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1、电子技术课程设计报告题 目 低频正弦信号发生器 学院（部） 信息学院 专 业 电子信息工程 班 级 24030802 学生姓名 学 号 12 月 20 日至 12 月 31 日 共 2 周指导教师（签字） 1目 录一、 摘要 2二、方案设计与论证31测频法 32测周法43测周法测频法44F/V 与 A/D 法 5三、单元电路设计与分析 51整形电路. 52时基电路 63控制电路74计数、锁存、显示电路 .85总电路图 9四、原理图及元器件清单 10五、参考文献10六、心得体会112题目:低频正弦信号发生器1、摘要 信号发生器广泛应用于电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算
2、机等技术领域。采用集成运放和分立元件相结合的方式，产生出能改变频率的正弦信号发生器。通过对电路分析，确定了元器件的参数，并利用 Multisim 软件仿真电路的理想输出结果，利用 RC 振荡电路使得设计的低频信号发生器结构简单，实现方便。该设计可产生幅值稳定在的正弦波且输出的信号频率可在 20HZ-20000HZ 之间变化，并已应用于实验操作。数 字 频 率 计 是 计 算 机 、 通 讯 设 备 、 音 频 视 频 等 科 研 生 产 领 域 不 可 缺 少 的 测 量 仪 器 。 它 是一 种 用 十 进 制 数 字 显 示 被 测 信 号 频 率 的 数 字 测 量 仪 器 。 它 的
3、基 本 功 能 是 测 量 正 弦 信 号 ， 方波 信 号 及 其 他 各 种 单 位 时 间 内 变 化 的 物 理 量 。 在 进 行 模 拟 、 数 字 电 路 的 设 计 、 安 装 、 调 试过 程 中 ， 由 于 其 使 用 十 进 制 数 显 示 ， 测 量 迅 速 ， 精 确 度 高 ， 显 示 直 观 ， 经 常 要 用 到 频 率 计 。 频 率 计 的 基 本 原 理 是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置，应用 一 个频 率 稳 定 度 高 的 频 率 源 作 为 基 准 时 钟 ， 对 比 测 量 其 他 信 号 的 频 率 。 通 常 情 况 下 计 算
4、 每 秒 内待 测 信 号 的 脉 冲 个 数 ， 此 时 我 们 称 闸 门 时 间 为 1 秒 。 闸 门 时 间 也 可 以 大 于 或 小 于 一 秒 。 闸 门时 间 越 长 ， 得 到 的 频 率 值 就 越 准 确 ， 但 闸 门 时 间 越 长 则 没 测 一 次 频 率 的 间 隔 就 越 长 。 闸 门时 间 越 短 ， 测 的 频 率 值 刷 新 就 越 快 ， 但 测 得 的 频 率 精 度 就 受 影 响 。 它以测量周期的方法对正弦波、方波、三角波的频率进行自动的测量。如 配 以 适 当 的 传 感 器 ， 可 以 对 多 种 物 理 量 进行 测 试 ， 比 如
5、机 械 振 动 的 频 率 ， 转 速 ， 声 音 的 频 率 以 及 产 品 的 计 件 等 等 。 因 此 ， 数 字 频 率计 是 一 种 应 用 很 广 范 。关 键 字 ： 正 弦 波 信 号 发 生 器 ， 低 频 ， 频 率 显 示 ， RC 振 荡 仿真 幅 值 频 率 可 变 。题 目 ： 低 频 正 弦 波 发 生 器设 计 要 求 ： 1.信号频率范围 20HZ20kHZ ；2.输出信号电压幅度 5；3.输出信号频率数字显示；4.输出电压幅度数字显示。设计框图3二、频率显示方案设计与论证频 率 计 是 直 接 用 十 进 制 来 显 示 被 测 信 号 频 率 的 一 种
6、 测 量 装 置 。 它 可 以 测 量 正 弦 波 、 方波 和 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 。常 用 的 频 率 测 量 方 法 有 以 下 四 种 。1测频法测 频 法 的 基 本 思 想 是 ： 对 频 率 为 f 的 周 期 信 号 ， 用 一 个 标 准 闸 门 信 号 （ 闸 门 宽 度 为 TG）对 被 测 信 号 的 重 复 周 期 数 进 行 计 数 ， 当 计 数 结
7、 果 为 N 时 ， 其 信 号 频 率 为 f=N/TG如 图 2.1 所 示 。被测信号 f闸门信号计数值 NTG图 2.1 测脉宽法的原理框图输入信号整形电路时基电路相与 计数器锁存器数码管显示控制 电路4测频法的测量误差与信号频率有关：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，测频法适合于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。2测周法首 先 把 被 测 信 号 进 行 二 分 频 ， 获 得 一 个 高 电 平 时 间 或 低 电 平 时 间 都 是 一 个 信 号 周 期 的方 波 信 号 ， 然 后 用 一 个 已 知 周 期 Ts 的 高 频 方 波 信
8、 号 作 为 计 数 脉 冲 ， 在 一 个 信 号 周 期 的 时 间内 对 fs 信 号 进 行 计 数 ， 如 图 2.2 所 示 。被测信号 f信号二分频 T高频信号 fs -NTs图 2.2 测周法原理若 在 T 时 间 内 的 计 数 值 为 N， 则 有 T=N.Ts即f=1/T=1/N.Ts=fs/N侧 周 法 测 量 的 误 差 与 信 号 频 率 成 正 比 ， 而 与 高 频 率 标 准 计 数 信 号 的 频 率 成 反 比 。 当 fs为 常 数 时 ， 被 测 信 号 频 率 越 低 ， 误 差 越 小 ， 测 量 精 度 也 就 越 高 。由 于 测 周 法 所
9、获 得 的 信 号 周 期 数 据 ， 还 需 要 求 倒 数 运 算 才 能 得 到 信 号 频 率 ， 而 二 进 制数 据 的 求 倒 数 运 算 中 小 规 模 数 字 集 成 电 路 却 较 难 实 现 ， 因 此 ， 测 周 法 不 适 合 本 设 计 要 求 。3. 测周法/频率法周期/频率测量是采用两个计数器，分别对被测信号 f 和高频标准计数信号 fs 进行计数，其测量原理如图 2.3 所示。5被测信号 f高频信号 fs-N2 TsTN1图 2.3 测周期/频率法原理在确定的检测信号内，若对被测信号 f 的计数值为 N1，对高频信号 fs 的计数值为N2， （对信号 fs 的
10、计数，必须是信号 f 在第一个计数器停止计数后的一个完整的 f 信号周期） 。则所测的信号频率为f=1/T=N1/N2.Ts=N1.fs/N2可见，周期/频率法需要进行除法运算才能得到信号频率，这用中小规模数字电路却较难实现，因此，该方法不适合本设计要求。4. F/V 与 A/D 法这种频率测量法是先通过 F/V 变换，把频率信号转换成电压信号；然后再通过 A/D 转换把电压信号转换成数字信号，再对数字信号进行计数，从而得到所测信号的频率。根据性能与技术指标的要求，首先需要确定能满足这些指标的频率测量方法。根据上述测量频率原理与方法的讨论，本设计采用测频法。由于测频法的测量误差与信号频率成反比
11、：信号频率越低，测量误差越大；信号频率越高，测量误差越小。用测频发所获得的测量数据，在闸门时间为 1s 时，不需要进行任何换算，计数器所计数据就是信号频率。另外，在信号频率较低时，如 1100Hz，可以通过增大闸门时间来提高测量精度。综合所学知识，与实现的难易程度以及数电课设的针对性，本实验采用测频法实现对正弦波的频率显示。三、单元电路设计与分析1整形电路由 555 构 成 的 施 密 特 触 发 电 路 构 成 整 形 电 路 ， 如 图 3.1 所 示 。6用 555 构 成 的 施 密 特 触 发 器 作 用 是 将 输 入 的 周 期 信 号 ， 如 正 弦 波 、 三 角 波 或 其
12、 他 成 周 期性 变 化 的 波 形 变 换 成 脉 冲 波 形 ， 其 周 期 不 变 。图 3.1如图所示：左边节点处是正弦波输入端，out 端口为与正弦波同频率的方波信号。2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 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 3.2所 示 。产 生 的 方 波 信 号 高 电 平 时 间 长 度 为 1.5s， 低 电 平 时 间 为
13、 1s。 利 用 式 t1=0.7(R1+R2)C； t2=0.7R2C 计 算 参 数 。 7图 3.2（在这加一个与非门是因为：我期望多谐振荡器刚出来是一个高电平，但在用 mulitism 时是先出现了一个低电平，所以加了一个与非门以实现先出现高电平。 ） 这个电路作用：它和被测信号相与后，会出现一秒内被测波的个数。同时控制锁存器。3控制电路控制电路可以由 555 构成的多谐振荡电路来构成，如图 3.3 所示。8图 3.3（加与非门与上面原因一样，不再敖述）它的频率与时基电路频率相同，但占空比不一样。它的作用是产生一个相对于时基电路滞后的控制信号来控制计数器的清零端。已解决信号因为传输中的
14、延迟问题对电路产生的影响。4计数、锁存、显示电路计数器用 5 个 74LS160 同步十进制计数器构成，锁存器可选用 3 个 8D 锁存器 74LS273构成。如图 3.4 所示。当时钟信号的下降沿到来时，在 ENP=ENT=1 的前提下 74ls160 开始计数，当从 0 数的 9 时向高位进位。当 CLR=0 时清零。对于锁存器它一直处于工作状态，当 CLK 接到上升沿信号时他把从 161 接收到的信号打到数码管上显示。9总电路图：10结束语：设计中 555 组成的时基电路中的参数可以设计的更精确以产生精确的一秒高电平，或者是增大高电平的时间以电路误差。参考文献：林涛 数字电子技术基础 清华大学出版社 2008.1邹其洪 . 电工电子实验与计算机仿真 .电子工业出版社，2003.9曹 国 清 .数 字 电 路 与 逻 辑 设
