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1、 2002级专科毕业设计论文 第 26 页 共32 页1 绪 论电子学兴起于本世纪30-40年代，1873年麦克斯维提出了电磁波学说，为无线电技术的发展奠定了理论基础。20年代中期以后，由于晶体管技术和集成电路技术的飞速发展。电子技术已经成为当今科学技术领域最活跃，影响最广泛的学科之一。电子技术在促进国防建设、科学技术研究、工农业生产、第三产业发展、提高人类居住和生活质量等方面发挥了极其重要的作用。之后由于电子信息业的迅速发展，其应用几乎设计人类生活的一切领域，因此电子学的广泛性、快速性、多样性的发展，不能不认为这是它的特点之一。当今以集成电路和微处理器为中心的微电子技术使电子产品的更新变得很
2、快。可以说电子学的迅速发展为现代信息社会的发展打下了坚实的基础，并将更进一步地推动信息化社会的发展。电子信息产业与电子科学技术在当今已与经济建设、社会建设、国防建设息息相关的极其重要的因素。当今世界处于电子信息时代。电子信息产业日新月异地高速发展，世界电子信息产业全面完成了向微电子化的过渡。有人预言，现代技术的巨大推动力，将推动社会永久的繁荣。在这方面，信息电子技术的作用尤其突出。社会正向信息社会、知识社会、网络社会发展。俯瞰世界，我们看到了信息电子科学技术的发展；同时也听到了关于经济发展与人类未来的许多讨论，诸如“无限制经济发展”、 “长期经济繁荣”；更观察到众多实际的社会现象，诸如：各国实
3、行经济开放、企业全球化、世界市场重组。可以说，这些经济现象的出现，无一不同电子信息技术的突飞猛进密切相关。人们在展望科技、经济与社会的未来发展时，重视信息电子领域的三大法则，即穆尔法则（微处理器的能力每18个月翻一翻）、梅特卡夫法则（网络价值等于网络节点数的平方）和盖茨法则（点子、创新与竞争）。人类经济社会发展对电子信息技术的依赖空前增强。2 基础知识的介绍 本课题设计的数显多波形信号源主要是由数显频率计和信号发生器的电路组合而成。因此有必要在这里介绍一下数显频率计和信号发生器的一些相关性的基础知识，以便对课题设计有更深刻的认识。 2.1 认识信号发生器信号发生器一般区分为函数信号发生器及任意
4、波形发生器，而函数波形发生器在设计上又区分出模拟及数字合成式。众所周知，数字合成式函数信号源无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均优于模拟，其锁相环（ PLL）的设计让输出信号不仅是频率精准，而且相位抖动(phase Jitter)及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但毕竟是数字式信号源，数字电路与模拟电路之间的干扰，始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器。谈及模拟式函数信号源，结构图如图21所示： 图 2-1这是通用模拟式函数信号发生器的结构，是以三角波产生电路为基础经二极管所构成的正弦波整型电路产生正弦波，同时经由比较器的比较产生方波。而三角波是如何产生的，
5、公式如下：换句话说，如果以恒流源对电容充电，即可产生正斜率的斜波。同理，右以恒流源将储存在电容上的电荷放电即产生负斜率的斜波，电路结构如图2-2所示：图 2-2当I1 =I2时，即可产生对称的三角波，如果I1 I2，此时即产生负斜率的锯齿波，同理I1 I2即产生正斜率锯齿波。再如图 2-2所示，开关SW1的选择即可让充电速度呈倍数改变，也就是改变信号的频率，这也就是信号源面板上频率档的选择开关。同样的同步地改变I1及I2，也可以改变频率，这也就是信号源上调整频率的电位器，只不过需要简单地将原本是电压信号转成电流而已。而在占空比调整上的设计有下列两种思路：1、频率（周期）不变，脉宽改变，其方法如
6、下：图 2-3改变电平的幅度（如图23所示），亦即改变方波产生电路比较器的参考幅度，即可达到改变脉宽而频率不变的特性，但其最主要的缺点是占空比一般无法调到20%以下，导致在采样电路实验时，对瞬时信号所采集出来的信号有所变动，如果要将此信号用来做模数（A/D）转换，那么得到的数字信号就发生变动而无所适从。但不容否认的在使用上比较好调。2、占空比变，频率跟着改变，其方法如下：图 2-4将方波产生电路比较器的参考幅度予以固定如图24所示（正、负可利用电路予以切换），改变充放电斜率，即可达成。这种方式的设计一般使用者的反应是“难调”，这是大缺点，但它可以产生10%以下的占空比却是在采样时的必备条件。以
7、上的两种占空比调整电路设计思路，各有优缺点，当然连带的也影响到是否能产生“像样的”锯齿波。2.2 认识数字频率计数字频率计是用数字显示被测信号频率的一种仪器，被测信号可以是正弦信号、方波或尖脉冲信号等。此外，若配以适当的传感器还可以对许多的物理量进行测量，如机械振动频率、转速，声音的频率以单位时间生产的产品数量等。因些数字频率计是一种应用广泛的仪器。数字频率计的原理框图如图2-5所示，它是由时基单元、控制单元、计数单元、延时单元、主控门和輸入单元组成。1）时基单元包括振荡器和多级分频器用来产生周期为1s或6s的脉冲信号，称为时基信号。振荡器可以用晶体振荡器或集成电路、电阻和电容构成多谐振荡器，
8、然后用分频器产生所需的时基信号。2）控制单元此单元有两个作用：其一是经过门控电路对时基信号进行一次二分频，得到宽度为1s或6s方波，称为闸门信号，用该信号的宽度控制主控门的开门时间（取样时间），在取样的时间里允许被测信号通过。其二是每次取样后封锁主控门和时基信号的输入门，使计数器显示的数字停留一段时间，以便观察和读取数据。所以控制单元的任务就是打开主控门显示，然后清零。这个过程不断重复进行。3） 计数单元 通过主控门的被测信号输入计数器、寄存器、译码器和显示电路，由显示器显示取样时间接收的脉冲数，即被测频率。4）延时单元取样时间结束后，计数器中的数送入寄存器中，由寄存器送入译码显示电路，数据要
9、显示一段时间，其延长时间取决于延时电路，故延时时间即为显示时间在，然后清零，再读取新的数据。5）主控门起控制被测信号通过的作用，在取样时间内主控门打开，添零和显示时间内主控门关闭。6）输入单元将接收信号加以放大、整形、变换成脉冲信号。图253 相关器件介绍 本课题设计主要是对所学知识的进一步加深理解，了解一般的电子产品的设计思路，掌握一些常见的集成芯片的应用。根据本课题的要求，设计将需要用到信号发生器（ICL8038）和构成数显频率计数器所需的一些集成芯片如：3数字BCD计数器（MC14553B），锁存、译码、驱动BCD-7段集成电路（CD4543B），二进制计数、分频、振荡集成电路（CD40
10、60），驱动、十进制计数集成电路（CD4017BC），数码显示管等电子器件。而本章主要介绍信号发生器（ICL8038） 的构成原理、相关特性和一些相关的应用，以及3数字BCD计数集成电路（MC14553B），锁存、译码、驱动BCD-7段集成电路（CD4543B），二进制计数、分频、振荡集成电路（CD4060），驱动、十进制计数集成电路（CD4017BC）的芯片相关特性 。3.1 信号发生器（ICL8038）信号发生器（ICL8038）是美国英特西尔（Intersil）公司生产的单片精密函数发生器集成电路，它具有频率范宽（0.001-300kHz）、频率稳定度高（频率温漂仅为50ppm/)、外围
11、电路简单、易于制作等优点。它的工作电压范围宽，使用单电源时为+12-+30V，使用双电源时为6-15V，工作电流约为15mA。下面为对它的介绍：3.1.1ICL8038的管脚及功能ICL8038是采用14脚双列直插式封装，管脚的排列及功能见图3-1所示：图313.1.2 ICL8038的原理框图及工作原理ICL8038单片集成函数信号发生器的内部框图如图3-2所示。它由恒流源#1和#2、电压比较器A和电压比较器B、触发器、缓冲器和三角波到正弦波变换电路等通过组合而成。 图 3-2它的工作原理是通过对外接电容C由两个恒流源充电和放电，电压比较器A、B 的阈值分别为电源电压（指Ucc+Udd）的2
12、/3和1/3。恒流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节，但必须I2I1。当触发器的输出为低电平时，恒流源I2断开，恒流源I1给 C充电，它的两端电压Uc随时间线性上升，当Uc达到电源电压的2/3时，电压比较器A的输出电压发生跳变，使触发器输出由低电平变为高电平，恒流源I2接通，由于I2I1（设I2=I1），恒流源I2将电流2I1加到C上反充电，相当于C由一个净电流I放电，C 两端的电压Uc 又转为直线下降。当它下降到电源电压的1/3时，电压比较器B的输出电压发生跳变，使触发器的输出由高电平跳变为原来的低电平，恒流源I2断开，I1再给 C充电，如此周而复始，产生振荡。若调整电路，使I2=I1，
13、则触发器输出为方波，经反相缓冲器由管脚输出方波信号。C上的电压Uc， 上升与下降时间相等，为三角波，经电压跟随器从管脚输出三角波信号。将三角波变成正弦波是经过一个非线性的变换网络（正弦波变换器）而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波电位向两端顶点摆动时，网络提供的交流通路阻抗会减小，这样就使三角波的两端变为平滑的正弦波，从管脚输出。输出波形相位图如图33所示：图33 输出波形相位图3.1.3 波形的调节所有的对称波形都可以通过调整外部的定时电阻调节。可以用两种方法来实现对称波形的生成。外接电路如图3.1.33所示，最好的是采用如图3.1.3-3所示的通过调整定位电阻RA和RB的数值来产生对称
14、波。RA是用来控制三角波和正弦波的上升部分，以及方波的高电位部份。三角波的量值设为1/3 Vcc，因此三角波的上升时间计算公式为： 三角波和正弦波的下降部份以及方波的“0”状态的时间计算公式为： 因此当Ra=Rb时，50%的负载循环可以得以实现。如果负载循环仅在50%左右的小范围内变化。图34的连接较图35的连接便捷。仅一个值为1K欧的电位器是不能使负载循环达到50%，如果需要50%及以上的负载循环则需要2K欧或5K欧的电位器。图 34图 35通过两个单独定位电阻，它的频率计算公式可为： 或者，如果RA=RB的话，则计算公式为： 然而周期时间和产生的频率都不依赖于所提供的电压，即使在集成电路内
15、部存在不规则电压也是得到一样的值。这都是因为充电电流和门限都是一定的，且电压也具有线性特性。因而不规则电压对芯片的影响可以忽略不计。3.2 3数字BCD计数器（MC14553） 3数字BCD计数器MC14553B是由摩托多拉公司生产的集成芯片。它是由3个负跳沿触发器组成的BCD计数器通个同步级联而成。在每个输出端都有锁存计数的锁存器。3个BCD计数值是通过分路传输器进行分时传输，以便在一定时间内只提拱一个BCD码。数位选择输出信号提供对显示的控制。所有输出都是兼容TTL电路。且芯片内部有供数位选择低频扫描时钟的振荡器。它可用于计数、时钟显示、计量方面。3.2.1 MC14553的管脚及功能MC14553是采用16脚双列直插式封装，管脚的排列以及功能作用见图36所示：
