简易信号发生器和简易频率计论文课程设计毕设论文.doc

数字电子技术
课程设计

题目名称：简易信号发生器和简易频率计
院系名称：
班 级：
学 号：
学生姓名：
指导教师：

2013年 1 月

中文摘要

函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）正弦波的电路。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及结构分析，可以设计一个能变换出三角波、
正弦波、方波的函数波形发生器。
数字频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测
量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。
关键词：函数信号发生器
数字频率计 测量频率 过程自动化 触发器

Abstract

Function signal generator is able to generate a variety of waveforms,
such as the triangle wave, sawtooth wave, rectangular wave (including square wave), sine wave circuit. Function signal generator has a very wide range of uses in the detection circuit experiments and equipment. Function waveform generator principle and composition analysis, design can transform a triangle
wave, sine wave, square wave function waveform generator.
Digital frequency meter is a timing circuit, it is mainly constituted by
the flip-flop has a memory function. , Have been widely used in computer and digital instrument. In electronic technology, the frequency is one of the most basic parameters, and many electrical parameter measurement solutions, the measurement results are very close relationship between the frequency measurement becomes more important. Measurement frequency variety, electronic counter measures the frequency with high precision, easy to use, rapid measurement, as well as facilitate the realization of the measurement process automation is one of the important means of frequency measurement

Key words: Function signal generator,
square wave, triangle
wave, sine wave

目录

一、 前言 6
二、 总体方案设计 6
三、 设计原理 6
1. 信号发生器 6
2．频率计 9
四、 设计内容 12
五、 焊接与调试 13
六、 心得体会 15
七、 参考文献 17
八、 附录 17
1、工具清单 17
2、元器件清单 17
3、主要芯片介绍 20
4、原理图 24

24
一、 前言
本次课程设计通过以往学过的数电和模电知识来实际运用，通过这次课设来让我熟悉查找资料、设计电路、计算机仿真、安装调试等过程，并由此让我们掌握一些测试电路的基本方法，和一些集成器件的功能以及怎样运用的技能，通过这次课程设计让我们的理论和实践更好地结合起来。

二、 总体方案设计
通过一系列的电容电阻和放大器产生波形，设计一个信号发生器；用一些集成器件通过脉冲式4518计数来实现频率的计数，由此设计出一个简易的频率计。

三、 设计原理
1. 信号发生器
信号发生器的整体结构如下

（1） 正弦波
由 正弦波振荡电路产生正弦波，通过电容和电位器调节频率，由4个电容进行换档，分别控制4个量程，量程确定后通过电位器进行频率的微调。
（2）偏置电路
电路中产生的正弦波以及后面要产生的方波和
三角波容易产生上下偏移，所以需要在电路中设置
偏置电路，来调节偏移。偏置电路可由运算放大器
组成的加法电路来实现。

u

(3)方波
由运算放大器组成的过零比较器可实现将正弦波转换为方波的功能。
u

（4）三角波
由运算放大器组成的积分电路可实现将方波转
换为三角波的功能。
方波和三角波的频率与正弦波的频率相同，可
通过正弦波振荡电路来调节。
在积分电路中，信号的周期和积分时间常数两
者在数值上有一定的要求。当信号频率改变时，也
应相应地改变积分电路中的电容值。
u

注意：在测试三角波的时候，当积分常数过小，三角波幅值过大，会出现顶部和底部都失真的情况；当积分常数过大时，三角波的幅值过小，所以调节的时候要合适的调节三角波的积分常数。
（5）调幅电路：可由运放组成的比例电路来实现，反
馈电阻由电位器构成，即可达到调幅的目的。
2．频率计

放大整
形电路
脉冲
计数器
数据锁
存电路
译码驱
动电路
LED显
示电路
时钟电路

单稳态

清零脉冲
输入

（1） 放大整形电路
由双运算放大器NE5532组成，采用±5V电源。其中一个运算放大器对输入信号进行放大，放大倍数选用50；另一个运算放大器接成过零电压比较器，对放大后的信号进行整形，产生±5V的脉冲信号。要想得到TTL脉冲信号，需要设计成带限幅的过零比较器。
放大整形电路的波形变换：
为了能够对直流周期信号的频率进行测量，需要在放大前加入滤波电路。
待测信号
u
滤波后信号
u

放大后信号
u

u
带限幅过零比较器输出：

(2)时钟电路、清零和锁存脉冲
晶振采用平常较为多见的时钟晶振，谐振频率为 32.786kHz，用 CD4060 对其进行 214 分频，得到2Hz的信号，再由J-K触发器CD4027进行2分频得到需要的1秒的时钟信号。

时钟信号同时又作为锁存器的锁存信号，直接送到锁存器74HC374，在时钟信号的上升沿进行锁存。
在时钟信号的上升沿时刻，用单稳态触发器CD4528产生一个宽度25微秒的清零脉冲送至计数器CD4518的CLR端，使脉冲计数器清零后重新开始计数。
由于单稳态触发器的时间延时，可以保证锁存器进行锁存之后，计数器才开始清零操作。
四、 设计内容
1、用各种不同的电容和电阻来产生各种不同频率的正弦波，通过适当的调节电阻RW1来得到一个比较合适的波形，后面的依次通过比较器，放大器，反相器来实现方波和三角波，因为电容的不同，所以实现了四个频率档的可控调节。
2、 使用谐振频率为32.786KHz的晶振通过CD4060对其进行2^14分频得到2Hz的信号，再由J-K触发器CD4027进行2分频得到需要的1秒的时钟信号。
时钟信号同时又作为锁存器的锁存信号，直接送到锁存器74HC374，在时钟信号的上升沿进行锁存。通过秒脉冲来控制CD4518的清零。
3、最后就是把CD4518的数通过译码芯片显示到数码管上，所以构成了频率计。
五、 焊接与调试
星期一、星期二都在了解电路原理，并且用软件仿真，星期三开始焊接。
两个人一组，于是分工合作，我焊接了信号发生器
焊接其实比较简单，就是按照元件的位置放置，然后从低到高的顺序（导线、电阻、二极管、底座、管脚、电容……)。 焊接没用多久时间就完成了，频率计也差不多焊接完成，接下来的就是调试的问题。
调试的时候，刚一开始调试的是频率计，频率计调试的比较简单，只需要往频率计上面加上正负5V的电压，加上频率，在数码管上就会显示出该该频率的数值，频率计调试倒是一下就成功。到调试信号发生器的时候，一开始我就按照正常的规则接好电源，然后通电测试波形，测A点的时候，打一开始就不出波形，于是我就调节电阻RW和RW1，但是怎么调节都调解不出来，于是我判断肯定是电路板上哪个地方出现问题了，于是就开始检查，我先检查了看与产生A点波形有关的电阻是否有问题，但是结果它们都说好的，那就是可能是芯片和电容的问题，电容一般不会坏，于是我直接检查了我的芯片和其他同学能产生正常波形的同学换了芯片，但是检查的结果是运放的芯片是好的。最后我怀疑电容出现了问题，但是我这时却不知道怎么检查电容到底是好是坏，我往网上查了一个方法就是可以用数字万用表的二极管档，测电容是否被击穿，如果导通则表明电容已坏；或者用欧姆档测量，如果电阻为无穷大，则正常，否则该电容已坏。于是我测量了我的电容，只有一个电容在欧姆档是有示数，我又测量了其他同学的也是有示数，那我原来的猜测又被推翻了，得出的结论是电容没有坏，但是就这样，器件都检查过了，都没有坏，焊接的点都检查了一遍，也没有什么问题，但是就是出不了波形，这是让我很不解的问题。在实在没办法的情况下，我请教了老师，但是按老师说的还是没有做出结果，这时候没剩下多少时间了，但是不想就这么放弃，于是又找老师重新要了器件，又重新焊接一次，这一次成功了。
六、 心得体会
本次课程设计历时5天,在这短暂的时间里我们小组最终顺利完成课题，函数发生器，简易频率计。通过这次课设加强了我的动手，思考和解决问题的能力。在设计的过程中难免会遇到各种突发的问题，心里总是相信自己的能力而不去仔细检查，为此没少浪费时间。其实课程设计同时是对课本知识的加强巩固，只是平时我没能将知识学牢，所以在这次的设计中，解决一些课本上教不了的东西。同时我认为我么的工作时一个团队的工作，团队需要个人，个人离不开团队，必须发扬团结协作的精神。设计中只有一个人知道原理是不够的，否则一个人的失误就可能导致全部的失败。团队协作是我们课设的成功的一项非常重要的保证。而这次课设也正好锻炼了这一点。对我们而言，知识上的收获是重要的，精神上的收获更加可喜，挫折是一种财富，成功是一种激励，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途中一个非常美好的回忆！在此，非常感谢老师的细心指导，也同样谢谢其他同学的无私帮助！

七、参考文献
[1]康华光·模拟电子技术基础·高等教育出版社·1998,7
[2]实验指导书·中原工学院
[3]网络资源

八、 附录
1、工具清单
镊子一个，钳子一个，电烙铁一个，烙铁架一个，锡丝一条，
信号发生器元件清单
序号
名称
型号及参数
数量
1
C11、C21
1uF
2
2
C12、C22、C32
0.1uF
3
3
C13、C23、C33
0.01uF
3
4
C14、C24、C34
1000pF
3
5
C31
2uF
1
6
D1、D2
1N4148
2
7
DZ1、DZ2
1N4731
2
8
RW
100K（双联、含旋钮）
1
9
RW3
100K（3296）
1
10
RW1、RW2、RW4
10K（3296）
3
11
R6、R7
7.5K
2
12
R8 R20
5.1 K
2
13
R9
6.2K
1
14
R10 ~ R14、R5、R17
10K
7
15
R15、R16
100K
2
16
R18、R19、R22、R23
1K
4
17
RP1
510
1
18
U1、U2、U3
NE5532
3
19
排针
2×4
3
20
排针
2×3
1
21
排针
2×2
1
22
LED1电源指示
发光二极管
1
23
OUT＋、 OUT－
测量信号输入端
2只
24
电源接线端子
3位端子（电源接口）
1只
25
测试针
A、B、C、D
4
26
印刷电路板
PCB板
1
27
R21
1M
1
频率计元件清单
序号
名称
型号及参数
数量
1
CP1
100uF/16V
1
2
CU11
0.01uF
1
3
CY1
12pF
1
4
CY2
可变电容30pF
1
5
Cin
2uF
1
6
D1
1N4148
1
7
DS1 ~ DS6
数码管（共阴）
6
8
RDSxx、RP1
510
43
9
RY1
20M
1
10
RY2
330K
1
11
RU11、RU123
10K
2
12
RU121、 RU125~127
2K
4
13
RU122、 RU124
100K
2
14
U1、U2、 U14
74HC374
3
15
U3 ~ U6、U15、U16,
CD4543
6
16
U7、U8、 U13
CD4518
3
17
U9
CD4060
1
18
U10
CD4027
1
19
U11
CD4528
1
20
U12
NE5532
1
21
Y1
晶振32.768KHz
1
22
LED1电源指示
发光二极管
1
23
IN＋、 IN－
测量信号输入端
2只
24
电源接线端子
3位端子（电源接口）
1只
25
测试针
A、B、C、D、E
5
26
印刷电路板
PCB板
1
3、主要芯片介绍
（1）CD4543 BCD码译码/驱动器
CD4543可以把BCD码译码成7
段LED显示码。其中2，3，4，5脚
为BCD码输入端，1脚为锁存端，
图1 CD4543管脚图
9-15脚为译码输出，它可直接驱动
LED数码管（需串联限流电阻）。
管脚图如图1所示。

（2）CD4060 14级二进制分频器
电路内部带有振荡器，全静态操作，
有14级分频器，但只有10个输出端引
出，其中1脚为4096分频输出，2脚为
8192分频输出，3脚为16384分频输出，
4脚为64分频输出，5脚为32分频输出，
图2 CD4060管脚图
6脚为128分频输出，7脚为16分频输
出，13脚为512分频输出，14脚为256
分频输出，15脚为1024分频输出。管脚
图如图2所示。

（3）CD4518 双BCD加法计数器
该器件由两个相同的同步4 级计数
器组成。计数器级为D型触发器。具有
内部可交换的CLK和EN线，用于在
图3 CD4518管脚图
时钟上升沿或下降沿加计数。在单个单
元运算中，EN输入保持高电平，且在CLK上升沿进位。CLR线为高电平时，计数器清零。其中管脚3，4，5，6为第一个计数器的BCD输出，管脚11，12，13，14为第二个计数器的BCD输出。管脚图如图3所示。

（4）CD4027 双J-K触发器
CD4027包含了两个相互独立、互
补对称的J-K主从触发器。每个触发
器分别提供了J、K、置位、复位、时
钟输入和经过缓冲的Q及移位寄存
器，且通过将Q输出连接到数据输入，
可用作计数器和触发器。在时钟上升
图4 CD4027管脚图
沿触发时，加在输入端的逻辑电平传
送到Q 输出端。置位和复位与时钟无
关，而分别由置位或复位线上的高电平
完成。其中1CLK，2CLK为时钟输入端。

1S，2S为置位端，1RST，2RST为复位端。真值表如下表所示：
CLK
J
K
S
RST
Q
Q

1
X
0
0
0
0
1

X
0
0
0
1
1
0

0
X
0
0
0
0
1

X
1
0
0
1
1
0

X
X
0
0
X
无变化
X
X
X
1
0
X
1
0
X
X
X
0
1
X
0
1
X
X
X
1
1
X
1
1

（5）CD4528 双单稳态触发器
CD4528 由可重触发地单稳态触发器组成，Q和输出有缓冲。该器件工作时应在T1A和CX/RX1外接电容，在CX/RX1和VDD 端外接电阻。每个触发器具有上升沿触发输入A和下降沿B，复位端CLR为低电平时，终止输出脉冲。管脚图如图5所示。
真值表如下表所示：
输入
输出
CLR
AINPUT
BINPUT
Q
Q
L
X
X
0
1
X
1
X
0
1
X
X
0
0
1
1
0

1

1

图5 CD4528管脚图

（6）74HC374 三态八位锁存器
74HC374是具有三态输出的八位锁存器。
其输出端 Q0~Q7可直接与总线相连。当三
态允许控制端OE为低电平时，Q0~Q7为正
常逻辑状态，在时钟端CLK脉冲上升沿的作
用下，Q端数据随D而变，可用来驱动负载
图6 74HC374管脚图
或总线。当OE为高电平时，Q0~Q7呈高阻
态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但
锁存器内部的逻辑操作不受影响。
管脚图如图6所示。

4、原理图