1、電子電路綜合設計實驗報告示波器功能擴展電路的設計與實現示波器功能擴展電路的設計與實現一、 摘要:本實驗旨在對普通示波器進行功能擴展，實驗電路通過時鐘產生電路NE555、地址產生電路74LS169、多路模擬開關CD4052、運算放大器LF353（對信號進行放大調整和線性疊加）的使用，將一個普通的雙蹤示波器改裝為多蹤示波器，能夠實現用示波器一路探頭輸入穩定顯示四路被測信號波形，并且四路被測信號的波形大小可以分別調整。二、 關鍵詞：時鐘電路、地址產生電路、多路模擬開關、多路示波器三、 設計任務要求:1、實驗目的：1） 深入掌握運算放大器組成加法器的應用2) 掌握 555 定時器用作多諧振蕩器的方法3

2、) 學習模擬多路選擇器的工作原理和使用方法4) 重溫鞏固示波器原理和使用方法5） 提高獨立設計電路和驗證實驗的能力2、基本要求設計一個將普通雙蹤示波器改裝成為多蹤示波器的電路，包括多蹤示波器的時鐘電路、位移電路、衰減和放大電路。能夠實現用示波器一路探頭輸入穩定顯示四路被測信號波形.輸入信號幅度為010V，頻率不低于500Hz,系統電源DC±5V。3、提高要求四路被測信號波形的大小可以分別調整四、設計思路、總體結構框圖：階梯波產生電路加法器電路 輸出放大調整電路地址產生電路時鐘產生電路多路模擬開關多路被測信號五、 分塊電路和總體電路的設計:51時鐘產生電路:利用NE555構成多諧振蕩器

3、，產生20K到200KHz的方波，其高低相間的電平可作為后續地址產生電路的控制信號。1） 電路組成：用555定時器構成的多諧振蕩器電路如上圖所示:圖中電容C、電阻R1和R2作為振蕩器的定時元件,決定著輸出矩形波正、負脈沖的寬度。定時器的觸發輸入端（2腳)和閥值輸入端（6腳)與電容相連；集電極開路輸出端（7腳）接R1、R2相連處，用以控制電容C的充、放電；外界控制輸入端(5腳)通過0.01uF電容接地。2） 工作原理： 多諧振蕩器的工作波形如圖上圖所示:電路接通電源的瞬間，由于電容C來不及充電，Vc=0 V，所以555定時器狀態為1，輸出Vo為高電平。同時,集電極輸出端(7腳）對地斷開，電源Vc

4、c對電容C充電，電路進入暫穩態，此后，電路周而復始地產生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器兩個暫穩態的維持時間取決于RC充、放電回路的參數。暫穩態的維持時間，即輸出Vo的正向脈沖寬度；暫穩態的維持時間，即輸出Vo的負向脈沖寬度.因此，振蕩周期，振蕩頻率。正向脈沖寬度T1與振蕩周期T之比稱矩形波的占空比D，由上述條件可得,若使,則D1/2,即輸出信號的正負向脈沖寬度相等的矩形波(方波)。本次實驗要求多諧振蕩器產生20K到200KHz的方波作為74LS169計數器的時鐘信號，取C=1000pF=1×10-9F，R2為總阻值為10K的電位器，理論計算可以產生要求頻率的時鐘信號。 52地址產生電路

5、：1） 電路組成：74LS169是模16的同步二進制計數器，可以通過4位二進制輸出來計時鐘沿的個數，本設計中利用其2位輸出QA、QB作為多路選擇開關CD4052的地址。2) 工作原理:對照第一節中的功能表，本實驗中169計數器的和計數控制端（低電平有效）和U/加/減計數方式控制端均接地，采取減計數方式進行計數.P0、P1、P2、P3四個并行輸入端均接地。CLK時鐘信號輸入端（上升沿有效）輸入555定時器產生的時鐘信號，由時序圖知169計數器會計數時鐘信號上升沿的個數，則QA輸出555時基信號的二分頻信號,QB輸出四分頻信號。QB、QA輸出11、10、01、00計數信號，這4個2位輸出可以作為多

6、路選擇開關CD4052的地址。5.3階梯波產生電路/信號輸入電路1) 電路組成：CD4052為雙回路模擬開關,一路作為直流通道，另一路為信號通道，兩路信號通過衰減器后在示波器上顯示4路不同的波形.2） 工作原理：01數據輸出 X/Y23模擬開關CD4052的X0、X1、X2、X3為X通道輸入端OUT（X）端為X通道輸出端，Y0、Y1、Y2、Y3端為Y通道輸入端，OUT（Y）端為Y通道輸出端，為使能端,低電平有效，故在本電路中接地.由于4路輸入信號為交流信號,故使用雙電源供電，除保證交流信號正常傳輸外，同時也擴大了信號輸出的動態范圍。直流通道是由2K、1K、1K、1K電阻組成的分壓網絡，分別取出

7、3V、2V、1V、0V的直流電壓作為所要顯示信號波形的直流分量,使其在示波器不同的位置顯示出來。信號通道的輸入接被顯示的信號，通過169計數器產生的地址信號QA、QB對兩路信號同步的進行選通。A、B為地址控制端,由第一節中CD4052的真值表可知BA=00時X0、Y0選通,BA=01時X1、Y1選通，BA=10時X2、Y2選通,BA=11時X3、Y3選通，進而通過地址信號QA、QB對兩路信號同步的進行選通。5。4放大調整電路/加法器電路1）電路組成:LF353為雙運算放大電路，被測信號由CD4052選通后由LF353雙運放之一進行放大或衰減處理。LF353內的另一個運放則組成一個加法器電路，將

8、經過放大或衰減處理后的被測信號與CD4052直流通路選通的直流量疊加后輸出，從而使被測信號顯示在示波器熒光屏不同的位置。 2)工作原理： a） 反向放大電路： 反向放大電路如上圖所示,信號通過電阻輸送到運放的反向輸入端，電阻為電路的反饋電阻，一般使用運放構成放大電路時均滿足深度負反饋的條件,所以可以運用虛短、虛斷的概念分析。由于沒有電流通過，所以同向端電位為0。故： ，且，得為直流平衡電阻，作用是減小附加差模輸入電壓，.本實驗中則放大倍數,即只有反向沒有放大。 b) 反向加法運算電路：反向加法運算電路如上圖所示，由于反向輸入端為“虛地"，所以且有從而實現兩輸入信號的反向比例相加，直流

9、平衡電阻。本實驗中，則Uo=（U1+U2），即實現直流量與被測信號的疊加。Rp=39K/39K/39K=13K。兩個電容的作用是隔斷交流信號中的直流分量。六、所實現功能說明（已完成的基本功能和擴展功能,主要測試數據，必要的測試方法等）1、所實現的基本功能：能夠實現用示波器一路探頭輸入穩定顯示四路被測信號波形，用示波器探頭測試74LS169的Q0，Q1可以顯示555時基信號的二分頻和四分頻方波2、擴展功能：未能實現四路被測信號波形的大小可以分別調整。3、主要測試數據電路搭建完畢后，首先進行外觀檢查，檢查無誤后進行通電測試。通過初步測試，電路的組成已經確定。下面將針對課本所提出的各項要求進行指標進

10、行測試和分析。 6.3.1測試環境 3。1。1 測試儀器 1）雙蹤模擬示波器 2)函數信號發生器 3）直流穩壓電源 3。1.2 測試條件 1)室溫25攝氏度左右 2)信號輸入端接入函數信號發生器輸出 3）電源使用直流穩壓電源提供的±5V 4)輸出端單探頭接示波器 6。3.2時鐘產生電路的測試 首先調節兩路穩壓電源大小均為5V,然后將555定時器的3腳接示波器，觀測輸出波形是否為方波，其頻率值是否滿足實驗要求.測試結果如下：t1t2輸出頻率f1K7。58K1000pF0.01us5.30us9。95us60。4777KHz振蕩頻率f=1/T=1.443/(R1+2R2)C，占空比D=（

11、R1+R2)/（R1+2R2），將表中數據代入得f=60。4777KHz,D=0.5350.5，與實驗測得信號輸出震蕩頻率f=60.4777KHz，輸出占空比D=5.30/9.95=0.533相符。實驗波形圖如下： 6。3.3地址產生電路的測試 本模塊目的是產生CD4052模擬開關的地址，分別將QA、QB接示波器探頭,觀測QA輸出是否為555多諧振蕩器產生的時鐘信號得二分頻信號，QB輸出的是否為其四分頻信號。二分頻信號頻率四分頻信號頻率301944KHz15.0672KHz輸出波形如下二分頻信號波形： 四分頻信號波形： 由測量出的頻率以及其波形圖易知QA輸出為時鐘信號的二分頻信號，QB輸出為時

12、鐘信號的四分頻信號，滿足本實驗要求。 6。3。4階梯波產生電路的測試： 計數器產生的地址輸入AB地址控制端，通過依次選通X0、X1、X2、X3，在CD4052的直流通道X輸出階梯波，將CD4052的16腳接+5V電源，7腳接-5V電源，13腳接示波器探頭，觀測其輸出是否為階梯波。 由其輸出波形知X通道產生了階梯波，且其差幅為1V，滿足本實驗要求. 6。3.5輸出波形的測試： 將加法器的輸出端接示波器探頭，觀測其輸出是否為4路分開的波形.調試過成中發現，輸入信號輸入信號頻率過大或者峰峰值過大都會造成輸出信號失真或者觀測不出波形。將正負穩壓電源分別調到+5.78V和5。14V輸入輸出峰峰值與頻率值

13、如下表所示：輸入信號正弦波峰峰值1.58V頻率1122。55Hz 被測信號的頻率越低，階梯波信號的頻率越高，輸出的波形越好,這是由示波器的斷續顯示方式決定的：顯示一路信號的一部分，然后顯示下一路信號的一部分，每一路信號實際上是斷續不完整的，但由于人眼的視覺暫留,我們感覺到波形是連續的。所以在電路正常的前提下，應盡量提高震蕩的頻率以提高被測信號的頻率范圍。調節階梯波與被測信號疊加波形時應使各路信號不重疊。觀測波形如下:七、 故障及問題分析：1. 輸出的波形產生了相位差。由于輸入的信號的頻率太大，導致信號在經過運放后產生了相位差，減小輸入信號的頻率即可，一般頻率小于1。5kHz。2. 方波的正向出

14、現較大失真（不平,呈現對數波形)，通過調整電容值，減小充放電時間，使波形更準確，以滿足最后輸出波形清晰； 3. 放大器不完全理想，負反饋深度不夠，通過調整開關調整接入電路的電阻大小，通過加深反饋深度增大放大倍數，以減小放大器不理想造成的影響；4. 由于交流地與直流地都是對應于模擬開關電路，必須將兩者短接,即交流地和直流地應該是相同的，才能使模擬開關電路同時處理兩種信號，以輸出階梯波；5。 由于高頻信號輸出時較不穩定，并非電路問題，應該在調示波器時調整trig旋鈕,以達到波形穩定輸出的目的。八、 實驗結論：本次實驗完成了單到多蹤示波器的轉換，這其中主要包括以下幾個模塊：多諧振蕩器產生時鐘信號、計

15、數器產生模擬開關的地址電路、模擬開關斷續選通各路信號電路、放大電路、加法器電路。本次試驗電路采用555定時器作為振蕩器，輸出的方波作為切換電路的控制信號.控制信號直接接在74LS169二進制計數器上作為多路開關的選通信號.CD4052為雙回路模擬開關芯片，一路為直流通道,另一路為信號通道，模擬開關控制示波器斷續顯示各路信號,但由于人眼的視覺暫留，我們感覺到波形是連續的.兩路信號通過LF353集成運算放大器相加后在示波器水平位置上同時顯示四路不同的信號。九、心得體會： 當驗收的時候,出現了之前測試時從未發生的問題：幾路波形有相位差，幾近第一路與第三路,第二路與第四路反相，當時真的有種茫然，但是仔

16、細一想，找到了其中的問題，由于使被測的信號的頻率太高，經過運放后產生了相位差，在調整頻率小于1.5KHz時，波形恢復正常.這一事件對我的震動真的很大，真心體驗到將所學知識用來解決實際的問題帶來的成功感。這次實驗使我更理解了自激電路的工作原理，以及很多器件的使用， 通過這次實驗，我對以后的學習目標更加明確，深刻體會到理論聯系實踐的重要，因此在后續課程的學習中我會加強理論知識的學習，同時重視實驗課程,加強動手能力的培養。 通過此次實驗,我的耐力和承受力得到了大大的提高,在一次次的調試，仍不出波形時，耐力及承受力達到了前所未有的高度,真心很珍惜此次實驗，當出現波形時的欣喜。對示波器有了更深的感情，對面包板有了更清楚的了解,在搭建面包板的過程中，我的細心與耐心也得到了很大的提升，尤其是在和同學搭建的電路的對比后,一次次地修改美化，都使我增加了對它的珍愛.這些都是這次實驗帶給我的難得的回憶，通過此次實驗，真的受益匪淺！十、原件清單：芯片