1、青海師范大學課程設計報告課程設計名稱：函數信號發生器專業班級：電子信息工程學生姓名：李玉斌學號：20131711306同組人員：郭延森 安福成 涂秋雨指導教師：易曉斌課程設計時間：2015年12月目錄1 設計任務、要求以及文獻綜述2 原理綜述和設計方案 2.1 系統設計思路 2.2設計方案及可行性2.3 系統功能塊的劃分2.4 總體工作過程3 單元電路設計 3.1 安裝前的準備工作 3.2 萬用表的安裝過程4 結束語1 設計任務、要求 在現代電子學的各個領域，常常需要高精度且頻率可方便調節的信號發生器。能夠產生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路稱為函數信號發生器，又名信

2、號源或振蕩器。函數信號發生器與正弦波信號發生器相比具有體積小、功耗少、價格低等優點, 最主要的是函數信號發生器的輸出波形較為靈活, 有三種波形（方波、三角波和正弦波）可供選擇，在生產實踐，電路實驗，設備檢測和科技領域中有著廣泛的應用。 該函數信號發生器可產生三種波形，方波，三角波，正弦波，具有數字顯示輸出信號頻率和電壓幅值功能，其產生頻率信號范圍1HZ100kHZ，輸出信號幅值范圍010V，信號產生電路由比較器，積分器，差動放大器構成，頻率計部分由時基電路、計數顯示電路等構成。幅值輸出部分由峰值檢測電路和芯片7107等構成。 技術要求：1. 信號頻率范圍 1Hz1

3、00kHz；2. 輸出波形應有： 方波、三角波、正弦波；3. 輸出信號幅值范圍010V；4. 具有數字顯示輸出信號頻率和電壓幅值功能。2 原理敘述和設計方案2.1 系統設計思路函數信號發生器根據用途不同，有產生三種或多種波形的函數發生器，其電路中使用的器件可以是分離器件（如低頻信號函數發生器S101全部采用晶體管），也可以是集成器件（如單片集成電路函數信號發生器ICL8038）。產生方波、正弦波、三角波的方案也有多種，如先產生方波，再根據積分器轉換為三角波，最后通過差分放大電路轉換為正弦波。頻率計部分由時基電路、計數顯示電路等構成，整形好的三角波或正弦波脈沖輸入該電路，與時基電路產生的閘門信號

4、對比送入計數器，最后由數碼管可顯示被測脈沖的頻率。產生的3種波經過一個可調幅電路，由于波形不斷變化，不能直接測出其幅值，得通過峰值檢測電路測出峰值（穩定的信號幅值保持不變），然后經過數字電壓表（由AD轉換芯片CC7107和數碼管等組成），可以數字顯示幅值。2.2設計方案及可行性方案一：采用傳統的直接頻率合成器。首先產生方波三角波，再將三角波變成正弦波。方案二：采用單片機編程的方法來實現（如89C51單片機和D/A轉換器，再濾波放大），通過編程的方法控制波形的頻率和幅度，而且在硬件電路不變的情況下，通過改變程序來實現頻率變換。方案三：是利用ICL8038芯片構成8038集成函數發生器，其振蕩頻率

5、可通過外加直流電壓進行調節。經小組討論，方案一比較需要的元件較多，方案二超出學習范圍，方案三中的芯片仿真軟件中不存在，而且內部結構復雜，不容易構造，綜合評定，最后選擇方案一。2.3系統功能塊的劃分該系統應主要包括直流穩壓電源，信號產生電路，頻率顯示電路和電壓幅值顯示電路四大部分。直流穩壓電源將220V工頻交流電轉換成穩壓輸出的直流電壓，信號產生電路產生的信號，經過適當的整形，作為頻率顯示電路的輸入，從而達到了數字顯示頻率的要求；產生的信號經過幅頻顯示部分（峰值檢測電路和數模轉換），便實現了幅值數字顯示。2.4 總體工作過程先由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成方波發生電路，然后方波經積分器得到

6、三角波，由差分放大器來完成三角波到正弦波的變換電路。頻率計部分由時基電路、計數顯示電路等構成，整形好的三角波或正弦波脈沖輸入該電路，與時基電路產生的閘門信號對比送入計數器，最后由數碼管可顯示被測脈沖的頻率。產生的3種波經過一個可調幅電路，由于波形不斷變化，不能直接測出其幅值，得通過峰值檢測電路測出峰值（穩定的信號幅值保持不變），然后經過數字電壓表（由AD轉換芯片CC7107和數碼管等組成），可以數字顯示幅值。3 單元電路設計一、 信號產生電路1. 函數發生器總方案函數發生器一般是指能自動產生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據用途不同，有產生三種或多種波形的函數發生

7、器，使用的器件可以是分立器件（如低頻信號函數發生器S101全部采用晶體管），也可以采用集成電路（如單片集成電路函數信號發生器ICL8038）。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調試技術，本課題采用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波正弦波函數發生器的設計方法，如圖。產生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產生三角波方波，再將三角波變成正弦波或將方波變成正弦波等等。本課題采用先產生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法。由比較器和積分器組成方波三角波產生電路，比較器輸出的方波經積

8、分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。函數發生器組成框2 各組成部分電路的工作原理 方波發生電路的工作原理 此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環節，又作為反饋網絡，通過RC充、放電實現輸出狀態的自動轉換。設某一時刻輸出電壓=+ ,則同相輸入端電位 =+ 。通過R3對電容C正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當t

9、趨于無窮時，趨于+ ；但是，一旦 =+ ,再稍增大，從+ 躍變為- ,與此同時從 躍變為- 。隨后，又通過R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。隨時間逐漸增長而減低，當t趨于無窮大時，趨于- ；但是，一旦 =- ,再減小，就從- 躍變為+ ，從- 躍變為+ ，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產生了自激振蕩。 方波三角波轉換電路的工作原理 圖22 方波三角波轉換電路圖22所示的電路能自動產生方波三角波。工作原理如下：若R2左斷開，運算發大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉。運放的反相端接基準電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓，R1

10、稱為平衡電阻。比較器的輸出的高電平等于正電源電壓+ ，低電平等于負電源電壓- （|+ |=|- |）, 當比較器的U+=U- =0時，比較器翻轉，輸出從高電平跳到低電平- ,或者從低電平跳到高電平。設 =+ 則 將上式整理，得比較器翻轉的下門限單位為若 = -,則比較器翻轉的上門限電位為比較器的門限寬度由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖23所示 圖23 比較電壓傳輸特性 圖24 方波、三角波的轉化R2左端斷開后，運放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為時，時，可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形

11、關系如圖24所示。R2左端閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環電路，則自動產生方波-三角波。三角波的幅度為方波-三角波的頻率f為由以上兩式可以得到以下結論：a) 電位器RP2在調整方波-三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實現頻率微調。b) 方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可實現幅度微調，但會影響方波-三角波的頻率。三角波正弦波轉化電路的工作原理三角波正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放

12、大器，可以有效的抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達式為： 式中差分放大器的恒定電流； 溫度的電壓當量，當室溫為25°C時，26mV。如果為三角波，設表達式為式中，三角波的幅度；T三角波的周期。 圖25 三角波正弦波變換為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：a)傳輸特性曲線越對稱，線性區越窄越好；b)三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區或截止區。圖26為實現三角波正弦波變換的電路。其中Rp1調節三角波的幅度，Rp2調整電路的對稱性，其并聯電阻RE2用來減小差分放大器的線性區。電容C1,C

13、2,C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。 圖26三角波正弦波變換電路2. 計頻顯示電路測量正弦波、方波、三角波的頻率，利用施密特觸發器將輸入信號整形為方波，并利用計數器測量1s內脈沖的個數，利用鎖存器鎖存，穩定顯示在數碼管上。2.1頻率測量的方法1) 測周法測周期法，測周期法使用被測信號來控制閘門的開閉，而將標準時基脈沖通過閘門加到計數器，閘門在外信號的一個周期內打開，這樣計數器得到的計數值就是標準時基脈沖外信號的周期值，然后求周期值的倒數，就得到所測頻率值。首先把被測信號通過二分頻，獲得一個高電平時間是一個信號周期T的方波信號；然后用一個一直周期T1的高頻方波信號作

14、為計數脈沖，在一個信號周期T的時間內對T1信號進行計數，如圖2-7所示。若在T時間內的計數值為N2,則有：T2=N2*T1 f2=1/T2=1/(N2*T1)=f1/N2 N2的絕對誤差為N2=N+1。N2的相對誤差為N2=(N2-N)/N=1/NT2的相對誤差為T2=(T2-T)/T=(N2*T1-T)/T=f/f1從T2的相對誤差可以看出，周期測量的誤差與信號頻率成正比，而與高頻標準計數信號的頻率成反比。當f1為常數時，被測信號頻率越低，誤差越小，測量精度也就越高。2）測頻法測頻法是將被測信號通過一個定時閘門加到計數器進行計數的方法，如果閘門打開的時間為T，計數器得到的計數值為N1，則被測

15、頻率為f=N1/T。改變時間T，則可改變測量頻率范圍。設在T期間，計數器的精確計數值應為N,根據計數器的計數特性可知，N1的絕對誤差是N1=N+1,N1的相對誤差為N1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相對誤差可知，N的數值愈大，相對誤差愈小，成反比關系。因此，在f已確定的條件下，為減少N的相對誤差，可通過增大T的方法來降低測量誤差。當T為某確定值時（通常取1s），則有f1=N1,而f=N，故有f1的相對誤差：f1=(f1-f)/f=1/f 從上式可知f1的相對誤差與f成反比關系，即信號頻率越高，誤差越小；而信號頻率越低，則測量誤差越大。因此測頻法適合用于對高頻信號的測量，頻率越高，測量精度

16、也越高。 本次課設要求測1100KHZ的信號，因此，采用測頻法測頻率。因此可得計頻顯示電路框圖如下：數碼顯示鎖 存計數譯 碼放大電路閘門檢測待測信號 計數 清零控 制 電 路時基電路 控制信號計頻顯示電路原理框圖2.2 整形電路由于由門限電壓比較器構成的整形電路會產生較大的信號干擾造成計數不準確，所以采用555構成的施密特觸發電路構成整形電路（如圖2.2.1所示）。用555構成的施密特觸發器作用是將輸入的周期性信號，如正弦波、三角波變換成脈沖波形，其周期不變。圖2.2.1 整形電路三角波和正弦波整形后的電路圖圖2.2.2圖2.2.32.3 時基電路時基電路的作用是控制計數器的輸入脈沖。當標準時

17、間信號（1s正脈沖）到來時，閘門開通，被測信號通過閘門進入計數器技數：當標準脈沖結束時，閘門關閉，計數器無脈沖輸入。時基電路可以由555定時器構成的多諧振蕩器實現，如圖2-12。利用式計算參數。仿真的結果如圖2.3.2所示。圖2.3.12.4控制電路 控制電路是整個計頻顯示電路正常工作的核心部分，需仔細分析各種頻率信號（計數，選通，鎖存，清零）的時序關系，以最終控制計數譯碼顯示電路的工作狀態。由于功能要求識別的最小頻率是1Hz，因此將選通信號的高電平時間定為1s，在這個時間段內允許待測信號輸入進行計數，鎖存和清零信號的輸出均為高電平。在選通信號為低電平時關閉閘門，計數停止，處于數據鎖存的時間段

18、，此時的鎖存信號為低電平，清零信號仍為高電平，直到選通信號的下一個高電平到來前（開始下一個計數），清零信號端輸出一個低電平實現數碼管顯示的清零，準備進入下一個計數周期。如此往復，以實現待測信號的反復測量。這幾個信號的工作時序如圖2.4.1所示。選通信號計數信號 。 。鎖存信號清零信號實現此電路主要由兩種方案：方案一：采用CD4017計數芯片方案二：采用JK觸發器比較兩種方案可知，CD4017計數器構成的數字頻率計時序關系相對簡單，固定，控制電路中的各信號頻率的可調節性較小，控制電路的控制脈沖必須是1Hz，由此來固定選通信號的周期，唯一可以變化的是延長鎖存和清零保持的時間，采用JK觸發器構成的數

19、字頻率計雖然時序關系稍微復雜一點，但其最大的優勢在于控制電路中的各信號頻率的可調節性較大，通過門電路的使用可以改變鎖存和清零的時間。實際當中，只需選通信號為1s，并不需要太長的鎖存時間和清零時間。因此，在對鎖存和清零時間較為嚴格時，宜采用一JK觸發器為核心控制電路的數字頻率計。由JK觸發器構成的控制電路如圖2.4.2所示。圖2.4.22.5用到的芯片這部分芯片有555定時器、四位二進制同步計數器74LS160、JK觸發器74LS175、譯碼器74471）同步十進制計數器74LS160（計數作用）該計數器外加適當的反饋電路可以構成十進制以內的任意進制計數器。圖3-7中是預置數控制端，D、C、B、

20、A是預置數據輸入端，是清零端，EP、ET是計數器使能控制端，RCO是進位信號輸出端，它的主要功能有： a. 異步清零功能 若=0，則輸出DCBA=0000，與其它輸入信號無關，也不需要CP脈沖的配合，所以稱為“異步清零”。b. 同步并行置數功能 在=1，且=0的條件下，當CP上升沿到來后，觸發器DCBA同時接收D、C、B、A輸入端的并行數據。由于數據進入計數器需要CP脈沖的作用，所以稱為“同步置數”，由于4個觸發器同時置入，又稱為“并行”。 c.進位輸出RCO在=1、=1、EP=1、ET=1的條件下，當計數器計數到1001時進位RCO=1，其余時候RCO=0。d.保持功能在=1，=1的條件下，

21、EP、ET兩個使能端只要有一個低電平，計數器將處于數據保持狀態，與CP及D、C、B、A輸入無關，EP、ET區別為ET=0時進位輸出RC00，而EP=0時RC0不變。注意保持功能優先級低于置數功能。 e. 計數功能在=1、=1、EP=1、ET=1的條件下，計數器對CP端輸入脈沖進行計數，計數方式為二進制加法，狀態變化在DCBA=00001001間循環。圖2.5.1 74160 芯片管腳圖2） D觸發器74LS175（鎖存作用）鎖存器的作用是將計數器在1s結束時的計數值進行鎖存，是顯示器上獲得穩定的測量值。當時鐘脈沖CP的正跳變來到時，鎖存器的輸出等于輸入，從而將計數器的輸出值送到鎖存器的輸出端。

22、74LS175是用4個D觸發器組成的四位寄存器，它的邏輯電路圖如圖2.5.2圖2.5.2 74LS175邏輯電路圖其管腳圖如圖2.5.3圖2.5.3 74LS175管腳圖由圖3-9的電路圖可見，在CP上升沿到達時端的狀態被同時寄存到各觸發器中,直到下一個CP上升沿到達時再一次置數。為了增加電路靈活性，74LS175中加了異步清零端，當=0時，不需要和CP同步，就可以完成寄存器Q0到Q3的清零工作。3）顯示譯碼器74477447七段顯示譯碼器輸出為低電平有效，用以驅動共陽極數碼管。邏輯符號見圖2-17。7447有4個 BCD碼輸入端 A、B、C和D，其中 D為最高有效位，A為最低有效位，它們分別

23、與輸出端口中的4位相連。7447的7個輸出引腳 ag直接與 LED的相應引腳相連。當滅燈輸入/動態滅燈輸出（BI/RBO）開路或為高電平而試燈輸入為低電平，則所有輸出端都為1。BI/RBO是線與邏輯，作滅燈輸入（BI）或動態滅燈（RBO）之用，或者兼為二者之用 圖2.5.4 顯示譯碼器7447a.要求015時，滅燈輸入（BI）必須開路或保持高電平，如果不要滅十進制數零，則動態滅燈輸入（RBI）必須開路或為高電平。b.將一低電平直接輸入BI端，則不管其他輸入為何電平，所有的輸出端均輸出為低電平。c.當動態滅燈輸入（RBI）和A,B,C,D輸入為低電平而試燈輸入為高電平時，所有各段輸出都為0，并且

24、動態滅燈輸出（RBO）為低電平（響應條件）。d.當滅燈輸入/動態滅燈輸出（BI/RBO）開路或為高電平而試燈輸入為低電平，則所有輸出端都為1。4）七段數碼管七段數碼顯示器是于發光二極管組成的，用來顯示特定的的顯示器。7段數碼管發光二極管使用靈活，簡單方便，當有電流通過時，相應的發光二極管就點亮；當電流消失沒有電流時，發光二極管就滅。同樣，共陽極LED顯示器就是將所有發光二極管的陽極接到一起，接到電源正極。這樣，當某個發光二極管的陰極加有低電平，該發光二極管即被點亮。 圖2.5.5 七段數碼顯示器通過a,b,c,d,e,f,g,dp各點和公共點的電位，就可以控制個發光二極管的亮暗，而不同的發光的

25、亮暗組合就可以顯示不同的數字（dp點是來表示小數點，在顯示數字中不起作用）。比如，要顯示“3”，則只需點亮a,b,c,d,g5個發光二極管，而其他均為暗，對于共陰極LED顯示器來說，就是在在這些引腳上輸入高電平即可。頻率f=，N為t時間內的振動次數，若t=1s，則f=N.因此只要對一秒內信號的振動次數進行計數，即可測出頻率。計數器采用74LS160級聯構成的10*10*10*10*10*10加計數器。將EP、ET接前一級74LS160的進位RC0，當DDDD=0000，則初始狀態為QQQQ=0000,當第九個上升沿過后，計數器處在QQQQ=1001，產生RCO=1信號，同時下一級74LS160

26、的EP、ET被置1，待第十個上升沿到達時，它也計數加1。這樣級聯可以得到多位十進制計數器。要測量1100KHZ的信號，則需要六位十進制計數器。級聯電路圖如圖2.5.6所示：圖2.5.6 74LS160級聯電路圖當Q=1時Q*CP=CP，計數器開始對CP脈沖計數，經過一秒后Q變為0，停止計數并保持。計數器輸出端與D觸發器構成的數字鎖存電路相連，接置數脈沖輸入端，當為上升沿這一瞬間，將此時計數器的輸出QQQQ存入D觸發器中并保存。待下一個上升沿到來時進行下一次置數。當Q為上升沿時，=+Q=1，計數器開始計數，當Q為下降沿時停止計數，為上升沿，將此時計數器的輸出送入D觸發器，進行鎖存，這樣周而復始，不斷對輸入頻率進行更新。D觸發器的輸出端接顯示譯碼器7447，再接共陽極七段碼顯示器，將D觸發器中鎖存的數顯示出來，這樣就可以讀出所測信號的頻率。頻率計電路圖附圖2所示。3.電壓幅值顯示電路本模塊主要由ADC進行數模轉換，然后將所得的數字信號經過與門和或門的處理連接到顯示