数控正弦函数信号发生器电工电子课程设计.docx
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数控正弦函数信号发生器电工电子课程设计
第1章技术指标…………………………………………………………………1
1.1系统功能要求………………………………………………………………1
1.2系统结构要求………………………………………………………………1
1.3电气指标……………………………………………………………………1
1.4扩展指标……………………………………………………………………1
1.5附加指标……………………………………………………………………1
1.6设计条件……………………………………………………………………1
1.6.1电源条件…………………………………………………………………1
1.6.2可供选择的元器件范围…………………………………………………1
第2章整体方案设计……………………………………………………………2
2.1整体方案……………………………………………………………………2
2.1.1方案一……………………………………………………………………2
2.1.2方案二……………………………………………………………………2
2.1.3方案三……………………………………………………………………2
2.1.4方案比较…………………………………………………………………3
2.2整体方框图及原理…………………………………………………………3
2.2.1整体方框图………………………………………………………………3
2.2.2原理………………………………………………………………………3
第3章单元电路设计……………………………………………………………5
3.1基准信号电路设计…………………………………………………………5
3.2频率合成器电路设计………………………………………………………6
3.2.1频率合成器的总体电路…………………………………………………6
3.2.2锁相电路设计……………………………………………………………6
3.2.3频率控制电路设计………………………………………………………7
3.3地址计数器、存储器电路设计及函数表…………………………………1
3.3.1地址计数器、存储器电路设计…………………………………………1
3.3.2正弦波、锯齿波、三角波和方波函数表………………………………1
3.4D/A转换电路设计…………………………………………………………1
3.5数字幅度控制电路设计……………………………………………………1
3.6输出阻抗电路设计…………………………………………………………1
3.7整体电路图…………………………………………………………………1
3.8整体元件清单………………………………………………………………1
第4章测试与调整………………………………………………………………1
4.1基准信号电路调测…………………………………………………………1
4.2频率控制电路调测…………………………………………………………1
4.3锁相电路调测………………………………………………………………1
4.4地址计数器与存储器电路调测……………………………………………1
4.5D/A转换电路调测…………………………………………………………1
4.6数字幅度控制电路调测……………………………………………………1
4.7整体指标测试………………………………………………………………1
4.8测试用仪器…………………………………………………………………1
第5章设计小节…………………………………………………………………1
5.1设计任务完成情况…………………………………………………………1
5.2问题及改进…………………………………………………………………1
5.3心得体会……………………………………………………………………1
参考文献………………………………………………………………………………1
附录一函数表的C语言程序………………………………………………………1
附录二整体电路图…………………………………………………………………1
附录三预习报告电路图……………………………………………………………1
附录四输出阻抗的有关解决方案…………………………………………………1
附录五调测整体电路的常见问题及解决方法……………………………………1
摘 要
本次电子电路课程设计所设计的数控正弦函数信号发生器,在面包板上装配完成之后,能产生出正弦波,其输出频率范围为15.625Hz~6KHz,通过开关能控制其输出频率,产生出所需要的正弦波频率,并能通过幅度控制开关控制其输出幅度。
同时,改变波形控制开关,还能产生出锯齿波、三角波和方波,它们的频率和幅度均可调。
关键词:
数控正弦函数信号发生器;正弦波;锯齿波;输出频率;三角波;方波;幅度可调。
第1章技术指标
1.1系统功能要求
数控正弦函数信号发生器的功能是,用数字电路技术产生正弦波信号,并产生各种用户所需频率的信号,输出信号频率可变,其频率精度在整个频率范围内一致。
正弦波输出信号的电压幅度由数字式开关控制。
1.2系统结构要求
数控正弦函数信号发生器的结构要求如图1-1所示,其中正弦波发生器采用数字电路产生正弦信号,用户设定频率选择开关后,信号产生电路将时基信号变换为用户要求的信号f0,也即正弦波的输出频率,幅度选择开关用于选择输出信号电压幅度。
频率选择开关和幅度选择开关均应采用数字电路。
时基信号
信号产生电路
输出信号f0
正弦波
发生器
正弦出波输出
频率选择开关
幅度选择开关
图1-1数控正弦函数信号发生器结构图
1.3电气指标
1.3.1输出信号波形:
正弦波。
1.3.2输出信号频率范围:
50Hz~5KHz。
1.3.3输出信号最大电压:
(峰峰值)。
1.3.4输出频率最小步长:
20Hz。
1.3.5幅度选择档位:
8档。
1.3.6输出阻抗:
50Ω。
1.4扩展指标
1.4.1输出频率最小步长:
1Hz.
1.4.2输出信号电压档位要求:
8档,每档之间电压变化10倍。
1.4.3输出信号宾率误差:
≤1‰。
1.5附加指标:
输出信号波形:
锯齿波、三角波和方波。
1.6设计条件
1.6.1电源条件:
±5V。
1.6.2可供选择的元器件范围如表1.1所示。
表1.1可供选择的元器件
型号
名称及功能
数量(片)
DAC0832
8位D/A转换电路
1
MC4046
锁相电路
1
28C64
EEPROM存储器
1
74LS393
双16进制计数器
1
MC4052
四模拟开关
1
LM324
运算放大器
1
74HC160
十进制同步计数器
3
MC4060
分频器
1
74HC04
六反相器
1
LED
发光二极管
1
R电阻
1MΩ
1
CL电容
22PF
2
晶体振荡器
2.048MHz
1
五环金属膜电阻
10KΩ电阻
3
电位器
50KΩ
1
8路开关
双制直插式微型开关
4
其他阻、容元件自选。
第2章整体电路设计
2.1整体方案
2.1.1方案一
采用RC文氏桥振荡电路产生正弦波,通过改变电阻电容的比例关系,调节频率变化,在振荡器输出端连接电位器,选出符合条件的幅度,输出到幅度调节电路中;幅度调节电路用于调节输出信号的电压幅度。
振荡器输出的正弦信号经过整形电路,波形可转变为矩形波;再经过积分电路可转变为三角波,设置一选择电路即可选择出三种波形输出。
2.1.2方案二
采用集成芯片MAX038构成正弦波发生电路.由MAX038的技术性能知,它能产生准确的高频三角波、矩形波、脉冲波和正弦波,频率范围为0.1Hz~20MHz。
正弦波失真低于0.75%,输出波形由地址A0和A1控制,A1=1时输出正弦波。
MAX038输出频率主要取决于注入引脚端IIN的电流大小,若电流由一个电压(VIN)与一个电阻(RIN)串联电路产生,则振荡器频率的计算公式如下:
FO=VIN÷[RIN×CP(PF)]
将本次输出频率50Hz~5KHz分为50Hz~500Hz和500Hz~5KHz两个区域,各选定一适当的电容,RIN由电位器构成,选定适当的阻值范围与合适的电容,使之在各自区间均能变化。
即能产生出正弦波,在MAX038输出端外加幅度控制电路,使幅度可控。
基本电路可参见参考书目[10]。
2.1.3方案三
晶体振荡器作为频率源,由分频器分频后选择合适的输出频率作为基准信号,经过锁相环锁相,并由可由数字开关控制分频比的分频电路改变输出频率,以作为M=256的地址计数器的输入频率。
在EEPROM存储器的地址单元中依次存放正弦波、锯齿波、三角波和方波的幅度量化值,计数器的8个输出端作为EEPROM的地址控制端,将波形的幅度量化值转变为数字信号,并由双极性的D/A转换电路将这些数字信号转化为模拟信号,输出产生正弦波、锯齿波、三角波和方波,在输出端用反相比例放大器的原理,改变反馈电阻阻值,实现幅度控制。
2.1.4方案比较
显然方案一的电路简单,整体方案成本低,但输出波形的频率调节受到一定限制。
由于RC文氏桥振荡电路的频率覆盖系数为10,需要设置多个档位才能满足输出信号的频率范围要求。
方案二采用集成芯片MAX038设计,由于芯片本身即可产生正弦波,只需外加幅度控制电路即可实现设计要求,电路简单,易于实现,整体电路占用的空间小。
方案三采用DAC0832、MC4046、28C64、LM324、74系列的计数器等基本元件设计,电路复杂,整体电路占用的空间比较大,在面包板上搭接完成之后,调测过程复杂。
但由于所用到的芯片已在所学课程中学到,用此方案不仅能巩固所学到的知识,还能提高自己的动手能力以及电路检测的能力。
显然,方案二由于电路简单,其单元电路与整体电路的设计所需的理论知识少,达不到对已修课程理论知识的实践化的目的,对电路设计的基本能力的提高收效甚微。
故本次设计采用方案三。
2.2整体方框图及原理
2.2.1整体方框图
图2-1为数控正弦信号发生器系统框图。
2.2.2原理
ⅰ时基信号
由于输出信号频率范围为50Hz~5KHz,则则锁相电路输出的频率fx的范围为50×256Hz~5K×256Hz,即12.8KHz~1.28MHz,因可编程分频器的分频比N最小为二,故时基信号fo为12.8KHz÷2=6.4KHz。
晶体振荡源提供fM=2.048MHz的频率,经4060分频器能产生满足条件的频率有125Hz、500Hz、2KHz、4KHz,由于可编程分频器的分频比N的范围为2~1000,所以只有2KHz和4KHz能满足要求。
本设计选择fo=2KHz。
ⅱ可编程分频器
选择三片74HC160,同步级联,在置数端用开关控制置数的高低电平,即可改变N的范围,实现分频控制,第三级的进位信号可作为鉴相器的输入信号。
ⅲ锁相环CD4046
设压控振荡器VCO输出的信号为fx,根据锁相原理,fx=Nfo,N变化时,fo随之变化。
Fx经N分频后为fo′,在锁相环锁定时fo=fo′。
如果fo′偏离了fo,则其偏离的相位差△Φ由鉴相器鉴别出来。
当fo′与fo的相位一致时,称为锁相环锁定。
CD4046含有两个鉴相器,鉴相器Ⅰ要求两个输入信号fo′与fo都是占空比为50%的方波,鉴相器Ⅱ对占空比没有要求,显然,本次设计应选择鉴相器Ⅱ。
压控振荡器的压控特性如图2-2所示。
当VDD一定时,中心频率f0、fmax和fmin的高低与振荡器的外接阻抗元件R1、R2、C1取值大小有关。
R2不接时,振荡器的频率为0Hz~fmax,这时,fmax=1∕R1(C1+32pF)。
使用R2时,振荡器的频率为fmin~fmax。
fmin和fmax由下式给出:
fmin=1∕R2(C1+32pF)
fmax=1∕R2(C1+32pF)+1∕R1(C1+32pF)
ff
fmaxfmax
fofo
fmin
fminVvcoiVvcoi
OVDD/2VDDOVDD/2VDD
R2=∞R2≠∞
图2-2MC4046中压控振荡器的压控特
低通滤波器采用图2-3所示电路。
图中R3、R4、C3的取值与锁相环鉴相器的输入信号频率有关,详见3.2.2低通滤波器的设计。
图2-3低通滤波器电路
ⅳ地址计数器、存储器
一片74393级联即可产生M=256的计数器,其输出信号作为存储器28C64的低八位地址控制端,28C64的地址线A8,A9作为波形控制开关,依次产生正弦波、锯齿波、三角波和方波。
EEPROM存储器的000~0FF个地址单元存放着正弦信号的幅度量化值,100~1FF个地址单元存放着锯齿信号的幅度量化值,200~2FF个地址单元存放着三角波信号的幅度量化值,300~3FF个地址单元存放着方波信号的幅度量化值。
通过D/A转换电路,将函数量化值转换成模拟信号,输出正确波形。
ⅴD/A转换电路
存储器输出的波形函数量化值,作为DAC0832的地址端采样数据,由D/A转换的理论知识知,通过D/A转换电路可将地址端的数字信号转化为模拟信号,输出产生正弦波、锯齿波、三角波和方波。
通过分压装置,使输出基本幅度满足要求。
ⅵ幅度控制
如图2-4(a),根据模拟电子技术理论知识,改变滑动变阻器的阻值,输出电压的幅度也随之改变。
图2-49(b)为模拟开关4052的原理图,等价于4选1MUX。
输出端连接不同阻值的电阻,由A、B控制选择运放的反馈电阻,即可实现幅度控制。
(a)(b)
第3章单元电路设计
3.1基准信号电路设计
时钟发生器部分电原理图如图3-1所示。
图3-1时钟发生器电路
基准信号电路的晶体振荡器的启振电容C的最佳取值范围为10PF~30PF,此次设计选择22PF。
由2.2.2原理知,4060分频器产生的满足条件的输出频率为2KHz和4KHz,选择2KHz作为时钟信号时,输出频率最小步长为2K/256=7.8Hz,是4KHz作为时钟信号时的一半。
由于实际信号不能产生6.4KHz的信号,故不能输出50Hz的信号。
(选择500Hz作为时钟信号时,输出频率最小步长为2,但最后输出频率范围为4Hz~2KHZ)。
3.2频率合成器电路设计
3.2.1频率合成器总体电路
频率合成器的总体电路如图3-2所示
图3-2频率合成器电路
3.2.2锁相电路设计
由2.2.2锁相环的压控振荡器的压控特性知,取R2=∞时,fmax=1∕R1(C1+32pF),fo=fmax/2,通常情况下fmax≈2MHZ,则fo≈1MHZ。
由图3-3外部参数对VCO频率特性的影响知,VDD=5V时,R1取10KΩ,C1取10PF~40PF时即可满足条件。
此次设计取C1为20PF,R1为10KΩ。
图3-3外部参数对VCO频率特性的影响
低通滤波器的设计
参考书目[2]第十一章CMOS锁相环和定时器中频率合成器电路提供了电路所需要的参数取值。
参考书目[1]锁相环(PLL)电路设计与应用第3章PLL电路中环路滤波器的设计方法和参考书目[11]锁相环:
设计仿真与应用给出了低通滤波器的详细设计方案。
3.2.3频率控制电路设计
由于74HC160是十进制同步8421BCD码加法计数器,三片74HC160用同步级联法可使计数器的模长M=1000,若在地址端改变置数值,即可实现模长M从2到1000的控制。
当需要分频比为N时在置数端置数应为1000-N。
在未接控制置数开关时,保证置数端逻辑电平为0,如图3-4所示。
由于用第三级计数器的进位信号QCC作为鉴相器的一个输入信号,鉴相器选择CD4046的鉴相器Ⅱ。
图3-4可编程分频器
3.3地址计数器和存储器电路设计及函数表
3.3.1地址计数器、存储器电路的设计
如图3-5所示。
由74LS393的内部结构知,一片74LS393可级联成M=256的计数器,作为28C64的地址端数据输入,控制28C64函数表存储单元数据的输出。
28C64存储器的000~0FF个地址单元存放着正弦信号的幅度量化值,100~1FF个地址单元存放着锯齿信号的幅度量化值,200~2FF个地址单元存放着三角波信号的幅度量化值,300~3FF个地址单元存放着方波信号的幅度量化值,设四种函数的函数表达式为f(t),其量化值为一个周期内(f(t)+1)×128分成256份得到的数值,详见表3.1正弦波、锯齿波、三角波和方波函数表与附录一函数表的C语言程序。
通过控制A8,A9端的高低电平,选择波形的存储单元幅度量化值,实现四种波形的控制输出,如图3-5所示。
图3-5地址计数器、存储器电路
3.3.2正弦波、锯齿波、三角波和方波函数表
28C64的000~0FF个地址单元存放着正弦波的幅度量化值,100~1FF个地址单元存放着锯齿波的幅度量化值,200~2FF个地址单元存放着三角波的幅度量化值,300~3FF个地址单元存放着方波信号的幅度量化值。
量化值具体值如表3.1所示。
表3.1正弦波、锯齿波、三角波和方波函数表
低位
高位
0123456789ABCDEF
00
808386898C8F9295989C9EA2A5A8ABAE
01
B0B3B6B9BCBFC1C4C7C9CCCED1D3D5D8
02
DADCDEE0E2E4E6E8EAECEDEFF0F2F3F5
03
F6F7F8F9FAFBFCFCFDFEFEFFFFFFFFFF
04
FFFFFFFFFFFFFEFEFDFCFCFBFAF9F8F7
05
F6F5F3F2F0EFEDECEAE8E6E4E2E0DEDC
06
DAD8D5D3D1CECCC9C7C4C1BFBCB9B6B3
07
B0AEABA8A5A29F9C9895928F8C898683
08
807C797673706D6A6763605D5A575451
09
4F4C494643403E3B383633312E2C2A27
0A
2523211F1D1B1917151312100F0D0C0A
0B
09080706050403030201010000000000
0C
00000000000001010203030405060708
0D
090A0C0D0F1012131517191B1D1F2123
0E
25272A2C2E313336383B3E404346494C
0F
4F5154575A5D6063676A6D707376797C
10
000102030405060708090A0B0C0D0E0F
11
101112131415161718191A1B1C1D1E1F
12
202122232425262728292A2B2C2D2E2F
13
303132333435363738393A3B3C3D3E3F
14
404142434445464748494A4B4C4D4E4F
15
505152535455565758595A5B5C5D5E5F
16
606162636465666768696A6B6C6D6E6F
17
707172737475767778797A7B7C7D7E7F
18
808182838485868788898A8B8C8D8E8F
19
909192939495969798999A9B9C9D9E9F
1A
A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9AAABACADAEAF
1B
B0B1B2B3B4B5B6B7B8B9BABBBCBDBEBF
1C
C0C1C2C3C4C5C6C7C8C9CACBCCCDCECF
1D
D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9DADBDCDDDEDF
1E
E0E1E2E3E4E5E6E7E8E9EAEBECEDEEEF
1F
F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9FAFBFCFDFEFF
20
01030507090B0D0F11131517191B1D1F
21
21232527292B2D2F31333537393B3D3F
22
41434547494B4D4F51535557595B5D5F
23
61636567696B6D6F71737577797B7D7F
24
81838587898B8D8F91939597999B9D9F
25
A1A3A5A7A9ABADAFB1B3B5B7B9BBBDBF
26
C1C3C5C7C9CBCDCFD1D3D5D7D9DBDDDF
27
E1E3E5E7E9EBEDEFF1F3F5F7F9FBFDFF
28
FFFDFBF9F7F5F3F1EFEDEBE9E7E5E3E1
29
DFDDDBD9D7D5D3D1CFCDCBC9C7C5C3C1
2A
BFBDBBB9B7B5B3B1AFADABA9A7A5A3A1
2B
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