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1、长 安 大 学电子技术课程设计课题名称 低频正弦信号发生器班 级 姓 名 指导教师 日 期 2011年1月6日前 言正弦交流信号是一种应用极为广泛的信号，它通常作为标准信号，用于电子电路的性能试验或参数测量。另外，在许多测试仪中也需要用标准的正弦信号检测一些物理量，正弦信号用作标准信号时，要求正弦信号必须有较高的精度，稳定度及低的失真率。本次电子课程设计的低频正弦信号发生器的要求为：信号的频率范围为20HZ20KHZ;输出电压幅度为5V；输出信号频率数字显示；输出电压幅度显示。针对以上设计要求，我们从图书馆收集，借阅了大量相关书籍，从网上下载了诸多相关资料，其次安装并学习使用了电路设计中所常使
2、用的Multisim仿真软件。在设计的要求下，画出了整体电路的框图，将其分为正弦信号发生器，输出电压和幅度数字显示，输出信号频率和其数字显示三大部分。其次我们对每个单元电路进行设计分析，对其工作原理进行介绍，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,克服了设计低频信号发生器电路方面存在的技术难题,使得设计的低频信号发生器结构简单,实现方便。完成电路的设计与分析后，对资料与设计电路进行整理，排版，完成课程设计报告。目 录摘要4关键字4设计要求4第一章 系统概述4第二章 单元电路设计与分析5 第一节 正弦信号产生和放大电路模块设计5 第二节 数字的频率
3、显示9 第三节 数字电压表设计15 第三章 系统综述22 第四章 结束语24参考文献24鸣谢.24元器件明细表25收获与体会，存在的问题25评语26低频正弦信号发生器摘要 本设计的正弦信号发生电路时采用一片MAX038函数发生器芯片，该芯片可通过控制管脚的输入参数来控制芯片输出三角波，正弦波，矩形波等波形，本文用于输出正弦波工作状态，正弦波产生后通过运放OPA604组成的放大电路对信号进行放大，从而满足设计要求；电压的数字显示主要由555定时器构成的放大整形电路，时基电路和控制电路构成，最终由十六进制加法器74LS160，锁存器74LS373，译码器74LS48使数码管显示电压；频率数字显示主
4、要由芯片MC14433,MC1413,MC4511和MC1403构成。关键字 正弦信号，放大电路，电压显示，频率显示设计要求1、 信号频率范围20HZ20KHZ;2、 输出信号电压幅度5V；3、 输出信号频率数字显示；4、 输出电压幅度数字显示。第一章 系统概述根据任务书的要求，系统可分为三大部分，即正弦信号的产生；输出频率的范围和其显示；输出电压的幅度和显示，我们采用RC选频率网络构成的振荡电路产生正弦信号，信号产生后再通过同相比例运算放大器来满足输出电压的幅度要求，然后通过555定时器组成的施密特触发器，单稳态 电路，多谐振荡电路对其放大整形和控制，最终通过十六进制加法器74LS160，锁
5、存器74LS373，译码器74LS48使数码管显示电压，由于本学期刚学过555定时器，74LS160,74L48等芯片，设计过程中易于理解和操作，其次是电压的显示，我们采用集成电路MC14433,MC1413,MC4511和MC1403设计成数字电压表，实现对电压的显示。其中MC14433的作用是将输入的模拟信号转换成数字信号，MC1403为MC14433提供精密电压，供MC14433A/D转换器作参考电压，MC4511的功能是将二-十进制转换成七段信号，MC1413的作用为驱动显示器的 a,b,c,d,e,f,g七个发光段，驱动数码管进行显示，数码管只将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出
6、A/D转换结果，该模块集成度高，外围电路简单，便于实现。以下为电路的系统框图： 图1电路系统框图第二章 单元电路设计与分析 第一节：正弦信号产生和放大电路模块设计1. 正弦波发生器正弦波发生器是本设计的核心部分，以下介绍四种方案：方案一：采用传统的直接频率合成法直接合成。利用混频器，倍频器，分频器和带通滤波器完成对频率的算术运算。但由于采用大量的倍频，分频，混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。方案二：采用锁相环间接频率合成（PLL）。虽然具有工作频率高，宽带，频谱质量好的优点，但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时
7、间较长，故频率转换时间较长。另外，由模拟方法合成的正弦波的参数（如幅度，频率和相位等）都很难控制，而且要实现大范围的频率变化相当困难，不易实现。方案三：用函数产生芯片直接产生所需信号。采用MAX038函数产生芯片，通过设置管脚参数的输入，可设计组成产生幅频精度很高且易于调整的波形信号，该波失真度很小，而且可实现的频率范围很大，在电路参数要求苛刻的工作场所能够得到较好的应用，用该芯片设计组成的信号产生电路集成度高，而且简单，容易控制。方案四：采用RC选频率网络构成的振荡电路产生所需正弦波。RC振荡电路适用于低频振荡，结构简单,经济方便，一般用于产生1Hz1MHz的低频信号。由以上分析可知，方案一
8、和方案二不易实现，方案三虽然可行，但MAX038已经停产，所以我们选择第四种方案中的RC选频率网络构成的振荡电路来实现所需正弦波。2.RC桥式振荡电路及工作原理图2.1.1为RC串并联正弦波振荡电路，其放大电路为同相比例运算放大器，反馈网络和选频网络由RC串并联网络组成。 图2.1.1 RC串并联正弦波振荡电路由RC串并联网络的选频特性可知，在w = w 0 = 1/RC或f = f0 = 时，RC选频网络的相角为0，而同相比例运算放大电路的相位差为0，从而满足振荡的相位条件。由于RC串并联网络的选频特性，使信号通过闭合环路AF后，仅有f = f0 =的信号才满足相位条件，因此该电路振荡频率为
9、f0 ，从而保证了电路输出为单一频率的正弦波。为了使电路能振荡，还应该满足起振条件，即要求AF1。由于w = w 0 时，F=1/3，则要求A =1 + 3，即Rf，输出波形就接近正弦波。 振荡电路起振后，如一只维持A 3 ,则因振幅的增长，致使放大器件工作到非线性区域，波形将会产生严重非线性失真。为此必须设法是输入电压的幅值在最增大的同时，让AF的绝对值适当减小，以维持输出电压的幅值基本不变。 图2.1.2 具有二极管稳幅环节的RC串并联正弦波振荡电路通常可以在放大电路中采用非线性原件来自动调节反馈的强弱以维持输出电压恒定。我们可以利用二极管的非线性特性来实现。如图2.1.2所示的电路，图中
10、的两个二极管D1，D2便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻R4两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由R3、及R4决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与R4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。3.放大电路的设计由于设计要求的电压幅度为5V，上述图2.1.2所示信号产生电路不能满足要求，因此必须对产生的信号进行二级放大，本设计的放大电路主要由同相比例器来担任 。图2.1.3同相比例器同相比例运算放大器的放大倍数Au = 1+ Rf /R1 。4正
11、弦信号发生总电路把上述各分电路集中在一块电路板上,共用电源和接地后,整个信号发生器的结构变得紧凑美观，集成电路图如图2.1.4 所示。图2.1.4 正弦信号发生总电路调整电阻 和 （即改变了反馈），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大 ，如波形失真严重，则应适当减少 = ) 。改变选频网络的参数C 或R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C 作频率量程切换（粗调），而调节R作量程内的频率细调。本设计要求输出地正弦波的频率为20HZ20KHZ,因此由式f = 取值应满足以下关系：当f0=20HZ时， RC0.08 ;当f0=20KHZ时，RC;因此当R=200K时
12、，C的变化范围约为40pF0.04uF 。调节滑动变阻器R6可以改变放大倍数，可帮助电路起振，调节滑动变阻器R9可进一步改变输出波形幅度，可以实现幅值从15V之间的调节变化。通过Multisim软件调试后可得仿真的结果如下图2.1.5所示。图中信号幅值较小的为初级放大后的输出信号，另一个为二级放大后的输出信号。图2.1.5放大电路仿真结果图第二节：频率的数字显示频率的数字显示电路设计中要求输出的频率能够进行数字显示，本电路中频率显示电路利用555定时器构成控制电路，实际电路和延时电路，控制计数器对输入信号进行计数，延时和清零，将计数结果用锁存器锁存输出到数码管驱动器驱动数码管静态数位显示。一 总体框架图如下整波电路正弦信号计数器锁存器译码器数码管 延时电路控制电路时基电路 图6频率显示计总体框架图二
