实用信号源实验报告.docx

课程设计报告 姓 名: 班 级: 学 号: 班内序号: 指导教师: 黄惠英 目录一、 实验要求11. 任务：12. 技术指标：13. 要求24. 主要参考元件：2二、 设计方案21. 设计原理23.参数计算91) 信号发生电路92) 放大电路103) 计数显示电路11三、 电路测试与遇到的问题121. 信号失真的调节132. 信号频率调节133. 功率放大电路134. 计数显示电路145. 连接全部电路14四、 总体电路图14五、 实验数据15六、 实验总结16一、 实验要求1. 任务：在给定5V电源电压条件下, 设计并制作一个信号源。2. 技术指标： (1) 正弦波信号源a、 信号频率：20HZ20KHZ连续可调；b、 频率稳定度：优于10 ；c、 非线性失真系数：3%，降低正弦波非线性失真系数，至少眼睛看不出来；d、 正弦波幅度连续可调，调整范围峰峰值为100mV2V。 (2) 脉冲波信号源a、 信号频率：20HZ20KHZ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；e、脉冲波幅度连续可调，调整范围峰峰值为100mV2V。 (3) 上述两个信号源公共要求a、 在负载为600W时， 输出幅度为2V；b、 完成5位频率的数字显示3. 要求设计与总结报告：有方案设计与论证，理论分析与计算，完整的电路原理图，测试方法与数据，结果分析。要有特色与创新。4. 主要参考元件：ICL8038, CD4026, NE556或NE555, CD4001或CD4004,LF356 或LM318,等 注：不采用单片机控制二、 设计方案1. 设计原理（1）ICL8038及外围电路ICL8038是单片集成函数信号发生器，其内部框图如图11所示。它由恒流源I1和I2、电压比较器A和B、触发器、缓冲器和三角波变正弦波电路等组成。 图11 ICL8038原理框图 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UCCUEE）的2/3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I22I1），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I22I1，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。 图12 ICL8038管脚功能图（2） LM318放大电路 图13 LM318管脚功能图 （3） NE555定时计数电路 图14 NE555内部结构图 555定时器由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。555定时器工作时过程分析如下：当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不来。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。 图15 NE555引脚图1脚：接地端；2脚：低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；3脚：输出端，输出高电压约低于电源电压1V3V，输出电流可达200mA；4脚：复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位；5脚：电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰；6脚：高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；7脚：放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；8脚：电源端，可在5V18V范围内使用。（4） CD4001或非门 图16 CD4001内部结构图由于CD4026的2管脚低电平时读数，故NE555的计时信号要经过一个非门，此处采用CD4001芯片。（5） CD4026及数码管显示电路 图17 CD4026引脚图INH=“0”时，时钟脉冲从CP 端引入，时钟脉冲的上升沿使计数器翻转；INH “1”时，计数器停止计数，显示的数字同时被保持。引脚 REST=“1”时，计数器复零，显示器显示数“0”。QCO 输出计数器时钟 CP 的十分频信号，作级联下级计数时钟脉冲用。DEI 是控制显示的输入端。当DEI=“l”时，输出真值电平；当DEI=“0”时，显示器消隐，此时a-g 都为“0”电平。CD4026引脚功能说明：引脚功能说明1时钟脉冲输入2闸门信号（低电平计数，高电平暂停）3显示控制端（低电平数码管灭，高电平数码管显示）4显示输出控制端（数码管显示输出高电平，数码管熄灭输出低电平）5溢出/进位8数字地16电源输入14数字2输出端（数码管显示2时输出低电平，其余显示输出高电平）15异步清零/重置端10、12、13、9、11、6、7abcdefg7段数码管显示输出端 2. 设计思路根据电路原理，可将电路分为三个部分：信号发生电路、功率放大电路、计数显示电路。这样分模块处理可让思路清晰，并且在实际搭建电路的时候，能够逐级实现，方便电路错误的查找。信号发生电路计数显示电路功率放大电路 输出幅值可变波形显示信号频率如图所示，信号发生电路应用ICL8038芯片，该芯片具有生成方波三角波和正弦波的功能，并且波形的频率及占空比都可调；功率放大电路采用通用的LM318芯片；计数显示电路采用CD4026芯片CD4001芯片和NE555芯片，其中CD4026实现对输入波形的计数以及对数码管控制两种功能，CD4001为多个或非门，起滤波的作用，NE555实现周期震荡，为CD4026提供使能信号。 3.参数计算+5V1) 信号发生电路-5V占空比调节：T1 上升时间或“1” 下降时间或“0”此处，RA，RB即为4，5管脚的电阻值，调节即可。失真调节：调节1脚及12脚电位器即可调节频率调节： 当RA=RB=R 时， 可知大体的电容选取： f=20Hz 对应0.47uF (474) f=200Hz 对应0.047uF (473)f=2kHz 对应0.0047uF (472)f=20kHz 对应470pF (471)2) 放大电路但通过实验测试，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+5V交给比较器LM318完成。-5V其中104和105电容作用为为防止自激。3) 计数显示电路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*CF=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。CD4026的2管脚为时钟使能信号，控制技术的开始和暂停；3管脚为显示使能端口，控制数码管的开关；15管脚为技术复位端口，控制技术清零。数码管的全动电压为5V。应该再在共阴极接一小电阻，以防止数码管电流过大。三、 电路测试与遇到的问题1. 信号失真的调节先测试芯片好坏。将ICL8038的7脚和8脚短接（8脚外部电路暂时不接），用示波器观察输出波形，若出现波形，确定芯片没问题，则可进行下序步骤。将8脚外部电路按电路图原理图接入。先查看脉冲波，调节4、5脚电位器是占空比接近50%（人眼看无误差），再查看正弦波，并通过调节1脚和12脚之间的电位器实现对正弦波失真的改善。2. 信号频率调节设计方案中，10脚电容依次取0.47uF、0.047uF、0.0047uF 、470pF，电路连接及布线原因，实际电容依次取的是：0.047uF、0.022uF、0.0022uF、200pF。通过更换电容实现不同频率档位，调节8脚的电位器，实现频率同一档位内的微调。3. 功率放大电路当搭建好放大电路以后，请不要直接链接信号发生电路，以防止烧坏前级电路。打开信号发生器，测量方波的幅值。然后接入放大级的输入端，测量输出幅值。可以通过改变10K电位器调节输出峰峰值在200mV2V之间变化。之后连接前级电路，对信号的占空比，失真等进行进一步的调节。4. 计数显示电路搭建好电路以后，还是先用信号发生源进行实验。将信号发声源接入CD4026的1管脚。观察数码管是否实现开灯关灯的功能，并且在数码管开时，显示的数值是否为信号发生源的频率。如果数码管显示全0，可能是由于CD4026芯片1管脚输入时钟的幅度太小，可以适当调整信号发生器输出幅值并观察现象.如果不停计数，请检查4026芯片15管脚以及555芯片的3管脚链接是否正确，如果仍然不能排除，请更换所有的元器件.。数码管显示的频率很稳定，但是与信号发生器频率不符，这是定时问题，只需调整NE555芯片的电位器，用示波器观察NE555芯片的输出，直到目测高电平有效时间为1秒，然后进行微调即可。5. 连接全部电路如果以上各个部分的信号都准确无误，现在可以链接全部电路了。注意信号发生电路的电源现在应加到正负5V，放大电路的电源仍为5V不变，计数显示电路供电为5V。此时如果不能出现预期效果，请立即切断电源。并把电路重新拆分为三个部分分别进行测试，如有问题调试方法见上。如各个分电路没有问题，请检查三部分电路之间的连接是否健康。四、 总体电路图-5V+5V五、 实验数据 表格一 定时电容及频带电容0.047uF0.022uF0.0022uF200pF频率范围（Hz）201001003003002.7K1.9K20K 表格二 脉冲信号测量频率（Hz）占空比平顶斜降VPPmax（V）VPPmin（mV）201.3%98.7%24%6.141502001.6%98.4%2%6.082501K1.3%98.7%06.1414310K1.8%98.2%1.8%618020K1.9%98.1%1.3%6163 表格三 正弦信号测量频率（Hz）VPPmax（V）VPPmin（mV）示波器频率数码管显示误差202.26517520.605202.9%2003.025158.5204.432002.2%1K2.861661.086K10017.8%10K2.5446.510.115K101860.7%20K3.124820.485K200142.3%六、 实验总结拿到实验题目时，一直担心自己不能完成，因为硬件电路是自己的伤。但是同学们给了很多的帮助，网络上搜索的有关芯片的数据手册及相关典型电路也让自己更有信心了。信号发生器的电路并不难，其中的重点在于8038芯片各个管脚的作用、NE555芯片和CD4026芯片的链接。弄懂CD4026芯片的时序关系是关键，老师也是在此基础上才给我们器材让搭电路。这对我们也是有好处的，因为数据手册告诉你怎样加控制信号达到你想的功能。明白这些，设计和检验电路都不是问题。硬件电路真的是极不稳定，一分钟前波形还好好的，一分钟后，就没了，真的是连原因都不知道，检查几遍电路都查不出问题，后来拿同学的芯片测试，发现并非是芯片问题，只好重搭电路。这次实验也让自己对检验电路了解很多，比如测试CD4026能否正常工作时，如何接各管脚电平，比如可以将2脚接地，让它一直计数，检测电路设计是否正确。通过两周的实验，我成功的完成了自己的电路。在电路设计方面积累了一定的经验，掌握了电路设计的流程，注意事项。并且在电路调测方面也有极大的经验积累。身为一个即将成为大四的学生，这些工程方面的宝贵经验，必将在我以后的学习工作中给我极大的帮助。最后，感谢老师及同学的帮助！