简易信号发生器和频率计
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简易信号发生器和频率计
一、设计目的
1、掌握正弦波、方波及三角波信号发生器的设计、组
装与调试方法；
2、掌握数字频率计的设计与调试方法；
二、设计任务及技术指标
1、设计一个的正弦波、方波和三角波发生器：
(1) 频率可调范围：2Hz—20KHz，分为4档：
2—20Hz；20—200Hz；200Hz—2KHz；2—20KHz；
(2) 幅度可调范围：0—5V；
(3) 可调偏置。
2、设计一个简易数字频率计：
(1) 测量频率范围：1Hz~100 KHz，显示单位为Hz；
(2) 输入电压幅度VPP：100mV～10V；
(3) 输入信号波形：任意周期信号；
(4) 显示方式: 6位十进制数显示。
三、设计步骤和方法
1.原理了解，清楚设计内容。
2.方案设计：画出原理草图，一人一张。
3.教师检查通过原理设计。
4.原理图绘制，仿真结果正确，一组一张。
5.安装实际电路。
6.调试，功能实现。
7.教师检查及答辩。
8.完成设计报告。
四、基本原理
（一）简易信号发生器
运用集成运算放大器为主要器件，设计一个正弦波、方波和三角波产生电路，具有输出幅度调节、直流偏置调节和频率调节的功能。
实现此功能的方框图如下图所示：
1、正弦波震荡电路
由RC桥式正弦波震荡电路产生的正弦波，正弦波的频率可以通
过R和C来调节。
要求设计的电路频率为四个量程，可以通过电容值来进行量程的切换，但所选择的最大电容不应当超过几个微法。
RC桥式振荡电路为了实现频率的微调功能，可将R选择为符合要求的电位器。
当量程确定后，通过电位器便可实现频率的微调。
为了保护电路，电位器通常要和一个小电阻串联。
为了使RC桥式正弦波震荡电路产生对称的正弦波，应选用双电源供电的运算放大器。
2、调偏电路
通常RC桥式正弦波振荡电路产生的正弦波的偏移不会很大，但是经过逐级放大、器件自身的离散性以及高频时电容充放电的影响，输出三角波会产生严重偏移，所以需要在电路中设置直流偏置电路，来调节偏移。
偏置电路可有运算放大器组成的加法运算电路来实现，即实现正弦波和可调直流电压的叠加。
这样不仅可以调节正弦波直流偏置，还可以调节后面电路产生的方波和三角波的偏置。
为了避免调偏电路产生的正弦波产生失真，通常偏调电路放大倍数应小于1。
3、方波发生器
方波发生器可有运算放大器组成的过零比较器来实现。
4、三角波发生器
运算放大器组成的积分电路可实现方波到三角波的转换。
方波、三角波的频率和正弦波的相同，均有RC正弦波振荡电路来调节
在积分电路中，积分时间常数和信号的频率应匹配，否则会导致输出三角波失真。
信号的频率分为四个量程，因此积分电路中也应对应四个电容值通过调节电容获得较好的三角波。
如图所示，积分电路时间常数过小时电容充放电速度过快，很快进入运放饱和区，产生失真。
如图所示，积分时间常数过大，电容充放电时间过长，则输出三角波的电压值就会过小。
积分常数过小：
积分常数过大：
调幅电路：
可由运放组成的比例电路来实现，反馈电阻由电位器构成，即可达
到调幅的目的。
二、简易频率计
1、数字频率计的基本原理
数字频率计首先必须获得相对稳定的准确的时基信号，同时将被测信号转换成幅度和波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔的脉冲个数，并将其换算后显示出来。
如图
数字频率计由放大整形电路、脉冲计数器、数据锁存电路、译码驱动、LED显示电路、时钟电路和产生清零脉冲的单稳态电路组成。
（二）、各部分的实现方法及功能
1、放大整形电路
由双运算放大器NE5532组成，采用正负5V电源。
其中一个运算放大器对输入信号进行放大，放大倍数选用50；
另一个运算放大器接成过零电压比较器，对放大后的信号进行整形，
产生±5V的脉冲信号。
要想得到TTL脉冲信号，需要设计成带限幅的过零比较器。
放大整形电路的波形变换：
为了能够对直流周期信号的频率进行测量，需要在放大前加入滤波电路。
2. 时钟电路、清零和锁存脉冲
晶振采用平常较为多见的时钟晶振，谐振频率为32.786kHz，用CD4060 对其进行214 分频，得到2Hz的信号，再由J-K触发器CD4027进行2分频得到需要的1秒的时钟信号。
时钟信号同时又作为锁存器的锁存信号，直接送到锁存器74HC374，在时钟信号的上升沿进行锁存。
由于芯片的时间延时，可以保证在锁存器进行锁存之后，计数器才
开始清零操作。
各信号的波形如图所示：
3.译码驱动和LED显示电路
由四片BCD码译码驱动芯片CD4543和四个八段LED数码管组成。
CD4543将74HC374锁存器输出的BCD码进行译码后驱动LED数码管显示。
五、电子产品装配
1、元器件识别、筛选、检测
准确清点和检查全套装配材料数量与质量，进行元器件的识别与检测，筛选确定元器件。
2、电路板焊接安装
要求严格按电路原理图和PCB板实际连线进行电路安装，各元器件极性安装正确；焊点大小适中，无漏、假、虚、连焊，焊点光
滑、圆润、无毛刺；引脚加工尺寸及成形符合工艺要求，导线长度、剥头长度符合工艺要求。
芯线完好，念头镀锡；PCB板无烫伤和划伤处，整版清洁无污物
3、调试
电路安装好后，进行了通电前的检查，通电后，每片集成芯片没有发热现象。
工作电压正常，这是电路工作的基本保障。
调试单元电路直到正常工作。
统调电路的方法是将调试好的若干元电路连接起来，然后按照信号流向，由输入到输出，由简单到复杂，依次测试，直至正常工作。
4、排除故障
一般的故障测试手段：面包板上的指示灯，万用表测试。
用万用表测试：
1、首先用万用表的电压档测试芯片的电源线和接地之间的电压是否为电源电压。
，为防止导线接触不良，用万用表的红黑表笔直接测试芯片的电源和地两个引脚之间的电压。
2、用万用表测试每一根线是否接触良好，若检测导线的状况良好，但信号却没有送到对应的引脚，可能是芯片没有插好造成接触不良，重新插好再测试，直到正常。
六、参数测试
简易信号发生器：
1.正弦波波形及测试结果
2．方波波形及测试结果
3.三角波波形及测试结果
简易频率计：
在输入为正弦波、方波和三角波三种情况下，分别测试：
量程为：6-270K(HZ)
电压为：1.5V
七、设计总结
通过此次课程设计，使我加深了对放大器的理解和运用，对正弦波、三角波和方波的产生以及幅值、频率的调节有了清楚的认识，通过自己亲自仿真对电路原理有了更深刻的认识。
经过两天的焊接和调试，当一个个波形在示波器上清楚的显示出来时，有一种成就感。
通过此次课程设计不但培养了自己运用理论知识解决实践问题、训练了自己科学实验能力和创新能力，两个人一组还培养了合作能力。
我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。
更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。
而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。
要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。
这对于我们的将来也有很大的帮助。
以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。
就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。
八、主要参考文献
【1】任为民.电子技术课程设计指导书.北京：中央广播电视大学出版社，2001
【2】焦宝文. 电子技术基础课程设计指南. 北京：清华大学出版社，2002
【3】高吉祥.电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2002
【4】余孟尝.数字电子技术简明教程. 北京：高等教育出版社，2005 【5】康华光.电子技术基础（数字部分）. 北京：高等教育出版社，2001
【6】阎石.数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2004
【7】王楚. .数字逻辑电路. 北京：高等教育出版社，1999
附录：
附录一工具清单
附录2 元器件清单
简易函数信号发生器元器件清单
数字频率计元器件清单
实际连接电路图。
