1、 北京郵電大學電子信息科學與技術專業綜合課程設計實驗報告課題：實用信號源的設計與制作姓名： 學號：班級：學院： 一、 實驗要求1任務在給定±5V電源電壓條件下，設計并制作一個正弦波信號源。2技術指標：（1）正弦波信號源a、信號頻率：20HZ20KHZ連續可調；b、頻率穩定度：優于10-4；c、非線性失真系數：£3%，降低正弦波非線性失真系數，至少肉眼看不出來；d、正弦波幅度連續可調整，調整范圍峰峰值為100mV2V。（2）脈沖波信號源a、信號頻率：20HZ20KHZ連續可調；b、上升和下降時間：£1us；c、平頂斜降：£ 5%；d、脈沖占空比：2%到98

2、%連續可調；e、脈沖波幅度連續可調整，調整范圍峰峰值為100mV2V。（3）上述兩個信號源公共要求a、在負載為600W時，輸出幅度為2V；b、完成5位頻率的數字顯示2要求設計與總結報告：方案設計與論證，理論分析與計算，電路圖，信號控制波形圖，測試方法與數據，結果分析。主要參考元件：函數信號發生器ICL8038，CD4026，NE556，CD4001， LM318。注：不采用單片機控制。二、方案設計與論證【總體方案設計】實用信號源電路運放電路時鐘觸發電路頻率顯示電路實用信號源框圖如右，實用信號源電路采用ICL8038芯片產生正弦波和脈沖波，并實現占空比可調、頻率可調、信號頻率預置。運放電路采用L

3、M318芯片，實現波形幅度可調。時鐘觸發電路采用NE556和CD4001芯片，以接收信號，并為頻率顯示電路中的計數器提供時鐘信號。頻率顯示電路包括CD4026計數器芯片和數碼管，用以對信號頻率計數并顯示。【可行性分析】1信號發生芯片電路選取ICL8038為精密函數信號發生芯片，帶寬調節可達0.001Hz到300kHz，正弦波輸出失真低于1%，三角波線性失真低于0.1%，方波輸出TTL電平到28V，上升時間180ns，下降時間40ns，足以滿足本次實驗的任務和技術指標。2頻率調節與方波占空比調節僅使用ICL8038芯片，并通過簡單的外圍電路同時實現頻率調節與方波占空比調節兩個功能。典型電路有下面

4、兩類：圖一 頻率與占空比調節如圖一電路，RA和RB兩電阻的阻值，由下面兩公式可確定輸出波形的上升時間t1和下降時間t2，從而決定周期T=t1+t2，占空比為t1:(t1+t2)。但此電路或其修改的派生電路存在占空比調節時頻率受影響，且頻率調節范圍不足，需要切換電阻和電容，不能滿足頻率連續調節的要求，所以不可取。公式：圖二 可變音頻振蕩器，20Hz到20kHz如圖二電路，為掃頻電路改進的音頻振蕩器，1N457引入的壓降可以增大頻率調節范圍，但實際實驗中為了減少器件未加入1N457亦可達到要求。該電路可以產生穩定的頻率控制，但如果想同時實現占空比的調節，需要在5腳和4腳上使用較大的可變電阻，而固定

5、電阻的值作為限流保護可適可而止就好。從理論上看本方案除了調節占空比的時候頻率會受到一定的擾動，而且正弦波也會在調節方波占空比時發生失真這兩點，其他方面都沒有問題。從電路的簡潔上看，是可行的。3幅度調節圖三 LM318產生幅度可調的波形如圖三所示，將信號發生器產生的波形通過LM318運放進行放大輸出，可變電阻可調節幅度大小，使峰峰值滿足100mV2V要求。電源用5V電壓足矣，其余的電阻阻值在實驗過程中可修改使其達到理想的放大效果。4測頻與數碼管顯示由于數碼管顯示精度為1Hz，所以測頻時采用等精度算法，在1s鐘內計數，計數值就是信號的頻率值。定時器選取NE556，輸出產生1s跳變電平接入CD402

6、6的清零端，并通過反相器產生1s的跳變電平接入CD4026的計數控制端。計數器使用CD4026，輸出即使7段數碼管顯示計數值。三、理論分析與計算1ICL8038外圍電路電阻電容選取圖四 信號發生器電路【占空比調節】芯片使用±5V供電，掃頻電壓通過滑動變阻器R8可為8腳提供的控制電壓，電阻R4、R5分別為2k，滑動變阻器R2為100k用于調節占空比，由下述公式：占空比=（R5+R2左）-（R4+R2右）/2（R5+R2左）【正弦波失真度調節】1腳與12腳連接的R1，R12的100k歐滑動變阻器和各自10k歐電阻構成的分壓網絡可用于調節正弦波失真度。【頻率調節】8腳連接的滑動變阻器R8用

7、于調節頻率大小，但由于在調節頻率過程中占空比會緩慢發生變化，故其調節的頻率有一定范圍，若需要覆蓋20Hz20kHz全頻率調節，需更換10腳電容，以調節檔位。 由手冊公式可知大體的電容選取f=200Hz對應473f=2kHz對應472f=20kHz對應471（由于實驗過程中未能找到471，可用與471相近的電容亦能很方便地調節到20kHZ）2LM318運算放大部分圖五 LM318運算放大電路【幅度調節】可變電阻可調節幅值，需使幅值滿足100mV2V要求，若無法達到最大或最小值，可更換電阻以調節放大倍數。電容104和105 用于防止自激干擾去交流。3NE556時基電路圖六 NE556管腳示意圖NE

8、556由兩個時基集成電路NE555構成，可產生特定頻率的振蕩電平。圖七 CD4001引腳圖CD4001由四個2輸入或非門構成，可用作反相器。將信號接到兩個輸入端，就可以在輸出端得到相反的信號VDD 為正電源，VSS 為地，AH為數據輸入端，J、K、L、M 為相應的數據輸出端。圖八 時基電路NE556的5腳輸出占空比，即跳動的高低電平控制計數。根據手冊提供的公式：T1=0.683*(RA+RB)*CT2=0.683*RB*CF=1.443/(RA+2RB)*C)頻率F由1、2腳間和1、14腳間電阻值決定，由于后者阻值相對2M電位器可以忽略，則T1=T2=0.683*R*C，F=1.443/(2*

9、R*C)，經計算可得知當F大致取0.5Hz時，C取值為約為1uF。由于是使用電位器，阻值可調所以電容取1uf數量級的電容都可以。在實現計數和清零的功能后，手動調整電位器，使其輸出的頻率值能和示波器上的頻率值對應，而且一段時間內穩定不變，即讓其在1s計數。4CD4026時序分析圖九 CD4026數碼管顯示電路圖 30圖十 數碼管管腳示意圖在數碼管的接地端加電阻，目的是限流，防止LED溫度升高時導致的電流增加而發生過流，那樣有可能燒毀LED本身或是芯片甚至電源。圖十一 CD4026時序圖易知Count（2腳）輸入的上升沿計數器計數，Carry Out（5腳）為十進制進位輸出用于級聯，reset（1

10、5腳）為高電平時芯片計數復位，Display Enable（3腳）為高電平時將輸出顯示信號電平，Clock Innibit為高時計數將暫停。使用時將Display Enable拉高，Clock Innibit拉低，Count（2腳）接輸入信號。reset（15腳）和鎖存器的觸發端相連，兩者連接NE556輸出經過反相器后的信號，在1s計數復位信號到達，此時進行復位，并將輸出鎖存，刷新七段數碼管。四、測試方法、數據及現象1脈沖波信號1）調節8038的4、5腳間電位器使占空比在2%-98%之間連續可調，調節占空比為50%；2）更換電容檔位，分別由電容473、472、271，調節8038的8腳電位器達

11、到20Hz、200Hz、2kHz、20kHz四個頻率；3）頻率穩定度基本符合要求；4）上升與下降時間滿足要求；5）平頂斜率符合要求。2正弦波信號1）通過調節8038的1腳和12腳可使其非線性失真系數符合要求；2）更換電容檔位，分別由電容473、472、271，調節8038的8腳電位器達到20Hz、200Hz、2kHz、20kHz四個頻率；3）頻率穩定度基本符合要求；4）頻率調節時波形對稱基本保持不變。3放大電路1）在負載為600時，調節放大電路的10k電位器，使正弦波和脈沖波輸出幅度可在100mv2v之間連續可調；2）頻率以及占空比同8038的信號輸出。4顯示電路1）調節NE556的2M電位器

12、，使數碼管顯示頻率與示波器一致；2）改變頻率，數碼管顯示穩定且基本仍與示波器一致。五、問題分析及解決1 ICL8038輸出無波形現象：波形顯示為恒定直流值故障分析：頻率、占空比或失真度調節的某一電位器過偏解決方法：先反復檢查電路是否連接正確，確定電路連接無誤后，將各電位器移至大體中間位置，使得頻率、占空比、失真度的調節均在可見可調范圍內，先將示波器連接至ICL8038的9腳，調節8腳的電位器，當看到示波器顯示的波形有跳動而不是一條直線時，再配合調節4、5腳之間的電位計調節占空比，當方波的波形基本成型后示波器接到ICL8038的2腳查看正弦波，調節ICL8038的1腳和12腳的電位器使波形失真度

13、達到誤差范圍內。2運放輸出波形自激嚴重現象：輸出波形時正弦波波峰有毛刺故障分析：信號經過放大產生自激現象，需通過選擇合適的電容進行濾波，才可得到平整連續的波形，消除自激現象。解決方法：調整LM318的4腳和4、7腳之間的電容，在保證正弦波不失真的前提下盡量減小自激的毛刺，調整后為105和104。3波形不穩定現象：輸出的波形會隨著數碼管的閃爍抖動故障分析：各模塊之間沒有共源解決方法：首先要將各芯片接地端都連接到一起，其次要注意將CD4026的腳直接接共地端，不能先串聯電阻再接地，這樣共地就沒有意義，波形仍舊會抖動。4 CD4001輸出無波形現象：示波器檢測到CD4001的3腳為恒定的5V直流輸出

14、。故障分析：6、7腳之間的電容太大，導致如何調整電位計也無法使周期變小，在示波器上看不到現象。解決方法：將CD4001的6、7腳之間的電容換為1F的105，將示波器的掃描頻率調整為500ms，觀察光點的跳動，先粗調至接近1s，之后當整個電路調配完畢后根據數碼管的顯示調整NE556的1、2腳的之間的電位計。5數碼管不計數現象：數碼管會閃爍，但是一直為00000故障分析：CD4026的1腳輸入電壓不足，導致其無法識別信號。解決方法：將ICL8038的9腳與CD4026的一腳間接入一合適大小的電容或接入一反相器，在辦證波形不失真的前提下，可接入電容681。6數碼管顯示亮度現象：數碼管上的數字顯示有時

15、幾乎看不到，有時又會太亮故障分析：在數碼管的接地端加的分壓電阻選擇不當，電阻太小，數碼管可能因過流而燒壞；電阻太大，數碼管顯示又不夠亮。解決方法：在保證數碼管能可靠導通的情況下加一適當的限流電阻，而且不能5個數碼管只串聯一個電阻，這樣有燒毀數碼管的危險，應該每個數碼管分別串接一個電阻。7頻率顯示與示波器不符現象：示波器上頻率的顯示與數碼管顯示的不符故障分析：NE555控制的時鐘不準確，當波形幅度特別小時，或者頻率極高或極低時，示波器上的頻率顯示也會不準確。解決方法：首先調節LM318的2腳處的電位計，使其處在中間的位置，再調節ICL8038的8腳，將頻率調節到一個10kHz20kHz的范圍，當

16、頻率比較高時，再調節NE556的6與7腳間的2M電位器，使得顯示的頻率剛好停在與示波器頻率相同的位置，此時大致NE555時鐘則為1S。在高頻率時調節結果會比較精確，因為在低頻率時即使計數不太準確也不會影響頻率的精確顯示，但是高頻時對時鐘的要求則極高。在調節數碼管示數時，應先將電位計調制一端，連接都查看數碼管顯示的示數，然后將電位計另一段接入電路中，得到另一示數，這是如果示波器上顯示的頻率示數在兩次數碼管顯示的示數之間，則調節電位計即可得到結果，如果不在兩次數碼管顯示的示數之間，則要根據實際的顯示串聯電阻或調整電容值。六、實驗總結轉眼間大三就結束了，在大三結束前這個綜合課程設計也便成為了我們大三

17、結束前的最后一門課程。因為老師說這次實驗早做完就早結束，所以當題目發下來時，我就開始按照老師的要求在網上查找相關芯片的資料以及信號源的相關設計。但是我在網上看了好久，還是沒有一點頭緒，之前實驗很少使用這么多芯片搭建電路，而且電路圖已經給我們了。而這次要使用5種不同的芯片，而各個芯片應該完成什么功能我也是一頭霧水。這時我在網上找到了學長做過的實驗報告，看過之后瞬間感覺思路清晰了好多，對電路各部分的功能有了大概了了解，知道信號是如何產生的，以及如何測量輸出信號的頻率。經過幾天的查找資料與分析后，我們向老師領取了元件，并向老師提出了一些不懂的問題，老師為我們排疑解惑，使我們豁然開朗。我按照設計圖開始

18、搭建電路，首先我開始進行布局，由于只有4塊電路板，我必須認真布局以節省空間，防止造成無空間使用的局面。我打算在第一快面包板上搭建信號發生與放大電路，第二塊搭建時基電路，第三塊插上CD4026，第四塊則插上數碼管。由于我較好的布局，并沒有造成空間不足的局面。很快我就把第一個模塊就搭建好了，但接上示波器發現沒有波形。這在我的料想之中，于是我打算把所有的電路搭完再來測試。在搭建數碼管顯示電路時，由于要連接的線路太多，而面包板只有這么大的地方，這給我造成了不小的困擾。為了減少跨線，在仔細認真布局之后，我用導線把電路終于搭建完了。這是，成就感油然而生。在仔細檢查電路沒有發現問題過后，我重新連接示波器，但

19、讓我失望的是依然沒有波形。為了方便，我的電路中存在導線、電阻、電容大量跨接的情況，這會造成干擾，而且在檢查電路時也不容易查找出錯誤。于是我修改了電路，將元件與導線的引腳剪短，電路馬上就變得美觀了。讓我受打擊的是，電路輸出依然沒有波形。我檢查了很多次電路，沒有發現錯誤，但偏偏就不出結果。在聽從了同學的建議后，我又重新搭建了一遍電路，由于之前搭建過一場，所以我非常熟練的搭完了。接上示波器，令我驚喜的波形出來了，雖然不是很完美，但也足夠讓我開心了。在調節占空比、頻率、失真度與幅度后我的波形變得更漂亮了，雖然仍然有一些小問題。接著我開始測試數碼模塊，但我的數碼管不亮，這令我非常煩惱。別人連接好電路后即使不計數也會亮，而我的根本沒反應。在經歷了長時間我折磨之后，我發現我的CD4026的管腳接錯了，我重新進行連接，完成之后總算有了顯示，但不計數。在聽取同學的意見之后，我將線路進行了小幅度的改動，我測試時基電路，發現波形是正確的，的確有跳變的電平，數碼管仍然不計數。在詢問了別人之后，我在CD40