函数信号发生器课程设计原版.doc

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《电子技术》课程设计报告

函数信号发生器课程设计

函数信号发生器
摘要
在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器。 种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路称为函数信号发生器，又名信号源或振荡器。函数信号发生器与正弦波信号发生器相比具有体积小、功耗少、价格低等优点, 最主要的是函数信号发生器的输出波形较为灵活, 有三种波形（方波、三角波和正弦波）可供选择，在生产实践，电路实验，设备检测和科技领域中有着广泛的应用。
该函数信号发生器可产生三种波形，方波，三角波，正弦波，具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能，其产生频率信号范围1HZ～100kHZ，输出信号幅值范围0～10V，信号产生电路由比较器，积分器，差动放大器构成，频率计部分由时基电路、计数显示电路等构成。幅值输出部分由峰值检测电路和芯片7107等构成。

关键词 信号发生器、比较器、积分器、555芯片、七段数码显示器、ADC芯片
技术要求
1. 信号频率范围 1Hz～100kHz；
2. 输出波形应有： 方波、三角波、正弦波；
3. 输出信号幅值范围0～10V；
4. 具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能。
一、系统综述
1.1系统设计思路
函数信号发生器根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以是集成器件（如单片集成电路函数信号发生器ICL8038）。产生方波、正弦波、三角波的方案也有多种，如先产生方波，再根据积分器转换为三角波，最后通过差分放大电路转换为正弦波。频率计部分由时基电路、计数显示电路等构成，整形好的三角波或正弦波脉冲输入该电路，与时基电路产生的闸门信号对比送入计数器，最后由数码管可显示被测脉冲的频率。产生的3种波经过一个可调幅电路，由于波形不断变化，不能直接测出其幅值，得通过峰值检测电路测出峰值（稳定的信号幅值保持不变），然后经过数字电压表（由AD转换芯片CC7107和数码管等组成），可以数字显示幅值。

1.2设计方案及可行性
方案一：采用传统的直接频率合成器。首先产生方波—三角波，再将三角波变成正弦波。
方案二：采用单片机编程的方法来实现（如89C51单片机和D/A转换器，再滤波放大），通过编程的方法控制波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率变换。
方案三：是利用ICL8038芯片构成8038集成函数发生器，其振荡频率可通过外加直流电压进行调节。
经小组讨论，方案一比较需要的元件较多，方案二超出学习范围，方案三中的芯片仿真软件中不存在，而且内部结构复杂，不容易构造，综合评定，最后选择方案一。
1.3系统功能块的划分
该系统应主要包括直流稳压电源，信号产生电路，频率显示电路和电压幅值显示电路四大部分。
直流稳压电源将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压，信号产生电路产生的信号，经过适当的整形，作为频率显示电路的输入，从而达到了数字显示频率的要求；产生的信号经过幅频显示部分（峰值检测电路和数模转换），便实现了幅值数字显示。
1.4 总体工作过程
先由反相输入的滞回比较器和RC电路组成方波发生电路，然后方波经积分器得到三角波，由差分放大器来完成三角波到正弦波的变换电路。频率计部分由时基电路、计数显示电路等构成，整形好的三角波或正弦波脉冲输入该电路，与时基电路产生的闸门信号对比送入计数器，最后由数码管可显示被测脉冲的频率。产生的3种波经过一个可调幅电路，由于波形不断变化，不能直接测出其幅值，得通过峰值检测电路测出峰值（稳定的信号幅值保持不变），然后经过数字电压表（由AD转换芯片CC7107和数码管等组成），可以数字显示幅值。

二、单元电路设计
1.信号产生电路
1.1函数发生器总方案
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片集成电路函数信号发生器ICL8038）。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法，如图2—1。
产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。
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。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

图2—1 函数发生器组成框
1.2 各组成部分电路的工作原理
① 方波发生电路的工作原理
此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压=+ ,则同相输入端电位 =+ 。通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，趋于+ ；但是，一旦 =+ ,再稍增大，从+ 跃变为- ,与此同时从 跃变为- 。随后，又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，趋于- ；但是，一旦 =- ,再减小，就从- 跃变为+ ，从- 跃变为+ ，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。
② 方波—三角波转换电路的工作原理
图2—2 方波—三角波转换电路
图2—2所示的电路能自动产生方波—三角波。工作原理如下：若R2左断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压，R1称为平衡电阻。比较器的输出的高电平等于正电源电压+ ，低电平等于负电源电压- （|+ |=|- |）, 当比较器的U+=U- =0时，比较器翻转，输出从高电平跳到低电平- ,或者从低电平跳到高电平。设 =+ 则
将上式整理，得比较器翻转的下门限单位为
若 = -,则比较器翻转的上门限电位为
比较器的门限宽度
由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图2—3所示

图2—3 比较电压传输特性 图2—4 方波、三角波的转化
R2左端断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为
时，
时，
可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如图2—4所示。
R2左端闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。
三角波的幅度为
方波-三角波的频率f为
由以上两式可以得到以下结论：
a) 电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。
b) 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。
③三角波—正弦波转化电路的工作原理
三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。
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，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。分析表明，传输特性曲线的表达式为：
式中　　
——差分放大器的恒定电流； ——温度的电压当量，当室温为25°C时，≈26mV。
如果为三角波，设表达式为
式中，—三角波的幅度；T—三角波的周期。

图2—5 三角波—正弦波变换
为使输出波形更接近正弦波，由图可见：
a)传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；
b)三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
图2—6为实现三角波—正弦波变换的电路。其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

图2—6三角波—正弦波变换电路
2. 计频显示电路
测量正弦波、方波、三角波的频率，利用施密特触发器将输入信号整形为方波，并利用计数器测量1s内脉冲的个数，利用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。
2.1频率测量的方法
1) 测周法
测周期法，测周期法使用被测信号来控制闸门的开闭，而将标准时基脉冲通过闸门加到计数器，闸门在外信号的一个周期内打开，这样计数器得到的计数值就是标准时基脉冲外信号的周期值，然后求周期值的倒数，就得到所测频率值。
首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平时间是一个信号周期T的方波信号；然后用一个一直周期T1的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对T1信号进行计数，如图2-7所示。

若在T时间内的计数值为N2,则有：
T2=N2*T1 f2=1/T2=1/(N2*T1)=f1/N2
N2的绝对误差为N2=N+1。
N2的相对误差为δN2=(N2-N)/N=1/N
T2的相对误差为δT2=(T2-T)/T=(N2*T1-T)/T=f/f1
从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准计数信号的频率成反比。当f1为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。
2）测频法
测频法是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时间为T，计数器得到的计数值为N1，则被测频率为f=N1/T。改变时间T，则可改变测量频率范围。
设在T期间，计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是N1=N+1,N1的相对误差为δN1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相对误差可知，N的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f已确定的条件下，为减少N的相对误差，可通过增大T的方法来降低测量误差。当T为某确定值时（通常取1s），则有f1=N1,而f=N，故有f1的相对误差：
δf1=(f1-f)/f=1/f
从上式可知f1的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此测频法适合用于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。
本次课设要求测1~100KHZ的信号，因此，采用测频法测频率。
因此可得计频显示电路框图如下：
数码显示
锁 存
计数译 码
放大电路

闸门检测
待测信号 计数

清零
控 制 电 路
时基电路

控制信号

计频显示电路原理框图
2.2 整形电路
由于由门限电压比较器构成的整形电路会产生较大的信号干扰造成计数不准确，所以采用555构成的施密特触发电路构成整形电路（如图2.2.1所示）。用555构成的施密特触发器作用是将输入的周期性信号，如正弦波、三角波变换成脉冲波形，其周期不变。

图2.2.1 整形电路
三角波和正弦波整形后的电路图

图2.2.2

图2.2.3
2.3 时基电路
时基电路的作用是控制计数器的输入脉冲。当标准时间信号（1s正脉冲）到来时，闸门开通，被测信号通过闸门进入计数器技数：当标准脉冲结束时，闸门关闭，计数器无脉冲输入。时基电路可以由555定时器构成的多谐振荡器实现，如图2-12。
利用式计算参数。仿真的结果如图2.3.2所示。

图2.3.1
2.4控制电路
控制电路是整个计频显示电路正常工作的核心部分，需仔细分析各种频率信号（计数，选通，锁存，清零）的时序关系，以最终控制计数译码显示电路的工作状态。由于功能要求识别的最小频率是1Hz，因此将选通信号的高电平时间定为1s，在这个时间段内允许待测信号输入进行计数，锁存和清零信号的输出均为高电平。在选通信号为低电平时关闭闸门，计数停止，处于数据锁存的时间段，此时的锁存信号为低电平，清零信号仍为高电平，直到选通信号的下一个高电平到来前（开始下一个计数），清零信号端输出一个低电平实现数码管显示的清零，准备进入下一个计数周期。如此往复，以实现待测信号的反复测量。这几个信号的工作时序如图2.4.1所示。
选通信号
计数信号 。。。 。。。。。。。
锁存信号
清零信号
实现此电路主要由两种方案：
方案一：采用CD4017计数芯片
方案二：采用JK触发器
比较两种方案可知，CD4017计数器构成的数字频率计时序关系相对简单，固定，控制电路中的各信号频率的可调节性较小，控制电路的控制脉冲必须是1Hz，由此来固定选通信号的周期，唯一可以变化的是延长锁存和清零保持的时间，采用JK触发器构成的数字频率计虽然时序关系稍微复杂一点，但其最大的优势在于控制电路中的各信号频率的可调节性较大，通过门电路的使用可以改变锁存和清零的时间。实际当中，只需选通信号为1s，并不需要太长的锁存时间和清零时间。因此，在对锁存和清零时间较为严格时，宜采用一JK触发器为核心控制电路的数字频率计。
由JK触发器构成的控制电路如图2.4.2所示。

图2.4.2
2.5用到的芯片
这部分芯片有555定时器、四位二进制同步计数器74LS160、JK触发器74LS175、译码器7447
1）同步十进制计数器74LS160（计数作用）
该计数器外加适当的反馈电路可以构成十进制以内的任意进制计数器。图3-7中是预置数控制端，D、C、B、A是预置数据输入端，是清零端，EP、ET是计数器使能控制端，RCO是进位信号输出端，它的主要功能有：
a. 异步清零功能
若=0，则输出ＱDＱCＱBＱA=0000，与其它输入信号无关，也不需要CP脉冲的配合，所以称为“异步清零”。
b. 同步并行置数功能
在=1，且=0的条件下，当CP上升沿到来后，触发器ＱDＱCＱBＱA同时接收D、C、B、A输入端的并行数据。由于数据进入计数器需要CP脉冲的作用，所以称为“同步置数”，由于4个触发器同时置入，又称为“并行”。
c.进位输出RCO
在=1、=1、EP=1、ET=1的条件下，当计数器计数到1001时进位RCO=1，其余时候RCO=0。
d保持功能
在=1，=1的条件下，EP、ET两个使能端只要有一个低电平，计数器将处于数据保持状态，与CP及D、C、B、A输入无关，EP、ET区别为ET=0时进位输出RC0＝0，而EP=0时RC0不变。注意保持功能优先级低于置数功能。
e. 计数功能
在=1、=1、EP=1、ET=1的条件下，计数器对CP端输入脉冲进行计数，计数方式为二进制加法，状态变化在ＱDＱCＱBＱA=0000～1001间循环。

图2.5.1 74160 芯片管脚图
2） D触发器74LS175（锁存作用）
锁存器的作用是将计数器在1s结束时的计数值进行锁存，是显示器上获得稳定的测量值。当时钟脉冲CP的正跳变来到时，锁存器的输出等于输入，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端。
74LS175是用4个D触发器组成的四位寄存器，它的逻辑电路图如图2.5.2

图2.5.2 74LS175逻辑电路图
其管脚图如图2.5.3

图2.5.3 74LS175管脚图
由图3-9的电路图可见，在CP上升沿到达时—端的状态被同时寄存到各触发器中,直到下一个CP上升沿到达时再一次置数。为了增加电路灵活性，74LS175中加了异步清零端，当=0时，不需要和CP同步，就可以完成寄存器Q0到Q3的清零工作。
3）显示译码器7447
7447七段显示译码器输出为低电平有效，用以驱动共阳极数码管。逻辑符号见图2-17。7447有4个 BCD码输入端 A、B、C和D，其中 D为最高有效位，A为最低有效位，它们分别与输出端口中的4位相连。7447的7个输出引脚 a～g直接与 LED的相应引脚相连。当灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或为高电平而试灯输入为低电平，则所有输出端都为1。BI/RBO是线与逻辑，作灭灯输入（BI）或动态灭灯（RBO）之用，或者兼为二者之用

图2.5.4 显示译码器7447
a.要求0—15时，灭灯输入（BI）必须开路或保持高电平，如果不要灭十进制数零，则动态灭灯输入（RBI）必须开路或为高电平。
b.将一低电平直接输入BI端，则不管其他输入为何电平，所有的输出端均输出为低电平。
c.当动态灭灯输入（RBI）和A,B,C,D输入为低电平而试灯输入为高电平时，所有各段输出都为0，并且动态灭灯输出（RBO）为低电平（响应条件）。
d.当灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或为高电平而试灯输入为低电平，则所有输出端都为1。
4）七段数码管
七段数码显示器是于发光二极管组成的，用来显示特定的的显示器。7段数码管发光二极管使用灵活，简单方便，当有电流通过时，相应的发光二极管就点亮；当电流消失没有电流时，发光二极管就灭。同样，共阳极LED显示器就是将所有发光二极管的阳极接到一起，接到电源正极。这样，当某个发光二极管的阴极加有低电平，该发光二极管即被点亮。

图2.5.5 七段数码显示器
通过a,b,c,d,e,f,g,dp各点和公共点的电位，就可以控制个发光二极管的亮暗，而不同的发光的亮暗组合就可以显示不同的数字（dp点是来表示小数点，在显示数字中不起作用）。比如，要显示“3”，则只需点亮a,b,c,d,g5个发光二极管，而其他均为暗，对于共阴极LED显示器来说，就是在在这些引脚上输入高电平即可。
频率f=，N为t时间内的振动次数，若t=1s，则f=N.因此只要对一秒内信号的振动次数进行计数，即可测出频率。计数器采用74LS160级联构成的10*10*10*10*10*10加计数器。将EP、ET接前一级74LS160的进位RC0，当DDDD=0000，则初始状态为QQQQ=0000,当第九个上升沿过后，计数器处在QQQQ=1001，产生RCO=1信号，同时下一级74LS160的EP、ET被置1，待第十个上升沿到达时，它也计数加1。这样级联可以得到多位十进制计数器。要测量1~100KHZ的信号，则需要六位十进制计数器。级联电路图如图2.5.6所示：

图2.5.6 74LS160级联电路图
当Q=1时Q*CP=CP，计数器开始对CP脉冲计数，经过一秒后Q变为0，停止计数并保持。计数器输出端与D触发器构成的数字锁存电路相连，接置数脉冲输入端，当为上升沿这一瞬间，将此时计数器的输出QQQQ存入D触发器中并保存。待下一个上升沿到来时进行下一次置数。
当Q为上升沿时，=+Q=1，计数器开始计数，当Q为下降沿时停止计数，为上升沿，将此时计数器的输出送入D触发器，进行锁存，这样周而复始，不断对输入频率进行更新。D触发器的输出端接显示译码器7447，再接共阳极七段码显示器，将D触发器中锁存的数显示出来，这样就可以读出所测信号的频率。频率计电路图附图2所示。
3.电压幅值显示电路

本模块主要由ADC进行数模转换，然后将所得的数字信号经过与门和或门的处理连接到显示译码器7447上，通过七段数码管显示所要的电压幅值，其原理框图如下图所示。

被测信号 ADC数模转换 信号处理 显示输出

3.1 ADC数模转换电路
ADC引脚介绍

Vin：信号输入 vref+，vref-：参考电压 soc：时钟脉冲输入 OE：输出允许
EOC：转换结束 D0~D7:数字信号输出
ADC连接图

3.2 对ADC输出信号的处理电路
ADC输出信号处理即是用十进制数表示输出信号，将处理后的信号接到74LS7447上来显示所测信号的电压幅值。其真值表如图3.2.1。
D3
D2
D1
D0
D1
C1
B1
A1
D2
C2
B2
A2
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
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0
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0
0
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0
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0
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0
0
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1
1
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0
1
1
1
0
0
0

0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
图3.2.1
例如，D3D2D1D0=0001 D1C1B1A1=0000 D2C2B2A2=0001 则可得到：数码管上显示的是01即，输入信号的电压幅值为1V。以此类推，可以得到0~10V的电压幅值。
则其连接电路图如3.2.2所示。

图3.2.2
电压显示电路图如附图3所示。
结束语
一周多的课程设计即将接近尾声，这是我上大学来的第一次课程设计，也是我人生中的第一次。回首这一周多，既有苦涩，又有欢乐。为了选择合适的方案，我和队友不得不去查阅大量的资料，上网查资料，寻找符合我们要求的方案。在设计中出现过许许多多问题，为此我有过熬夜到三点来解决问题的经历。但一个人的力量毕竟有限，许多问题不能靠自己一个人解决，还好还有老师，队友，同学，他们都提供了我非常及时有效地帮助，可是说这次课设的顺利完成离不开他们。我也从中学到了不少发现问题，解决问题的经验，更是提高了自己动手的能力。因为时间课设时间较短，课设论文中有很多不足之处，望老师给予批评指正。
参考文献：
1. 林涛 主编 《数字电子技术基础》 清华大学出版社 2006
2. 郝晓剑 杨述平 张连红等编著 《仪器电路设计与应用》 电子工业出版社 2007
3.孙宏国 周云龙 编著 《电子系统设计与实践》 清华大学出版社 2012
鸣谢
在这一周多的课程设计过程中，我遇到过很多的困难，但是在老师，同学的帮助下我顺利的完成了实验。在此，我要特别感谢我的指导老师楚岩老师和老师，以及我的队友葛康，还有对我提供帮助的高鹏等同学，有了他们的帮助才使我顺利的完成了本次课设。
3.
元件明细表
序号
名称
数量
1
运算放大器
2
2
三极管
4
3
电位器
4
4
寄存器74LS175
1
5
双JK触发器74LS76
1
6
十进制同步计数器74LS192
3
7
555定时器
2
8
电阻
若干
9
电容
若干
10
开关
3
11
双向稳压二极管
1
12
二极管
4
收获与体会
这部分芯片有555定时器、四位二进制同步计数器74LS160、JK触发器74LS175、译码器7447
一周多的课程设计结束了，可以说在本次的课程设计中，我的收获颇丰。首先此次课程设计检验了我学到的知识，培养了如何将所学到的知识运用到实际的问题当中去。在课设当中，我也学会了如何在一个团队中更好的完成自己的工作，认识到了相信队友，保持和谐的团队环境对一个团队是多么的重要。最主要的我认为，课设培养了我们查阅资料解决问题的能力，因为我们所学的知识毕竟有限，有些东西我们可能还没有学习涉及到，这就要靠我们通过查阅资料，自学知识，来解决问题。这种能力对我以后的学习很重要，通过这次的课程设计，充分的锻炼了我这方面的能力。经过这次课设我对所学的知识理解更深，这对我以后对课本知识的应用起到了很好地作用，使自己能够以后快速运用课本知识解决问题。

评 语

评阅人：
日期：
附图1

附图2

附图3