压控阶梯波发生器的设计与制作大学论文.doc

前 言

此次实验是在我们学习了《模拟电子技术基础》和《数字电子技术基础》等课程的基础上进行的综合性训练。它不仅培养了我如何合理运用课本中所学到的理论知识与实践紧密结合，更提高了我们独立解决实际问题的能力。
本次课程设计的的压控阶梯波发生器是利用不同功能的芯片和逻辑电路构成的数字及模拟电路，其中所需的芯片如计数器、OP07放大器等，它与我们所学的数、模电密切相关。数字、模拟电子技术是电子、通信专业的重要基础课程，其特点之一是实践性强，电子技术专业设计，是依据教学、科研、生产的要求，熟悉与掌握电子电路的设计、安装、调试的过程，是通过理论指导实践，并转化为实用电路及电子产品的过程，要想较好的掌握电子技术，就要求在熟悉电子电路基本器件的原理上、基本电路的组成及分析方法的基础上，更要掌握电子器件和基本电路的应用，实践是科学发展的重要手段，也是电子电路教学过程中不可或缺的环节，因此电子电路课程设计也是其教学过程的重要组成部分。
通过此次“电子技术综合课程设计”我们应达到以下的基本要求：
一、综合运用电子技术课程中所学到的理论知识来独立完成此次设计课题，培养我们查阅手册和文献资料的良好习惯，以及培养我们独立分析和解决实际问题的能力。
二、在学习了理论知识的基础上进一步熟悉常用电子器件的类型和特征，并掌握合理选用的原则。
三、学会电子电路的安装与调试技能，以及与同组的组员的团结合作的精神。
四、为了满足学生对电工、电子技术课程的实践需求，学校特地给我们提供了为期三周的课程设计时间，这门课程将电子技术基础理论与实际操作有机地联系起来，意在加深我们对所学理论课程的理解。通过让我们运用已基本掌握的具有不同功能的单元电路的设计、安装和调试方法，在单元电路设计的基础上，设计出具有各种不同用途的电子装置。深化所学理论知识，培养综合运用能力，增强独立分析与解决问题的能力。训练培养严肃认真的工作作风和科学态度。同时，它也培养我们查阅资料的能力和学生的工艺素质，培养我们的团队精神以及综合设计和实践能力。就是培养我们严肃认真的工作作风和严谨的科学态度以及学会撰写课程设计报告，为以后毕业论文打好基础。

1.任务书
压控阶梯波发生器的设计与制作
一、 任务和要求：
设计并制作一个压控阶梯波发生器，要求如下：
1、输出阶梯波的波形如图示，频率f与电压Vc的函数关系为：
f=1/T=100Vc（Hz/V）
式中控制电压Vc的变化范围为+1V～+10V；

图1-1 阶梯波图形
2、阶梯波的实际频率与按上述函数关系计算所得数值相比，误差不超过±5%；
3、输出电压Vo的实际值与理论值相比，误差不超过±10%；
4、设计并制作本电路所用直流稳压电源，用AC220V供电。
二、 提示和参考文献
1、压控振荡器参阅《模拟电子技术》（第二版）第九章附录9A；
2、D/A转换器采用《电子技术基础课程设计参考资料》第一章图1-29的右半部分。

2.设计方案的选择
2.1提出方案
根据设计要求，该课题首先要有一个V/F变换器，将外加直流控制电压Vc变为脉冲信号，如何把脉冲信号变成周期与其频率有关的阶梯信号，考虑到先通过一个计数器对其计数，利用计数器输出各Q端产生规律性的高低电平，再通过一个D／A转换器，把计数器输出的脉冲信号相加，例如，起始计数器输出Q2Q1Q0=000,即各输出端均为零电平，产生的电流I0=I1=I2=0,D/A输出电压亦为零电平。第一个CP,Q2Q1Q0=001,这时,I0=I2=0,但I0不为零,输出电平亦不为零,产生第1个台阶.第二个CP,Q2Q1Q0=010,I0=I2=0,但I1≠0，若选取权电阻使I1=2I0,则在D/A输出端产生的电压即为第一个CP期间产生电压的2倍,产生第2个台阶.第三个CP,Q2Q1Q0=011,则D/A输出电压为第一个CP期的3倍,如此下去,需要产生多少个台阶,决定计数器的计数长度,如第四个CP,Q2Q1Q0=100.只有Q2输出为高电平,若选取权电阻使其产生的电压为第一个CP时的4倍,4个台阶已产生,一个压控阶梯波的周期已完成,再来一个CP,应取Q2Q1Q0=000，周而复始.由上分析,本课题要产生的如图3-6-1的压控阶梯波电压波形,只需设计一个五进制同步加法计数器即可,而D/A为权电阻网络D/A转换器.本课题设计方案的方框图如图2-1所示.

图2-1 压控阶梯波形发生器原理方框图
2.2方案论证
数字电路精确度较高、有较强的稳定性，可靠性和抗干扰能力强，数字系统的特性不易随使用条件变化而变化，尤其使用了大规模的集成芯片，使设备简化，进一步提高了系统的稳定性和可靠性，在计算精度方面，模拟系统是不能和数字系统相比拟的。为此，许多测量仪器为满足高精度的要求，只能采取数字系统。
数字系统有算术运算能力和逻辑运算能力，电路结构简单，便于制造和大规模集成，可进行逻辑推理和逻辑判断；具有高度的规范性，对电路参数要求不严，容易大规模集成和大规模生产，价格不断降低，这也是其发展迅速的原因之一，由于采用了大规模集成电路，数字系统体积小重量轻，可靠性强，使用方便灵活。另外，由于数字电路功耗低，因而可以有很高的集成度，也就是功能更强大。数字信号处理具有稳定、不需要调试、设置和修改方便，容易实现自适应处理，等等，这些都是数字电路比模拟电路优越的地方。具有算术运算能力和逻辑运算能力，可进行逻辑推理和逻辑判断。为了得到更精确的波形，采用数模混合方案具有算术运算能力和逻辑运算能力，可进行逻辑推理和逻辑判断。
3.单元电路的设计
⑴ V/F变换器的方案选择和电路设计
① V/F变换器的功能是将模拟信号电压变换成频率与之电压成正比的数字信号，本课题要求控制电压Vc与阶梯波的压频比为100Hz/V.研究图1-1给定的波形图，一个压控阶梯波为5个台阶，或者说，在一个周期T内，每个阶梯占有的时间为1/5T，若以变换后的脉冲信号作为计数器的时钟CP，实际的压频比应为500Hz/V，即外加电压Vc为＋1V时，输出脉冲频率为f=500Hz.
② 设计方案的选择
V/F为500Hz/V,可直接选用专用的压频变换器，精度高、线性度好如AD650、AD654,但价格较贵。在精度要求不太高的情况下，可采用集成运算放大器组成简单的压频变换电路。其中，电荷平衡式压频变换电路，精度可以在1%以下，而本课题要求为5%，完全可以达到设计要求。
③ 电路及电路参数选择
选择电荷平衡方式压频变换电路如图3-1所示。图中A1组成积分电路，A2为滞回电压比较器，D1为电子开关，工作原理如下：A1、R1、C1组成积分电路，A2、R3、R4组成滞回比较器，输出电压u02的幅值经稳压二极管稳压，D1,R6组成电子开关，当u02为+uZ，D1截止，相当于开关断开，u01的变化由积分电路参数决定，当u02为-uZ时，D1导通，相当于开关闭合，电容上充电电荷将通过D1,R6释放，使u01产生突跳，u01、u02的波形如图3-2所示

图3-1 电压-频率变换电路原理图

图3-2 V/F 变换电路波形的分析
由于（R6+rd1）C1<>T2.故该电路的振荡周期T=T1+T2T1.可
求得
T= f= =
当电路参数取定，则振荡频率f与外加控制电压UC成正比。选DZ为2CW53，两只对接，稳压值为+5V,即uz=5V，取C1=1uF,R1=10K，当UC=1V时，则有
==500=5
取R3=1K,R4为一个10K电阻和一只100K电位器串联。
（2）五进制同步加法计数器的设计
五进制同步加法计时器可以选用3片小规模集成JK，D触发器组合而成，还可以用1片中规模集成计数器如74LS160,74LS161,等接成一个五进制计数器。相比较本课题选用以片集成同步加法计数器74LS160组成一个五进制计数器，电路如图3-3 所示。
采用量数法，置数端D3D2D1D0=0000,其状态转换图如图3-4，当Q3Q2Q1Q0=0100时，LD=0,第5个CP上升沿到来时，状态转入Q3Q2Q1Q0=0000.图中，反相器74LS04，也可用四二输入与非门74LS00,接成反相器。
施密特触发器具有波形整形作用，同时又具有反相、延时、波形变换、检幅等功能，其管脚排列如下图3-5所示

图 3-3 五进制同步加法计数器

图 3-4 状态转换图

图3-5 74LS04内部管脚图
（3）D/A转换—加法器的设计
D/A的功能是将计数器Q端输出的高低电平转换成权电流相加，在输出端产生阶梯电压，选择电路如图3-6所示。
图 3-6 D/A转换电路
由状态转换图，Q3端没有用上，故Q3端开路，Q0、Q1、Q2分别极电阻R9,R8,R7.取值为 R9=4R , R8=2R, R7= R,以实现 I1=2I0,I2=4I0, 由R10引入负反馈，使运放A3反相输入端电压UN0（虚地点），故有：
I0+I1+I2=I
U03=-IR0
取R9=40K（39k） ，则R8=20K ,R7=10K,R10的计算如下; 设计数器输出高电平UQ=3.4V,当Q2Q1Q0=001时，U03=-1V,此时有I1=I2=0,I0=I,即：
UQ0 ／R7=-UO3／R10
暂取R10=1K，在调试过程中，若台阶电压间隔偏离1V过大，可适当调整。图3-6电路实际上是一个反相求和电路，获得的阶梯波电压为负台阶，故在D/A后面要接一个反相器（反相比例运算电路的比例系数为-1）如图3-7 所示。
（4）反相器电路模块设计
图 3-7 电路实际上是一个反相求和电路，获得的阶梯波电压为负台阶，故在D/A后面要接一个反相器 （反相比例运算电路的比例系数为-1—-10可调） 如图3-7所示
集成运放有同相输入端和反相输入端，这里的“同相”和“反相”是指运放的输入电压与输出电压之间的相位关系。根据电路要求，选用集成运放的反相输入端。
反相比例运算电路是典型的电压并联负反馈电路。输入电压通过电阻作用于集成运放的反相输入端，故输出电压 与输入电压 反相。同相输入端通过电阻接地，为补偿电阻，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性。
参数选择：取R11 =1KΩ，R12=10K的电位器，调整R12 阻值来调节阶梯波幅值的大小。

图 3-7 反相比例分解电路
（5）电源模块
本课题为模拟电路与数字电路组成的混合电路，首先要注意电源电压的选择。模拟电路选用的A1~A4均为双电源集成运放OP07，应选择正，负电源供电，电源电压为+12V~+15V，选择模拟电路电源电压为+12V。数字电路主要是计数器74LS160，+5V电源电压供电，3组电源要共地.电路图如3-8.
图3-8 电源电路图

4．总电路图
由上设计，得压控阶梯波发生器总电路原理图如图4-1所示。

图 4-1 压控阶梯波形发生器总电路图
图中A1~A4均选用集成运放op07，uC电压可通过一个-12V电源经电位器RP分压获得。
5．安装与调试
首先用万用表对元器件进行测试，确定元器件完好。然后测试面包板，确定面包板的导通状态（横向导通还是纵向导通），然后按照所设计的电路图进行布线，要求连线尽量整齐、简明。
然后按照电路原理图连线。对每个模块可以分别连线然后分别检查。确定各个模块功能无误之后再对各模块连接以检查模块间的匹配问题
（1）本课题为模拟电路与数字电路组成的混合电路，首先要注意电源电压的选择。模拟电路选用的A1~A4均为双电源集成运放OP07，应选择正，负电源供电，电源电压为+12V~+15V，选择模拟电路电源电压为+12V。OP07的管脚排列如图5-1。数字电路主要是计数器74LS160，+5V电源电压供电，3组电源要共地
图5-1 OP07管脚图
（2）本电路适于分级安装调试，逐级推进
① V/F电路的安装与调试
按电路图3-1中的V/F电路组装好电路，加上电源电压，调RP使UC=+1V,从UC端口输入。用示波器观察U01,U02的波形，并与图3-2进行比较，若无波形或波形不正常，检查并调整电路的步骤如下：
a,检查OP07的⑦脚与④脚电位，判断电源是否加上；
b，用万用表测量U02是否是+5V或-5V；
c,调R4中的100K的电位器，反复调节，用示波器观察有无振荡波形出现。若以上步骤仍无振荡波形出现，即检查C1有没有接上或接错，D1极性有没有接错，A2的②脚是否为零电位等。
若压一频比在低端或高端的误差已超过+5%，应重新调整，例如调R4使最大误差缩小，并使VC=+5V时适当偏离2500Hz。
分析误差
a．电路固有误差
由于电路频率参数是由改变T2来近似实现，在T2较小，即频率较高时T1相对所占比例增大所带来的误差。
b．稳压二极管引入的误差
由于随着频率的改变，稳压二极管两端的电压有波动，采用的是两个单向稳压管对接的方法实现双向稳压，所以在电压波动较大时有小许波动，而稳压二级管的稳压值对V/F有影响。

② 计数器的安装与调试
按图3-3中计数器电路组装模五计数器，74LS160的管脚图如图5-2

接通+5V直流电源，将前级V/F电路输出U02作为计数器时钟CP，示波器观察Q0,Q1,Q2。波形应符合图3-2。

图3-6-10 五进制计数器各Q端波形图

图5-2 74LS160管脚图
本次调试可能出现的问题是：a,前级波形不能触发计数器计数，用示波器观察U02接入74LS160的CP输入端，幅值降到1V以下，甚至为零。主要问题是前后级阻抗不匹配。解决方法之一，在前级U02输出再接一只反相器隔离；方法之二，在前后级间串入一只1K以下小电阻，改善输入状况。b，计数器输出波形混乱，与图3-2相差很大。主要原因是74LS160芯片接触不好，引线连接有错，属于安排工艺问题，当然也有其自身质量问题。
③ D/A反相器电路的安装与调试
接通电源。本级在计数器正常工作情况下，U03，U04波形的出现没有难度。但根据设计要求，要调整台阶电压以满足每阶1V+10%的要求，分两种情况:
a.台阶均匀，但每阶幅度偏小或偏大，主要是R12取值不合理，可根据实际情况改变R12阻值，直到达到设计要求。
b.台阶间隔有大，有小，不均匀主要是74LS160各Q端输出高电压幅值相差较大。靠调整电阻R7,R8,R9很难解决，方法一是更换计数器芯片；方法二是在计数器输出与A/D之间串入CMOS缓冲器，如CC4010，因CMOS电路输出高电平VOH=VCC，且一致性较好。六同相缓冲器CC4010的接入增加了电路的复杂性及成本。只要每阶幅值误差在设计范围内，一般不加入缓冲器。

6 .小结
通过本次电子技术综合课程设计，总结如下：
a.台阶均匀，但每阶幅度偏小或偏大，主要是R12取值不合理，可根据实际情况改变R12阻值，直到达到设计要求。
b.台阶间隔有大，有小，不均匀主要是74LS160各Q端输出高电压幅值相差较大。靠调整电阻R7,R8,R9很难解决，方法一是更换计数器芯片；方法二是在计数器输出与A/D之间串入CMOS缓冲器，如CC4010，因CMOS电路输出高电平VOH=VCC，且一致性较好。六同相缓冲器CC4010的接入增加了电路的复杂性及成本。只要每阶幅值误差在设计范围内，一般不加入缓冲器。
为期三周的的电子课程设计很快就结束了，这四周给我的感触很深、收获很多：经过查资料、选方案、设计电路、撰写设计报告、使我得到一次较全面的工程实践训练。理论联系实际，提高和培养创新能力，为后续课程的学习，毕业设计打下扎实的基础。
我们的课设题目由于基础知识运用不灵活没能如期完成，小组成员都没有放弃，充分利用课余时间去实验室，咨询老师和助教，终于在多番周折之后成功做出了完整的五阶阶梯波。
在此次的电路设计过程中,我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法夯实了数点模电基础，懂得了如何灵活运用学过的知识，不盲目拘泥课本，根据实际情况选取最优化的电路。
积极地参与电子课程设计设计，不仅让我充分的体会到自己动手实践的乐趣，获得哪怕是前进一小步时候的那种成功的喜悦，还能学到很多我们在理论课中学不到的知识。
有利于我们学习能力的提高。包括获取资料的能力、理解前人思路的能力、系统设计能力、动手能力、分析排除故障能力、表达能力等很多方面……有利于我们团队精神的培养。在课堂之外实际的工作中，我们一般都要与人合作共同完成某一项目，这就非常需要团队精神，而这一点在课堂常规教学中得到的锻炼是很有限的。由于是四人组队，这就要求每个人必须互相信任、互相配合、分工合作。在顺境时小组成员要相互提醒保持冷静，逆境时要相互鼓励共度难关，出现问题时不能相互埋怨。这些与课堂教学强调独立性是有明显区别的。有利于我们心理素质的锻炼。电子课程设计时间决定了设计结果的产生会有很大的不确定性，一个极其偶然的失误都会导致最终的不理想结果，因此需要每个人具备良好的心理素质，全心全意投入紧张激烈的制作中。
7.参考文献
1、《模拟电子技术》（第四版）；
2、D/A转换器采用《电子技术基础课程设计参考资料》第一章图1-29的右半部

附录1
元器件清单
序 号
名 称
符 号
规格型号
数 量
1
电阻
R1,R2,R9
0.125W，100K
3
2
电阻
R3,R4,R13
0.125W，10K
3
3
电阻
R5,R6,R14
0.125W，1K
3
4
电阻
R8
0.125W，200K
1
5
电阻
R7
0.125W，390K
1
6
电阻
R10
0.125W，120K
1
7
电阻
R11,R12
0.125W，20K
2
8
电位器
R9
0.125W，10K
1
9
电位器
R4
0.125W，100K
1
10
电容
C
50V，1000uF
2
11
电容
C
50V，220uF
3
12
电容
C
50V，3.3uF
2
13
电容
C1
1uF
1
14
硅二极管
D1
2CP10
1
15
稳压二极管
Dt
2CM53
2
16
集成运放
A1,A2,A3,A4
OP07
4
17
集成计算器

74LS160
1
18
变压器

三抽头，220变16伏
1
19
反相器
G1
74LS04
1

附录2
总体电路图

附录3
实物连结图

16