课程设计(论文)-设计并制作一个脉冲信号发生器.doc
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1、摘 要脉冲信号发生器的原理主要分为四部分,即正弦波的产生,方波的变换,分频电路和倍频电路,并由这四部分最终产生三种不同频率的信号。利用文氏振荡电路产生1KHZ的正弦波信号,通过过零比较器产生1KHZ的脉冲信号,经过74LS161计数器降频产生100HZ的脉冲信号, 100HZ的脉冲信号由HEF4046BP和HEF4518BP组成的锁相环升频电路变成10KHZ的脉冲信号。控制电路利用74LS112、CD4051、74LS139控制信号灯,三种控制信号可以通过一个按键控制。本次设计的要点在于电路的线路的连接及焊接,通过设计体会理论与实际结合的重要性。关键字: 正弦产生 波形转换 降频电路 锁相环目
2、 录一、设计任务和要求31.1 设计任务31.2 设计要求3二、系统设计42.1 系统要求42.2 方案设计42.3 系统工作原理4三、单元电路的设计63.1 单元电路A(直流电源电路)63.1.1 电路结构及工作原理63.2单元电路B(文氏振荡电路)73.2.1电路结构及工作原理73.2.2电路仿真93.2.3 元器件的选择及参数的确定93.3 单元电路C(过零比较器整形电路)103.3.1电路结构及工作原理103.3.2电路仿真113.3.3元器件的选择及参数确定123.4 单元电路D(74LS161计数器降频电路)123.4.1 电路结构及工作原理123.4.3 元器件的选择及参数确定1
3、53.5 单元电路E(锁相环倍频电路)153.5.1 电路结构及工作原理153.6 单元电路F(控制电路)193.6.1电路结构及工作原理193.6.2电路仿真233.6.3元器件的选择及参数确定23四、系统仿真24五、电路安装、调试与测试255.1电路安装255.2电路调试255.3系统功能及性能测试265.3.1测试方法设计265.3.2测试结果及分析26六、结论27七、参考文献28八、总结、体会和建议29附录31一、 设计任务和要求1.1 设计任务设计并制作一个脉冲信号发生器。1.2 设计要求1、能够输出1KHZ正弦波信号;2、由该1KHZ正弦波信号产生100HZ脉冲信号;3、由100H
4、Z脉冲信号产生10KHZ脉冲信号;4、输出信号能够在这三种信号中通过电子开关进行选择,电子开关由按键控制,并且能够对选择的信号用发光二极管指示; 5、按照要求,设计电路原理图,用multisim进行仿真,用万用板焊接元器件,完成调试、测试,撰写设计报告。二、 系统设计2.1 系统要求运用所学到的数电和模电知识查找资料并结合实际,设计原理图,焊接元器件,从而达到课设课题的要求。2.2 方案设计先由文氏振荡电路产生1KHZ正弦波信号,再通过过零比较器产生1KHZ脉冲信号,构成第一路输出;再由74LS161计数器降频产生100HZ脉冲信号,构成第二路输出;100HZ脉冲信号通过HEF4046BP和H
5、EF4518BP组成的锁相环升频电路变成10KHZ脉冲信号,构成第三路输出。控制电路通过一个按键给74LS112施加触发信号,从而控制模拟开关CD4051从三种信号中选择一路输出,并利用74LS139对选择的信号用发光二极管指示。2.3 系统工作原理产生预期1KHZ正弦波信号,再将正弦波转换为同频率的脉冲信号,然后降频到100HZ,最终升频到10KHZ,每一步的信号产生都有各种可选方案。比如正弦波的产生就有:利用ICL8038,利用石英晶体振荡电路,利用文氏振荡电路等。方波转换电路有:利用施密特触发器,利用过零比较器,利用555组成的多谐振荡器等。此外,电路设计中要求用1KHZ脉冲信号产生10
6、0HZ脉冲信号,由100HZ脉冲信号产生10KHZ脉冲信号,因此我们想到了用74LS161计数器降频产生100HZ脉冲信号,再由HEF4046BP和HEF4518BP组成的锁相环升频电路产生10KHZ脉冲信号。根据每一部分的设计方案,我们最终选择的方案为:文氏振荡电路、过零比较器组成的整形电路、74LS161计数器设计的同步十进制加法计数器降频电路和锁相环升频电路,还有CD4051构成的模拟开关数据选择电路。原理方框图如图2.3所示:直 流稳 压电 源电 路文 氏振 荡电 路过 零 比 较 器 构 成 的 整 形 电 路信 号控 制 电 路 锁 相 环 升 频 电 路计 数 器 降 频电 路
7、图2.3 原理方框图三、单元电路的设计3.1 单元电路A(直流电源电路)3.1.1 电路结构及工作原理图3.1.1 直流电源电路在电子电路中,通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源的组成如图3.1.1所示。它是由电源变压器、整流 、滤波和稳压电路等四部分组成。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值,然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波,必须通过滤波电路加以滤除,从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后,还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变
8、化时,维持输出直流电压稳定。稳压电路一般采用固定电压三端集成稳压器,它有正输出电压和负输出电压之分,额定输出电压有5V到24V,最大额定电流有100mA到10A等各种。3.2单元电路B(文氏振荡电路)3.2.1电路结构及工作原理图3.2.1 文氏振荡电路工作原理:正弦波振荡电路由四部分组成,分别为放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节。当f=f0时,Uf与Uo同相,此时F=1/3,A=Av=3,即可构成正弦波振荡电路。连接方式通常有:桥式,移相,双T式三种。RC低频桥式正弦波振荡电路又称为文氏振荡电路,它适用于产生频率低于或等于1MHZ的低频振荡信号,振幅和频率较稳定,而且频率调节较方便。许
9、多低频信号发生器其主振器均采用这种电路。RC振荡电路在没有外加输入信号的情况下,依靠自激振荡产生正弦波,频率一般在200KHZ以下。起振条件为:|AF|1 ;平衡条件为:|AF|=1,A+B=2n。本设计采用文式振荡电路实现,电路图如图3.2.1所示,是典型的RC桥式正弦波振荡电路。在此电路中,反馈信号代替输入信号,引入正反馈。要确定振荡频率,引入外加的选频网络,在Rf回路中串联两个二极管,利用电流增大时二极管动态电阻小,电流减小时二极管动态电阻增大的特点,加入非线性环节,从而使输出电压稳定。其中RC串并联电路构成的选频网络,同时兼反馈环节,连接于集成运放的输出端和同相输入端之间,构成正反馈,
10、以产生正弦自激振荡。R2及二极管D1,D2构成负反馈网络和稳幅环节。调节R5即可改变负反馈的反馈系数,从而调整放大电路的电压增益,使之满足振荡的幅值条件。二极管D1,D2为自动稳幅元件,其作用是:当Uo很小时,二极管D1,D2相当于开路,此时由D1,D2,R2组成的并联支路等效电阻较大,设D1,D2,R2并联支路总的等效电阻为Rf,则Rf也较大,所以Auf=(1+RfR1) 3,则有利于起振;反之,当Uo幅值较大时,D1,D2导通,并联支路的等效电阻下降,则Rf也下降,所以Auf也随之下降,如果此时Auf 3,则Uo幅值趋于稳定。此外,采用两只二极管反相并联,目的是使输出电压在正负两个半周期内
11、轮流工作,使正半轴和负半轴的振幅相等。显然这两只二极管的特性应相同,否则正负半轴振幅将不同。文氏振荡器常见的一种稳幅措施是在负反馈回路中加入二极管,目的也是在输出幅度增大时使负反馈增强,但由于二极管的非线性,会使输出波形发生少许畸变。而上图所示的这个电路的负反馈回路中不含有非线性元件,因而能获得高质量的正弦波形。振荡频率计算如下:令=1RC,则f0=12RC,若要确定1KHZ的频率,则要求:R=470,C=330nF3.2.2电路仿真图3.2.2 1KHZ正弦波的电路仿真图3.2.3 元器件的选择及参数的确定选用 1N4007 OP07AJ电阻 R1=18K R2=11K R3=R4=470滑
12、动变阻器 R5=100K电容 C1=C2=330nF3.3 单元电路C(过零比较器整形电路)3.3.1电路结构及工作原理图3.3.1 (a) 过零比较器整形电路工作原理:同相输入单门限压比较器是一种用来比较输入信号Ui和参考电压Vref的电路。参考电压Vref加于运放的反向端,它可以是正值,也可以是负值。而输入信号Ui则加于运放的同相端,这时运放处于开环工作状态,具有很高的开环电压增益。过零比较器是Vref=0的特殊比较器,每当输入信号过零时,输出就要产生突然的变化。过零比较器的传输特性如图3.3.1(b)所示,当输入信号电压Ui小于参考电压Vref(即为零)时,差模电压Uid=Ui-Vref
13、0,运放立即转入正饱和状态,Uo=VoH 图3.3.1(b) 过零比较器的传输特性为了限制集成运放的差模输入电压,保护其输入级,可加二极管限幅电路。该电路的优点为:由于集成运放的净输入电压和净输入电流均近似为零,从而保护了输入级;由于集成运放并没有工作到非线性区,因而在输入电压过零时,其内部的晶体管不需要从截止区逐渐进入饱和区,或从饱和区逐渐进入截止区,所以提高了输出电压的变化。综上所述,故选用此电路来使1KHZ正弦波变换为同频率的方波。3.3.2电路仿真图3.3.2 1KHZ方波的电路仿真图3.3.3元器件的选择及参数确定选用 OP07AJ 1N4375电阻 R6=10K R7=5K 3.4
14、 单元电路D(74LS161计数器降频电路) 3.4.1 电路结构及工作原理图3.4.1(a) 74LS161计数器降频电路工作原理:将1KHZ的脉冲信号降频为100HZ的脉冲信号需要利用十进制计数器,其中1KHZ的脉冲信号作为计数器的CLK信号,十进制计数器的进位信号作为输出脉冲信号,则输出脉冲信号的频率为100HZ。常采用的方法有:利用十进制计数器74LS160或十六进制计数器74LS161和与非门构成的十进制计数器,利用触发器构成的十进制计数器等。74LS161同步四位二进制计数器(直接清零) 用于快速计数的内部超前进位 用于n 位级联的进位输出 同步可编程序 有置数控制线 二极管箝位输
15、入 直接清零 同步计数 这种同步可预置的四位二进制计数器是由四个D 型触发器和若干个门电路构成的,内部有超前进位,具有计数、置数、禁止、直接(异步)清零等功能。对所有触发器同时加上时钟,使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作,这种工作方式消除了非同步(脉冲时钟)计数器中常有的输出计数尖峰。缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿时触发四个触发器,这种计数器是可编程的,即输出可预置到任何电平。当预置是同步时,在置数输入端将建立一低电平,禁止计数,并在下一个时钟之后不管使能输入端是何电平,输出都与建立数据一致。清除是异步的(直接清零),不管时钟输入、置数输入和使能输入为何电平
16、,清除输入端的低电平并把四个触发器的所有输出直接置为低电平。有了超前进位电路后,无须另加门,即可级联出n位同步应用的计数器。它是借助于两个计数使能输入和一个动态进位输出来实现的。两个计数使能输入(ENP 和ENT)计数时必须是高电平,且输入ENT必须为正反馈,以便使能动态进位输出。因而被使能的动态进位输出将产生一个高电平输出脉冲,其宽度近似等于QA ,输出高电平。此高电平溢出进位脉冲可用来使能其后的各个串联级。使能ENP 和ENT 输入的跳变不受时钟输入的影响,即使改变工作模式的控制输入(使能ENP、ENT 或清零),但直到时钟发生为止,都不会有什么影响。计数器的功能(不管使能、不使能、置数或
17、计数)完全由稳态建立时间和保持时间所要求的条件来决定。利用74LS161连接成的十进制计数器如图3.4.1(b)所示:图3.4.1(b) 74LS161组成的十进制计数器因需要得到100HZ的脉冲信号,故图(a)中的输出信号应为CR端口的输出信号,图(b)中的输出信号为CO端口的输出信号。利用JK触发器连接成的十进制计数器:根据时钟方程、输出方程和状态方程可以得到用JK触发器制作的十进制计数器图3.4.1(c) JK触发器组成的十进制计数器最终我们采用用十六进制计数器74LS161和与非门构成的十进制计数器,接法如图所图3.4.1(b)所示。3.4.2 电路仿真图3.4.2 100HZ方波的电
18、路仿真图3.4.3 元器件的选择及参数确定选用 74LS161 74LS00 输入端接1KHZ的脉冲信号。3.5 单元电路E(锁相环倍频电路)3.5.1 电路结构及工作原理锁相的意义是相位同步的自动控制,能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环,简称PLL。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。锁相环主要由相位比较器(PC)、压控振荡器(VCO)低通滤波器三部分组成,如图3.5.1(a)中的图1 所示。压控振荡器的输出Uo 接至相位比较器的一个输入端,其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ud 的大小来决定。施加于相位比较器另一个输入端的外部输入
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