低频正弦信号发生器课设完结版

电子技术课程设计

课题名称低频正弦信号发生器班级_____

姓名

指导教师

日期___ _ __

前言

正弦交流信号是一种应用极为广泛的信号，它通常作为标准信号，用于电子电路的性能试验或参数测量。另外，在许多测试仪中也需要用标准的正弦信号检测一些物理量，正弦信号用作标准信号时，要求正弦信号必须有较高的精度，稳定度及低的失真率。

本次课程设计的低频正弦信号发生器的要求为：信号的频率范围为20HZ～20KHZ;输出电压幅度为 5V；输出信号频率数字显示；输出电压幅度显示。

在本次设计过程中，我们从图书馆借阅了大量相关书籍，不断上网查资料并下载了诸多相关资料。在设计的要求下，画出了整体电路的框图，将其分为正弦信号发生器，输出电压和幅度数字显示，输出信号频率和其数字显示三大部分。其次我们对每个单元电路进行设计分析，对其工作原理进行介绍，最后使用Multisim11软件画出单元电路，并对其仿真。具体设计过程可分为以下四部分：一是系统模块设计，设计电路的系统思想，设计出能满足电路功能的各个模块，画出系统的框图。二是针对各个模块分别设计电路的各个具体模块的具体电路，并且分别进行仿真和改进。三是将所有的模块综合在一起，画出系统总图，并用multisim11软件进行仿真，针对仿真过程中出现的一些问题仔细检查，对比各个方案的优点和缺点，选出最佳的方案，修改不完善的部分。完成电路的设计与分析后，对资料与设计电路进行整理，排版，完成课程设计报告。

目录

摘要 (3)

关键字 (3)

技术要求 (3)

第一章系统概述 (3)

第二章单元电路设计 (4)

第一节正弦信号产生和放大电路模块设计 (4)

第二节频率的数字显示 (8)

第三节数字电压表设计 (14)

第三章系统综述 (19)

结束语 (21)

参考文献 (21)

鸣谢 (21)

元器件明细表 (22)

收获与体会，存在的问题 (22)

评语 (23)

低频正弦信号发生器

摘要

正弦信号发生器是信号中最常见的一种，它能输出一个幅度可调、频率可调的正弦信号在这些信号发生器中，又以低频正弦信号发生器最为常用，在科学研究及生产实践中均有着广泛应用。本设计采用RC选频率网络构成的振荡电路产生所需正弦波。RC振荡电路适用于低频振荡，结构简单,经济方便，一般用于产生1Hz-1MHz的低频信号。本文用于输出正弦波工作状态，正弦波产生后通过同相比例放大电路对信号进行放大，从而满足设计要求；电压的数字显示主要由555定时器构成的放大整形电路，时基电路和控制电路构成，最终由十六进制加法器74LS160，锁存器74LS373，译码器74LS48使数码管显示电压；频率数字显示主要由芯片MC14433,MC1413,MC4511和MC1403构成。

关键词低频正弦信号信号发生器放大电路电压显示频率显示

技术要求

1．信号频率范围20HZ～20kHZ；

2．输出信号电压幅度 5；

3．输出信号频率数字显示；

4．输出电压幅度数字显示。

5．

第一章系统概述

根据任务书的要求，系统可分为三大部分，即正弦信号的产生；输出频率的范围和其显示；输出电压的幅度和显示，我们采用RC选频率网络构成的振荡电路产生正弦信号，信号产生后再通过同相比例运算放大器来满足输出电压的幅度要求，然后通过555定时器组成的施密特触发器，单稳态电路，多谐振荡电路对其放大整形和控制，最终通过十六进制加法器74LS160，锁存器74LS373，译码器74LS48使数码管显示电压，由于本学期刚学过555定时器，74LS160,74L48等芯片，设计过程中易于理解和操作，其次是电压的显示，我们采用集成电路MC14433,MC1413,MC4511和MC1403设计成数字电压表，实现对电压的显示。其中MC14433的作用是将输入的模拟信号转换成数字信号，MC1403为MC14433提供精密电压，供MC14433A/D转换器作参考电压，MC4511的功能是将二-十进制转换成七段信号，MC1413的作用为驱动显示器的 a,b,c,d,e,f,g七个发光段，驱动数码管进行显示，数码管只将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D 转换结果，该模块集成度高，外围电路简单，便于实现。

以下为电路的系统框图：

电路系统框图

第二章单元电路设计

第一节：正弦信号产生和放大电路模块设计

1.1 正弦波发生器

正弦波发生器是本设计的核心部分，以下介绍四种方案：

方案一：采用传统的直接频率合成法直接合成。利用混频器，倍频器，分频器和带通滤波器完成对频率的算术运算。但由于采用大量的倍频，分频，混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。

方案二：采用锁相环间接频率合成（PLL）。虽然具有工作频率高，宽带，频谱质量好的优点，但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。另外，由模拟方法合成的正弦波的参数（如幅度，频率和相位等）都很难控制，而且要实现大范围的频率变化相当困难，不易实现。

方案三：用函数产生芯片直接产生所需信号。采用MAX038函数产生芯片，通过设置管脚参数的输入，可设计组成产生幅频精度很高且易于调整的波形信号，该波失真度很小，而且可实现的频率范围很大，在电路参数要求苛刻的工作场所能够得到较好的应用，用该芯片设计组成的信号产生电路集成度高，而且简单，容易控制。

方案四：采用RC选频率网络构成的振荡电路产生所需正弦波。RC振荡电路适用于低频振荡，结构简单,经济方便，一般用于产生1Hz~1MHz的低频信号。

由以上分析可知，方案一和方案二不易实现，方案三虽然可行，但MAX038已经停产，所以我们选择第四种方案中的RC选频率网络构成的振荡电路来实现所需正弦波。

1.2 RC桥式振荡电路及工作原理

图1为RC串并联正弦波振荡电路，其放大电路为同相比例运算放大器，反馈网络和选频网络由RC串并联网络组成。

图1

RC 串并联正弦波振荡电路

由RC 串并联网络的选频特性可知，在w = w 0 = 1/RC 或f = f0 =

时，RC 选频

网络的相角为0，而同相比例运算放大电路的相位差为0，从而满足振荡的相位条件。由于RC 串并联网络的选频特性，使信号通过闭合环路AF 后，仅有f = f0 =

的信

号才满足相位条件，因此该电路振荡频率为f0 ，从而保证了电路输出为单一频率的正弦波。

为了使电路能振荡，还应该满足起振条件，即要求AF 1。由于w = w 0 时，F=1/3，则要求A =1 +

> 3，即Rf

，输出波形就接近正弦波。

振荡电路起振后，如一只维持A > 3 ,则因振幅的增长，致使放大器件工作到非线性区域，波形将会产生严重非线性失真。为此必须设法是输入电压的幅值在最增大的同时，让AF 的绝对值适当减小，以维持输出电压的幅值基本不变。

图2 具有二极管稳幅环节的RC串并联正弦波振荡电路

通常可以在放大电路中采用非线性原件来自动调节反馈的强弱以维持输出电压恒定。我们可以利用二极管的非线性特性来实现。如图2所示的电路，图中的两个二极管D1，D2便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻R4两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由R3、及R4决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与R4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。

1.3 放大电路的设计

由于设计要求的电压幅度为5V，上述图2所示信号产生电路不能满足要求，因此必须对产生的信号进行二级放大，本设计的放大电路主要由同相比例器来担任。

图3 同相比例器

同相比例运算放大器的放大倍数Au = 1+ Rf /R1 。

1.4正弦信号发生总电路

把上述各分电路集中在一块电路板上,共用电源和接地后,整个信号发生器的结构变得紧凑美观，集成电路图如图4 所示。

图4

正弦信号发生总电路

调整电阻

和

（即改变了反馈），使电路起振，且波形失真最小。如不能起

振，则说明负反馈太强，应适当加大 ，如波形失真严重，则应适当减少

=

) 。

改变选频网络的参数C 或R ，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C 作频率量程切换（粗调），而调节R 作量程内的频率细调。本设计要求输出地正弦波的频率为

20HZ～20KHZ,因此由式f = 取值应满足以下关系：

当f0=20HZ时， RC0.08 ;

当f0=20KHZ时，RC;

因此当R=200K时，C的变化范围约为40pF～0.04uF 。

调节滑动变阻器R6可以改变放大倍数，可帮助电路起振，调节滑动变阻器R9可进一步改变输出波形幅度，可以实现幅值从1～5V之间的调节变化。通过Multisim软件调试后可得仿真的结果如下图5所示。图中信号幅值较小的为初级放大后的输出信号，另一个为二级放大后的输出信号。

图5 放大电路仿真结果图

第二节：频率的数字显示

频率的数字显示

电路设计中要求输出的频率能够进行数字显示，本电路中频率显示电路利用555定时器构成控制电路，时基电路和延时电路，控制计数器对输入信号进行计数，延时和清零，将计数结果用锁存器锁存输出到数码管驱动器驱动数码管静态数位显示。

一 总体框架图如下

图6频率显示计总体框架图

二 基本原理

为了提高输出信号的频率的精确度和稳定度本设计设置了频率检测电路，该电路先使检测信号通过由555构成的施密特触发器将正弦信号转化成同频率的脉冲信号。将被测信号直接加到主控门的输入端，时基信号经控制电路产生闸门信号至主控门，只有在闸门信号采样期间（时基信号的一个周期），输入信号才能通过主控门。

对于频率为f 的周期信号，用一个标准闸门信号（闸门宽度为

TG

）对被测信号的重复周期数

进行计数，当计数结果为N 时 f=N/TG 。改变时基信号的周期范围TG 时，即可得到不同的测

频范围。

第一档：最小量程档，最大读数是999.9HZ ，闸门信号的采样时间为10S 。 第二档：最大读数是9.999KHZ ，闸门信号的采样时间 为1S 。 第三档：最大读数是99..99KHZ,闸门信号的采样时间为 0.1S 。

当主控门关闭时，计数器停止工作，显示器显示记录结果，此时控制电路输出一个置零信号，为后续新的取样做好准备，即能锁住一次显示时间，使其保留到接受新的取样为止。

被测信号f

闸门信号

计数N

三总体设计与原理

3.1 整波电路

具体电路图7，并进行仿真，得到输入波形与输出波形如图8

图7整波电路

图8 整波电路仿真图

3.2时基电路

频率显示计的时基电路是采用555构成的多谐振荡器，控制计数器的输入脉冲。多谐振荡器不需要外加输入信号，只需要接通电源，就能自动产生矩形脉冲信号，矩形脉冲信号的频率是由电路参数R，C决定的，其电路图如图9。当标准时间信号（1S正脉冲）到来时，闸门开通，被测信号通过闸门进入计数器；当标准脉冲结束时，闸门关闭，计数器无脉冲输入。计数器的CP脉冲信号是由待测信号和闸门信号的与门来实现的。

信号

图9 时基电路

其中T1=0.7(R5+R6)C3=1.022S

T2=0.7R6C3=0.25S

3.3 控制电路

3.3.1 锁存信号和清零信号的产生

频率显示器的控制电路是由555构成的单稳态电路。单稳态触发器的特点是：它有一个稳态和一个暂稳态，在外加脉冲作用下，电路从稳态发转到暂稳态，依靠R，C定是电路的充，放电过程来维持暂稳态时间，当拨码开关拨到C4档时，频率计为第二档位，产生的方波高电平时间长度为T1为1S，低电平时间长度T2为为0.25S，然后自动返回稳态。其电路图如图10所示。

同理，当拨码开关拨到C3时，闸门信号为10S，频率计为第一档位。拨码开关拨到C5时，闸门信号为0.1S，频率计为第三档位。

控制电路利用标准时间信号结束后产生的负跳变来产生锁存信号，同时锁存信号经过反相器又产生清零信号。将时基电路的的输出信号与控制电路的输出信号在multisim11中进行仿真，得到如图11。