設計團隊：燕婷婷齊霽郭偉第5頁第五屆電子設計大賽——多功能信號發(fā)生器設計團隊：燕婷婷齊霽郭偉題目名稱：多功能信號發(fā)生器華北電力大學電子系燕婷婷齊霽郭偉內容摘要：首先題目所要求產生的正弦波由RC正弦振蕩產生，通過雙聯(lián)的可調電位器，當電位器的阻值發(fā)生變化時，由于振蕩電路的頻率為f=1/2∏RC,正弦波與方波頻率隨之統(tǒng)一可調。為提高正弦信號的帶負載能力，我們使用了電壓跟隨器；正弦波的電壓可調，我們使用了運放的放大調節(jié)功能，從反相端接入可變反饋電阻調節(jié)。方波產生以后我們也是使用了電壓跟隨器提高其帶負載的能力，然后用一反相輸入運放調節(jié)反饋電阻的阻值改變方波的大小。完成此環(huán)節(jié)之后，就應該設計頻率測量電路與信號產生之間的轉換接口電路，這個使用了二極管的單向導通特性，將方波的幅值都調節(jié)成正的，再經過電阻的分壓，就得到了一個數字信號高低電平，如果想使信號更好，就可以使用與非門整形。對于頻率測量電路，我們只需完成在單位時間內對被測信號變化邊沿（上升沿或下降沿）個數的測量，并將1秒內所記數目進行鎖存輸出，并通過數碼管顯示出來。此處我們選用四片74HCT161進行計數，每片構成十進制計數器，將被測信號由時鐘脈沖CP端輸入，并將鎖存信號連接到74HC373的輸入端進行鎖存，并將其輸出端連接到數碼顯像管來顯示測得的頻率。關鍵詞：正弦波方波計數顯示1方案論證與比較1.1振蕩電路方法與選擇方案一：RC正弦波振蕩電路采用RC諧振回路作為選頻網絡的振蕩電路成為RC振蕩電路，此方法簡單實用，容易選擇器件和電路的調試。它適用于低頻振蕩，一般用于生產1Hz~1MHz的低頻信號。易于起振，成本低廉。方案二：LC并聯(lián)諧振回路采用LC諧振回路作為選頻網絡的振蕩電路稱為LC振蕩電路，它主要用來生產高頻正弦振蕩信號，一般在1MHz以上。根據反饋形式的不同，LC振蕩電路可分為變壓器反饋式和三點式振蕩電路。它產生的多是高頻信號。本題中，要求我們產生的波形頻率在1～5KHZ，屬于低頻振蕩，綜合以上因素，我們的振蕩電路選擇了RC正弦波振蕩電路。1.2頻率測量與信號產生的接口電路方案一：施密特觸發(fā)器因為信號產生的是方波信號，有負的波形，在數字電路中，應該所有的波形都是高低電平，所以在輸入進數字電路中的頻率測量電路時，則需要對所產生的信號進行一次整形，而施密特觸發(fā)器就有此功能，所以如果將方波的信號調整到3.5到5V之間，運用施密特觸發(fā)器即可達到此效果。方案二：二極管的單向導通特性二極管擁有單向導通特性，將所得到的方波信號送進一二極管，則可以將其0V以下的信號過濾掉，將方波信號變成一高低電平，然后通過調節(jié)方波大小的電位器調節(jié)高電平的幅值，使其在3.5到5V之間即可。由于實驗室所給的器材有限，我們最終選擇了二極管，經過二極管后的波形又經過了一個與非門，對波形進行整形，則可得到相對較為穩(wěn)定的數字信號。1.3計數信號，鎖存信號與清零信號的產生方案一：通過151數據選擇器選擇出信號用一片161，對其進行改裝，使其變?yōu)榘诉M制的計數器(000-111,Q3接地)，其CP端接入2HZ的信號，然后將Q0，Q1，Q2分別接到151的ABC端，然后將第0片151的八個數據輸入端分別接11000000用作計數信號，第1片151的八個數據輸入端分別接11111100用作清零信號，第2片151的八個數據輸入端分別接00111100用作鎖存信號，將信號分別送入下面的161及373即可以工作了。方案二：通過各種門電路搭建因為覺得對151有點大材小用，我們就直接選用了此方案。但是現在才知道這個方案更為的麻煩，它直接導致了我們的電路搭建的麻煩！2原理分析2.1RC振蕩我們選用RC振蕩電路產生正弦波，為了使其達到所需的振蕩條件，我們在負反饋端采用的可變電位器，先調節(jié)電位器使其略大于3，產生振蕩之后，調節(jié)電位器使其為3，則可得到一個穩(wěn)定的正弦波，我們在后面又用了一個電壓跟隨器，當負載變化時，輸出電壓幾乎不變，從而消除了負載變化對輸出電壓的影響，從而提高其帶負載的能力。然后將所得正弦波從反相端輸入進一個運放，調節(jié)負反饋中的電位器阻值的大小，使其幅值可以調節(jié)。方波的產生則是建立在正弦波的基礎上，用過零比較器將正弦波調成方波，在其后面加上電壓跟隨器，提高電路帶負載的能力，其調節(jié)幅值的電路也是用的反相輸入的運放，通過調節(jié)反饋環(huán)節(jié)的電位器的阻值的大小來調節(jié)方波的不同的放大倍數。圖如下：2.2石英振蕩在頻率測量的過程中，原理是在一秒的時間內測量被測信號的高電平或低電平的個數，所以要獲得一個秒脈沖，秒脈沖的產生則需要運用石英振蕩電路。石英的振蕩是很穩(wěn)定的，大小為32768HZ，用4060對石英振蕩產生的信號進行分頻，分頻出2HZ的信號，然后接入一個74HC74再對其進行兩次分頻，則所得到的信號為0.5HZ，周期為2S，其高低電平的時間分別為1S，即可以實現在1S內計數。圖如下：2.3轉換接口電路在頻率測量和信號產生的電路之間要接入一個轉換接口電路，我們接入了一個二極管，運用二極管的單向導通特性即可將方波的幅值都轉換為正，然后用兩個10K的電阻進行分壓，則可得到一個幅值為5.65V的高低電平，電路圖如上所示2.4頻率測量電路在本題中，我們欲測量被測信號的頻率，可轉化為對單位時間內，被測信號的變化邊沿（上升或是下降邊沿）個數的測量，此處我們根據產生信號的大小，選擇4片74HCT161進行邊沿個數計數，每一片74HCT161構成十進制計數器，并將單位時間內測得的頻率通過74HC373實現鎖存，通過數碼顯像管進行穩(wěn)定的輸出，在此部分電路中，我們有以下問題需要解決：如何完成被測信號在1秒內完成計數？四個芯片的CEP端（其中個位計數芯片的CET端也包括在內）均接在計數信號端（由1Hz的信號通過D觸發(fā)器對其分頻，產生0.5Hz的計數信號），只有當CET、CEP兩使能端同時為高使能時，161芯片進入計數狀態(tài)，當CEP、CET兩個使能端有一端為零時，計數器不再進行計數，保持現態(tài)不變，所以分頻后的信號使得CEP的有效時間為1秒，這樣就可以解決被測信號在1秒內完成計數測量。第二，如何解決74HCT161的十進制計數問題？本處我們十進制的設計方法采用反饋置數法，每個芯片為滿足十進制計數，其狀態(tài)數對應為從0000到1001的變化。首先，將輸入端均置位為低電平，當PE端為低使能有效時，芯片即可被置數為0000；四個芯片分別對應于所測頻率的個十百千位，我們?yōu)榱擞懻摲奖惴謩e將它們標號位0、1、2、3號芯片。當0號芯片為1001時，1號芯片開始工作，CET接入高使能，使其工作狀態(tài)轉換為計數，同時，對0號芯片進行反饋置數，使其狀態(tài)轉為0000；當1號芯片與0號芯片的輸出端狀態(tài)同時為1001時，2號芯片的CET接入高使能，使其工作狀態(tài)轉換為計數，同時，給1號、0號芯片同時反饋置數；同理，當0、1、2號芯片輸出端狀態(tài)同時為1001時，3號芯片的CET接入高使能，使其工作狀態(tài)轉換為計數，同時，給2號、1號、0號芯片同時反饋置數，以上過程極為4片161完成計數功能。討論：本處計數芯片選用74HCT161，該芯片屬于異步清零信號，因此，在十進制設計過程中，如若采用反饋清零法，則其狀態(tài)應為從0000到1010的變化第三，如何使得信號及時獲得清零？四位計數器的清零信號統(tǒng)一連在一起，送入清零信號為0.5Hz信號的非和1Hz信號和2HZ信號，三個信號的與門操作，然后再對其整體進行非。同時又有161芯片清零端低使能有效，則可以產生合適的清零信號。具體波形如下圖所示：第四，如何將被測信號所測得的頻率得到穩(wěn)定輸出？通過74HCT161芯片后，計數器輸出端（Q1、Q2、Q3、Q4）分別將信號送入74HC373的對應輸入端。根據74HC373的功能表，我們可知，當OE端為低使能、LE端為高使能時，芯片為使能和讀鎖存器模式（傳送模式），為使得頻率隨時可讀，我們選擇OE端始終接入低使能，但與此同時，這就要求我們對LE端的信號進行一定的處理。LE端信號如何處理可以，才能使得信號完好的鎖存同時進行輸出？在OE端始終接入低使能的條件下，由于當LE為高使能時，芯片的工作狀態(tài)轉換為鎖存，因此，為配合計數端及清零端信號的輸入，我們選用通過0.5Hz信號和1HZ信號和2HZ信號的或非，這樣產生的信號送入芯片可以使測得的頻率穩(wěn)定的顯示2秒鐘，直到下一個計數信號完成計數，對此時信號的頻率進行輸出。LE具體波形如下：解決了以上問題，即可完成頻率的測量以及穩(wěn)定的輸出。計數、鎖存及顯示電路總體電路如下；調試階段調試階段是一個很復雜的地方，我們要耐心并認真的對待。首先在正弦波產生的電路中，根據我們所選擇的2K的定值電阻，我們應當先將電位器調節(jié)到4K以上，讓電路可以振蕩起來，然后再調節(jié)電位器使其約等于4K，則電路可以振蕩起來并得到一個穩(wěn)定的正弦波，雙聯(lián)電位器則可以實現正弦波和方波的統(tǒng)一可調。正弦波通過過零比較器產生方波信號調試就比較簡單，然后兩者的幅值分別可調，就直接用的兩個從反相端輸入的運放，其負反饋電阻用一可變的電位器，調節(jié)電位器的阻值，即可實現此功能。這個地方要注意的是我們必須要將-12V的電壓與接地區(qū)分開，否則就無法出現所要得到的結果。在石英振蕩的調試中，我們要注意的是線路必須連接正確，要避免中間的斷線，石英振蕩產生的頻率是非常穩(wěn)定的，線路沒有問題的話應該是會成功的。接下來就是頻率測量部分，我們的這部分沒有完成，由于時間太過倉促，我們只對計數器的部分進行了調試，發(fā)現問題后我們就從秒脈沖信號連入各個門之后，一點點測試經過門處理以后的信號，最終得出經過們處理以后的信號跟我們所要產生的信號是相符的。然后我們又從計數器端口引出線，將其波形連入示波器上，最終得到了0000到1001的一系列波形，與我們所需要的也是相符的。再接入鎖存器，發(fā)現從鎖存器輸出端輸出