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实用信号源的设计和制作
（综合课程设计报告）

班 级：
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学 号：
指导老师：

2011 年 9 月 1 日

目 录

一.实验任务 3
二.技术指标 3
三.方案设计与论证 3
【总体方案设计】 3
【可行性分析】 4
1.信号发生芯片选取 4
2.频率调节与方波占空比调节 4
3.测频与数码管显示 6
四.理论分析与计算 6
1）ICL8038外围电路电阻电容选取 6
2）LM318运算放大部分 8
3）NE555时基电路 8
4）CD4026时序分析 9
五.测试方法、数据及现象 11
六.问题分析及解决 11
七.实验总结 12
八.电路设计图 14

一.实验任务
在给定±15V电源电压条件下，设计并制作一个信号源。
（不采用单片机控制；不选用ICM7216芯片）

二.技术指标
【要求】
1）正弦波信号源（20Hz～10KHz）
a.信号频率：20Hz～10KHz连续可调；
b.频率稳定度：优于10-4；
c.非线性失真系数：≦3%。
2）脉冲波信号源（20Hz～10KHz）
a.信号频率：20Hz～10KHz连续可调；
b.上升和下降时间：≦1us；
c.平顶斜降：≦5%；
d.脉冲占空比：2%到98%连续可调。
3）上述两个信号源公共要求
a.在负载为600欧时，输出幅度为100mV～3V连续可调；
b.完成5位频率的数字显示；
c.在信号频率20HZ~10KHZ连续可调时，占空比不变，波形对称不失真。
4）降低正弦波非线性失真系数

三.方案设计与论证
【总体方案设计】
实用信号源电路
运放电路
时钟触发电路
频率显示电路
实用信号源框图如右，实用信号源电路采用ICL8038芯片产生正弦波和脉冲波，并实现占空比可调、频率可调、信号频率预置；运放电路采用LM318芯片，实现波形幅度可调；时钟触发电路采用NE555和CD4001芯片，以接收信号，并为频率显示电路中的计数器提供时钟信号；频率显示电路包括CD4026计数器芯片和数码管，用以对信号频率计数并显示。
【可行性分析】
1.信号发生芯片选取
ICL8038为精密函数信号发生芯片，带宽调节可达0.001Hz到300kHz，正弦波输出失真低于1%，三角波线性失真低于0.1%，方波输出TTL电平到28V，上升时间180ns，下降时间40ns，足以满足本次实验的任务和技术指标。
2.频率调节与方波占空比调节
1）仅使用ICL8038芯片，并通过简单的外围电路同时实现频率调节与方波占空比调节两个功能。典型电路有下面两类：

图一 频率与占空比调节
如图一电路，Ra和Rb两电阻的阻值，由下面两公式可确定输出波形的上升时间t1和下降时间t2，从而决定周期T=t1+t2，占空比为t1:(t1+t2)。
但此电路或其修改的派生电路存在占空比调节时频率受影响，且频率调节范围不足，需要切换电阻和电容，不能满足频率连续调节的要求，所以不可取。

公式：

2）

图二 可变音频振荡器，20Hz到20kHz
如图二电路，为扫频电路改进的音频振荡器，1N457引入的压降可以增大频率调节范围，但实际实验中为了减少器件未加入1N457亦可达到要求。
该电路可以产生稳定的频率控制，但如果想同时实现占空比的调节，需要在5脚和4脚上使用较大的可变电阻，而固定电阻的值作为限流保护可适可而止就好。从理论上看本方案除了调节占空比的时候频率会受到一定的扰动，而且正弦波也会在调节方波占空比时发生失真这两点，其他方面都没有问题。从电路的简洁上看，是可行的。
但通过实验测试，由于上述所提到的在占空比调节过程中5脚和4脚分配电流发生变化，使输出频率受到影响，最终在某些频段占空比并不能实现理想调节，满足不了2%到98%连续可调的要求，所以将模块功能分开设计：ICL8038负责占空比为50%的波形产生，力求使失真达到最小；而将方波占空比的调节交给比较器LM318完成，如图三，电源用5V电压足矣，其余的电阻阻值在实验过程中可修改使其达到理想的放大效果。

图三 LM318产生占空比可调的方波
3.测频与数码管显示
由于数码管显示精度为1Hz，所以测频时采用等精度算法，在1s钟内计数，计数值就是信号的频率值。
定时器选取NE555，输出通过反相器产生1s的低电平。
计数器使用CD4026，输出即使7段数码管显示值。

四.理论分析与计算
1）ICL8038外围电路电阻电容选取
电路图【占空比调节】
芯片使用±15V供电，扫频电压通过滑动变阻器R8可为8脚提供5V～15V的控制电压，电阻R4、R5分别为2k，滑动变阻器R2为100k用于调节占空比，由下述公式
占空比=[（R5+R2左）-（R4+R2右）]/2（R5+R2左）
【正弦波失真度调节】
1,2脚连接R1，R12的100k欧滑动变阻器和各自10k欧电阻构成的分压网络可用于调节正弦波失真度。

【频率调节】
由手册公式

可知大体的电容选取
f=20Hz 对应474
f=200Hz 对应473
f=2kHz 对应472
f=10kHz 对应471（由于实验过程中未能找到471，可用681亦能很方便地调节到10kHZ）
2）LM318运算放大部分

两个电容，104和105 为防止自激干扰去交流所用。
3）NE555时基电路

NE555的3脚输出占空比，即跳动的高低电平控制计数。
根据手册提供的公式：
T1=0.683*(RA+RB)*C T2=0.683*RB*C
F=1.443/((RA+2RB)*C)
由6、7脚间和7、8脚间电阻阻值决定，由于后者阻值相对2M电位器可以忽略，T1=T2=0.683*R*C，F=1.443/(2*R*C)，经计算可得知当F大致取0.5Hz时，C取值为约为1uF。由于是使用电位器，阻值可调所以电容取1uf数量级的电容都可以的。
在实现计数和清零的功能后，手动调整电位器，使其输出的频率值能和示波器上的频率值对应，而且一段时间内稳定不变。即让其在1s计数。
4）CD4026时序分析
电路图：

30Ω

（在数码管的接地端加电阻，目的是限流，防止LED温度升高时导致的电流增加而发生过流，那样有可能烧毁LED本身或是芯片甚至电源。）

时序图如下：

易知Count(2脚)输入的上升沿计数器计数，Carry Out（5脚）为十进制进位输出用于级联，reset（15脚）为高电平时芯片计数复位，Display Enable（3脚）为高电平时将输出显示信号电平，Clock Innibit为高时计数将暂停。
使用时将Display Enable拉高，Clock Innibit拉低，Count(2脚)接输入信号。
reset（15脚）和锁存器的触发端相连，两者连接NE555输出经过反相器后的信号，在1s计数复位信号到达，此时进行复位，并将输出锁存，刷新七段数码管。

五.测试方法、数据及现象
（1）正弦波信号
A、更换电容档位，分别由电容474、472、681，调节8038的8脚电位器达到20hz、500hz、10khz三个频率
B、频率稳定度基本符合要求
C、通过调节8038的1脚和12脚可使其非线性失真系数符合要求
D、频率调节时波形对称基本保持不变

（2）脉冲波信号
A、更换电容档位，分别由电容474、472、681，调节8038的8脚电位器达到20hz、500hz、10khz三个频率
B、频率稳定度基本符合要求
C、占空比可通过8038的4、5脚之间的电位器在2%--98%之间连续可调
D、平顶斜率符合要求

（3）放大电路
A、在负载为600Ω时，调节放大电路的10k电位器，使正弦波和脉冲波输出幅度可在100mv~3v之间连续可调
B、频率以及占空比同8038的信号输出

（4）显示电路
A、调节NE555的2M电位器，可使得显示频率与示波器一致
B、改变频率，数码管显示稳定且基本仍与示波器一致

六.问题分析及解决
1. 问题：ICL8038输出无波形
故障分析：频率、占空比或失真度调节的某一电位器过偏。
解决问题：先反复检查电路是否连接正确，确定电路连接无误后，将各电位器移至大体中间位置，使得频率、占空比、失真度的调节均在可见可调范围内，波形出来后，再仔细调节占空比、频率，然后看正弦波，调节8038的1脚和12脚的电位器使波形失真度达到合适。
2. 问题：运放输出波形自激严重。
故障分析：信号经过放大产生自激现象，需通过选择合适的电容进行滤波，才可得到平整连续的波形，消除自激现象。
解决问题：经过反复实验，正电源处加一个1u的电容，负电源处加一个0.1u的电容即可。
3. 问题：数码管不计数。
故障分析： CD4026的1脚输入电压不足，导致其无法识别信号。
解决问题：之前第一模块测试时提供5v电压即可出现，但5V和10V下，CD4026的1脚输入电压不足，使得数码管无法计数，于是加大第一模块的供电电压至15V。
4. 问题：频率显示器计数不停。
故障分析： NE555的3脚输出一直处于低电平，使得CD4026的15脚一直处于低电平无法复位，2脚一直处于高电平计数。
解决问题：重连NE555电路，挨个检查NE555的3脚电位、CD4026的2脚和15脚电位。
5. 问题：数码管不够亮。
故障分析：在数码管的接地端加的分压电阻选择不当，电阻太小，数码管可能因过流而烧坏；电阻太大，数码管显示又不够亮。
解决问题：在保证数码管能可靠导通的情况下加一适当的限流电阻。
6. 问题：频率显示与示波器不符。
故障分析：NE555控制的时钟太快。
解决问题：调节NE555的6,7脚间的2M电位器，使得显示的频率刚好停在与示波器频率相同的位置，此时大致NE555时钟则为1S。

七.实验总结
转眼间就到了大四，在大四开学前这个综合课程设计也便成为了我们大三结束前的最后一门课程。第一天老师把题目发下来，刚看到题目，是既兴奋又紧张的，兴奋自己在大四之前还能有机会这样好好地动手实际做些东西，紧张的也是怕做不好影响了成绩。看着题目本没有太大的头绪，但是感觉这和我们的本专业是息息相关的，不管怎么样，这是一个锻炼机会，自己都要认真地将其完成！
头三天老师只是让我们回去设计电路，但起初真是什么思路都没有，后来经同学的提点，以及实验要求中的提示器件，上网查找了相关的器件通用的链接方式以及具体的参数用途，后经分析再和同学商量，初步将设计图完成。实际上设计图也是将各器件的基本链接给链接起来而已，而为了得到更适合的电阻、电位器以及电容的值，就得好好地研究其整体的工作原理。
第四天开始动手连电路了，因为原理大体已经清楚，所以一开始对自己就是信心满满的，想着马上就能将电路连完就可以测试验收了。可是，实际上并没有自己想象的那样顺利。在连接第一模块8038电路的测试中就出现了问题，波形怎么都出不来，电路检查了好多遍都未发现问题。因为怕是面包板的问题，便将电路在另一个面包板上重新连接一遍，可是由于当时测验太多次仍不成功心已经开始急躁了，致使新连接的电路只草草检查了一遍就急于看结果，很不幸地因为漏掉了一根电源线致使自己的芯片被烧。第一天很不甘心地回去后仔细检查同时也让同学帮忙检查了电路，发现电路的连接本身并没有问题。后来我猜想是电位器过偏了致使波形无法显示出来，于是第二天测试了下成功出波形的同学的电位器，将自己的电位器都大致调到差不多的档位，换上新的芯片后，波形果然出来了！然后自己根据原理上所说分别调节各电位器具体调节方波的频率、占空比和正弦波的失真度。
第一模块的失败让自己不敢再急于求成，但第一模块最终的成功也让自己在接下来的进行中增添了信心！放大电路的连接基本没有太大的问题。但数码管和4026的连接由于管脚过多，致使连接电路时必须要小心翼翼，因为线太多太密，在连接时就得特别注意以防插错方位。本来为了保证美观还很仔细地将线剪到合适的长度将其压平在面包板上，后实在是剪得手太疼，线太多，觉得这样下去浪费太多时间了，于是就索性还是将线都竖起来，不过为了区分还是尽量地用了不同的颜色。待到电路终于连好后，怀着忐忑的心将电路接起来，并给NE555和CD4026另外提供5V电压，当数码管显示并计数的时候心情很是兴奋，本以为成功了，后来发现，计数器貌似一直在加无法停止。于是分别测试了4026的15脚，NE555的3脚，发现它们都没有电平的跳变，这是明显不符合时钟设计的意图的。推测出问题一定出在NE555的链接上，仔细检查了多遍后发现是自己粗心把6，7脚给连到一块去了，电路修改后数码管计数果然恢复了正常，于是调节了555的6、7脚间电位器使其在示波器显示的频率数值上停下。调节完后再改变频率发现数码管显示大体都与示波器频率一致，证明这一模块也已成功！
在激动地想要叫老师来验收时才忽然发现，连上时钟电路后，放大电路输出的正弦波失真得极为严重。真是问题接二连三啊，后调了很久同时也将线路都压紧，最终才终于成功！
整个实验我是经历了兴奋失望惊喜到失望再惊喜的反复情绪。虽说实验有些坎坷，但最终还是完美收场了。确实在这次的实验过程中，让我在模电知识上又再巩固了不少。同时我也明白了，我们在做任何事的时候，最重要的就是耐心和细心，只有不焦躁，态度认真，且要相信自己才能把事情给完成好。生活也一样，挫折并不可怕，可怕的是我们没有打败挫折的勇气，没有坚持下去的信念，只要我们沉住气，一定能想出解决问题的方法，一定能做得很好！没有什么事情是绝对的，只要有心学，有心做，相信自己，最终一定会有好的结果！
总的说来，这次的综合课程设计让我无论是在知识还是动手能力，或是在生活态度上都受益良多，很感谢能有这样的一个机会！
八.电路设计图

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