

3、。正弦波等。信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的波形信號(hào)的種類、頻率、幅值均可調(diào)節(jié)。 信號(hào)的頻率可通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來(lái)改變，幅值也可通過(guò)滑動(dòng)變阻器來(lái)調(diào)節(jié)。信號(hào)的最高頻率應(yīng)該達(dá)到500HZ以上，可用的頻率應(yīng)該有三個(gè)以上，或者說(shuō)頻率連續(xù)可調(diào)。信號(hào)的種類應(yīng)三種以上，必須產(chǎn)生正弦波、方波，幅值在1-5V之間調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)目的 1、了解555、CD4518、MF10等集成電路的工作原理及基本應(yīng)用設(shè)計(jì)。 2、熟練掌握常用儀器的測(cè)量使用方法。 3、掌握電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法，培養(yǎng)提高綜合利用多學(xué)科相關(guān)知識(shí)進(jìn)行初步工程設(shè)計(jì)與實(shí)際裝調(diào)系統(tǒng)電路的能力。二、設(shè)計(jì)方案與論證 做本設(shè)計(jì)時(shí)考慮了三種設(shè)計(jì)方案，具體如下：方案一 實(shí)現(xiàn)首先由單片機(jī)

4、通過(guò)I/O輸出波形的數(shù)字信號(hào)，之后DA變換器接受數(shù)字信號(hào)后將其變換為模擬信號(hào)，再由運(yùn)算放大器將DA輸出的信號(hào)進(jìn)行放大。利用單片機(jī)的I/O接收按鍵信號(hào)，實(shí)現(xiàn)波形變換、頻率轉(zhuǎn)換功能。圖1 基本設(shè)計(jì)原理框圖時(shí)鐘電路 系統(tǒng)的時(shí)鐘采用內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生的方式。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。晶振頻率為11.0592MHz，兩個(gè)配合晶振的電容為33pF。復(fù)位電路 復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位的方式。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。程序下載

5、電路 STC89C51系列單片機(jī)支持 ISP程序下載，為此，需要為系統(tǒng)設(shè)計(jì)ISP下載電路。系統(tǒng)采用MAX232來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的I/O口電平與RS232接口電平之間的轉(zhuǎn)換，從而使系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)串行接口直接通信，實(shí)現(xiàn)程序下載。方案一的特點(diǎn)：方案一實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)既涉及到單片機(jī)及DA、運(yùn)放的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，又有單片機(jī)的軟件編程，其波形產(chǎn)生原理與目前數(shù)字波形產(chǎn)生的主流技術(shù)DDS是很相似的，對(duì)于能力的培養(yǎng)是較為全面的。而且，系統(tǒng)產(chǎn)生的波形種類、頻率等參數(shù)可以很容通過(guò)軟件的更新而改變。方案二圖2 基本設(shè)計(jì)原理框圖 由555芯片與電阻、電容組成無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路，利用電位器調(diào)整脈沖信號(hào)輸出頻率，經(jīng)過(guò)加法計(jì)數(shù)器CD4518

6、分頻后，輸出方波信號(hào)。方波信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后，變?yōu)檎倚盘?hào)。方波信號(hào)經(jīng)過(guò)積分后，變?yōu)殇忼X波信號(hào)。多諧振蕩電路：由555芯片與電阻、電容組成無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路，利用滑動(dòng)變阻器調(diào)整脈沖信號(hào)輸出頻率。加法計(jì)數(shù)器：由CD4518加法計(jì)數(shù)器構(gòu)成分頻電路，得到方波輸出信號(hào)。積分器：由方波通過(guò)集成運(yùn)放積分電路后，得到三角波。低通濾波：由方波經(jīng)過(guò)MF10后得到正弦波。 輸入信號(hào) 輸出信號(hào)幅值調(diào)節(jié)電路 圖3 幅值調(diào)節(jié) 信號(hào)經(jīng)由幅值調(diào)節(jié)電路可進(jìn)行振幅調(diào)節(jié)。方案二的特點(diǎn)：方案二運(yùn)用集成電路555配合模擬電流實(shí)現(xiàn)了方波、正弦波、三角波，實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。但靈活性較差，每產(chǎn)生一個(gè)波形，就要設(shè)計(jì)相應(yīng)的模擬電路，對(duì)于復(fù)雜波形，

7、電路也會(huì)更復(fù)雜。能很好的熟悉模擬電路。方案三 采用集成運(yùn)放如（LM324）搭建RC文氏正弦振蕩器產(chǎn)生正弦波，正弦波的頻率，幅度均可調(diào)，再將產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器，實(shí)現(xiàn)方波的輸出，再由方波到三角波和鋸齒波。圖4 基本設(shè)計(jì)原理框圖方案三的特點(diǎn)： 電路簡(jiǎn)單，在集成運(yùn)放的作用下，可以較容易的測(cè)到所需的波形。通過(guò)調(diào)整參數(shù)可以得到較完美的波形。但由于電路過(guò)于簡(jiǎn)單，使系統(tǒng)產(chǎn)生的波形種類、頻率等參數(shù)不易調(diào)節(jié)，不能很好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。 經(jīng)過(guò)對(duì)比，決定采用第二種方案，因?yàn)榈诙N設(shè)計(jì)方案更能直觀的體現(xiàn)出自己的設(shè)計(jì)思路，相比第一種設(shè)計(jì)方案來(lái)說(shuō)更易實(shí)現(xiàn)且省去了大量編程的困難，而且第二種方案可以通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的模

8、擬電路來(lái)熟悉各個(gè)器件。相對(duì)于第三個(gè)方案來(lái)說(shuō)第二個(gè)設(shè)計(jì)方案能更好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，且適合自己的難度系數(shù)。三、理論計(jì)算555脈沖產(chǎn)生電路的參數(shù)計(jì)算圖5 555脈沖產(chǎn)生電路（無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路） 根據(jù)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生信號(hào)最高頻率應(yīng)大于500Hz。555電路產(chǎn)生脈沖的頻率穩(wěn)定度比較差，需要對(duì)脈沖進(jìn)行分頻，這樣最終信號(hào)的頻率就比較穩(wěn)定。而產(chǎn)生正弦波信號(hào)需要的開(kāi)關(guān)電容濾波器需要正弦信號(hào)頻率100倍或50倍的時(shí)鐘信號(hào)。根據(jù)555無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路特性，所產(chǎn)生的脈沖的周期為 T=0.693*(R1+R2)*C按照電路所示的參數(shù)，可以保證脈沖頻率達(dá)到50kHz。方波產(chǎn)生（脈沖分頻）電路設(shè)計(jì)圖6 方波

9、產(chǎn)生電路圖（CD4518芯片8管腳接GND，16管腳接+5V） 對(duì)脈沖信號(hào)的分頻采用十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器CD4518。 CD4518有兩個(gè)十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，利用兩個(gè)計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的100分頻。分頻后的信號(hào)就是占空比50%的方波信號(hào)。同時(shí)，以脈沖信號(hào)的2分頻信號(hào)作為開(kāi)關(guān)電容濾波器MF10的時(shí)鐘信號(hào)。正弦波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)圖7 正弦波產(chǎn)生電路 對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行低通濾波，就可以產(chǎn)生正弦波信號(hào)。但由于要求信號(hào)的頻率可調(diào)，這就要求低通濾波器的截止頻率是可調(diào)的。因此，系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電容濾波器MF來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低通濾波。MF10可以根據(jù)輸入時(shí)鐘的變化自動(dòng)改變低通濾波器的截止頻率。MF10的時(shí)鐘信號(hào)由555

10、產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)4518計(jì)數(shù)器2分頻整形后提供。以方波信號(hào)作為MF10的輸入。三角波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)圖8 三角波產(chǎn)生電路 對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行積分，即可獲得三角波。首先，必須濾除方波信號(hào)中的直流分量，否則會(huì)發(fā)生積分飽和，三角波信號(hào)不能產(chǎn)生。電路采用了兩個(gè)104電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。積分電路的時(shí)間常數(shù)T=R6*C6, 積分時(shí)間常數(shù)必須謹(jǐn)慎選取。首先，積分常數(shù)的選取，必須保證在整個(gè)積分周期內(nèi)，運(yùn)放不會(huì)發(fā)生積分飽和。只有在積分時(shí)間常數(shù)T較大時(shí)，積分電流才近似恒定，積分波形較為準(zhǔn)確，因而一般應(yīng)該使積分時(shí)間常數(shù)T大于幾倍的輸入方波時(shí)間周期。對(duì)積分電容，還應(yīng)該并聯(lián)一個(gè)積分飄移泄漏電阻，防止由于發(fā)生積分飄移而發(fā)生積分飽和的現(xiàn)象

11、。積分飄移泄漏電阻的阻值應(yīng)至少為積分電阻10倍。三角波產(chǎn)生電路信號(hào)幅值調(diào)整電路設(shè)計(jì)用運(yùn)放組成反相比電路對(duì)方波信號(hào)、正弦波信號(hào)、三角波信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)調(diào)整反相比電路的反饋電阻阻值該改變放大倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅值的調(diào)整。圖9 信號(hào)幅值調(diào)整電路四、測(cè)試方法與數(shù)據(jù)測(cè)試方法： 測(cè)試項(xiàng)目：脈沖頻率、方波、正弦波、三角波及其頻率、幅值的調(diào)節(jié)變化。測(cè)試構(gòu)成及方法：將555芯片和CD4518按設(shè)計(jì)中電路分別接+5V電壓和GND，將MF10和LM324分別接+5V和-5V,兩個(gè)電源保證共地。將示波器分別連入各波形的輸出端，分別調(diào)節(jié)無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路電位器阻值和信號(hào)幅值調(diào)整電路電位器阻值觀察各波形頻率幅值變化。測(cè)

12、試儀器萬(wàn)用表、直流穩(wěn)壓電源、示波器測(cè)試數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路電位器，隨著其阻值增大，波形周期變長(zhǎng)，其阻值減小波形周期變短。調(diào)節(jié)信號(hào)幅值調(diào)整電路電位器，隨著其阻值增大，波形幅值變大，其阻值減小波形幅值變小。五、結(jié)果分析與收獲 綜合實(shí)驗(yàn)等了好久，總算是輪到了。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的還算順利吧，開(kāi)始就是查查資料，看看芯片資料，看看數(shù)電，然后了解了芯片的用法，就開(kāi)始畫(huà)原理圖，在Multisim上進(jìn)行了仿真，由于軟件的問(wèn)題，只是仿真了方波、三角波，還有幅值調(diào)節(jié)電路部分，通過(guò)仿真的情況來(lái)看，基本沒(méi)有問(wèn)題了。我做的是印刷板子，所以就是在AD上畫(huà)原理圖了，然后做PCB，這些做的還好，就是慢慢來(lái)吧，最后板子做好了，接下

13、來(lái)就是仔細(xì)的焊接了，因?yàn)橹黧w部分做好了，所以就是認(rèn)真的焊接了，接下來(lái)的一切還算順利，沒(méi)出什么問(wèn)題，我是一級(jí)一級(jí)焊接的，方波部分的弄好了，用萬(wàn)用表檢查了，沒(méi)有問(wèn)題了，就接上電源和示波器，看看這部分是否完成，這樣，一個(gè)接一個(gè)，每個(gè)部分都沒(méi)問(wèn)題了，最后也肯定沒(méi)有問(wèn)題。其實(shí)，這次的實(shí)驗(yàn)還真的很順利，沒(méi)有什么大的問(wèn)題出現(xiàn)，就是做到分頻的時(shí)候，才發(fā)現(xiàn)我的芯片CD4518是壞的，因?yàn)槲沂亲龊靡徊糠志蜏y(cè)試，在用萬(wàn)用表檢測(cè)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)我的芯片在接上電路的時(shí)候，1、7管腳會(huì)短路，開(kāi)始我還以為是芯片的特性吧，可是我再用同學(xué)的芯片測(cè)試的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)不是這樣的，所以，我覺(jué)得是我的芯片是壞的,這也算是個(gè)小插曲吧，也說(shuō)明了在

14、實(shí)驗(yàn)之前，檢查電路板是多么的重要了。實(shí)驗(yàn)里最重要的應(yīng)該就是調(diào)試部分了，畢竟理論和實(shí)驗(yàn)是有些偏差的，我覺(jué)得實(shí)驗(yàn)就是在理論的基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步的去改善你的設(shè)計(jì)方案，本次實(shí)驗(yàn)主要的改變就是電源處的濾波電容，我是加了兩個(gè)，然后就是正弦波輸出的地方加了10uf電容，就主要改動(dòng)了這兩個(gè)地方，其他的都沒(méi)什么大問(wèn)題。做實(shí)驗(yàn)做了很多，從大一的物理實(shí)驗(yàn)，大二的模電實(shí)驗(yàn)，大三的高頻等等，到現(xiàn)在的綜合實(shí)驗(yàn)，其實(shí)說(shuō)真的，每一做實(shí)驗(yàn)，不管是什么實(shí)驗(yàn)，肯定會(huì)有收獲的，而且在每一次的基礎(chǔ)上你會(huì)覺(jué)得對(duì)那個(gè)過(guò)程有了不一樣的感受，這次的綜合實(shí)驗(yàn)算是給大三的實(shí)驗(yàn)生活開(kāi)了個(gè)頭，也是自己專業(yè)學(xué)習(xí)的一個(gè)實(shí)踐，從設(shè)計(jì)到制作，每一點(diǎn)都和自己的專業(yè)知識(shí)有聯(lián)系的，一方面加深了理論知識(shí)的理解，一方面鍛煉了自己的動(dòng)手能力。設(shè)計(jì)完了，還要?jiǎng)邮趾附樱附雍昧?，還要認(rèn)真調(diào)試，從軟件到硬件，每一面都要涉及到的，所以，我覺(jué)得綜合實(shí)驗(yàn)是大三應(yīng)該好好的認(rèn)真做的實(shí)驗(yàn)，在畢業(yè)之前能有這樣的機(jī)會(huì)，鍛煉了自己的動(dòng)手能力，又鞏固專業(yè)知識(shí)，可以說(shuō)是一舉兩得，何樂(lè)而不為。最后，感謝在這次試驗(yàn)中老師的細(xì)心解答和輔導(dǎo)。附錄