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1、数显多波形信号源设计摘 要：本设计使用函数发生器（ICL8038），3数字BCD计数器（MC14553B），锁存、译码、驱动BCD-7段集成电路（CD4543B），二进制计数、分频、振荡集成电路（CD4060），驱动、十进制计数集成电路（CD4017BC），数码显示管等电子器件，设计一款功能全面的信号源,满足日常维修和测量。基于这一设想，本信号源设计具有如下的性能指标：（1）可以输出的波形方波、三角波和正弦波。（2）信号源的输出特性：正弦波幅度为0+5V，输出阻抗约为2 K；方波的幅度为0+5V，输出阻抗约为1 K；三角波输出幅度为0+3V，输出阻抗约为1 K；三角波幅度为0+3V，输出阻抗约
2、为2 K；三种波形均设计为对称输出，波形失真在1%以下。（3）输出频率范围：频率可调范围设计为1Hz100KHz，为提高测量和显示精度，将设置如下几个频率档：1Hz10Hz、10Hz100Hz、100Hz1KHz、110KHz、10KHz100KHz。（4）数字显示频率：显示分辨率为1Hz。关键字 MC14553B；ICL8038；正弦波；方波；三角波目录第1章 绪 论11.1信号发生器的发展1第2章 信号源22.1认识信号发生器22.2认识数字频率计4第3章 信号发生模块63.1信号发生器（ICL8038）63.1.1 ICL8038的管脚及功能63.1.2 CL8038的原理框图及工作原理
3、63.1.3 波形的调节83.2 信号源量程选择设计103.3 信号源电路工作原理11第4章 时基电路124.1 二制进 计数、分频、振荡集成电路（CD4060）124.1.1 CD4060的管脚及功能134.1.2 CD4060的逻辑电路图144.1.3 CD4060的功能表154.1.4 CD4060的外接振荡电路154.2驱动、十进制计数集成电路（CD4017BC）164.2.1 CD4017BC的管脚及功能图164.2.2 CD4017BC的逻辑电路图174.2.3 CD4017BC原理简述184.2.4 CD4017BC的时序图19第5章 计数译码显示单元205.1 3数字BCD计数
4、器（MC14553）205.1.1 MC14553的管脚及功能205.1.2 MC14553的扩展模块图215.1.3 MCI4553的时序图225.2 锁存、译码、驱动BCD-7段集成电路（CD4543B）235.2.1 CD4543B的管脚及功能235.2.2 CD4543B的逻辑电路图245.2.3 CD4543B真值表25第6章 频率计误差分析266.1 频率计的误差分析266.2 标准频率误差276.3 结论276.4 产品分析286.5 产品调试与使用286.6 调试中遇到的问题及解决方案28小 结31致 谢32参 考 文 献33附录1：数显多波形信号源原理图34附录2：数显多波形
5、信号源PCB图3536第1章 绪 论1.1信号发生器的发展在70年代前，信号发生器主要有正弦波和脉冲波两类，而函数信号发生器介于两者之间能够提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲波等波形产生其他的波形还得采用复杂的电路和机电结合的方法，这个时期的信号发生器存在两大突出的问题：一是通过电位器等的调节来实现输出频率的调节；二是脉冲的占空比不可调节。在70年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D转换器和D/A转换器，硬件和软件使信号发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形，这个时期信号发生器多以软件为主，实质上是采用微处理器对数/模转换器的程序控制，就可以得到各种简单的波形。在80年代后，数字技术日益成熟
6、，信号发生器绝大部分不再使用机械驱动而采用数字电路，从一个频率基准由数字合成电路产生可变频信号。自从80年代以来各国都在研制DDS产品，并应用于信号发生器的设计。后来出现的专用DDS芯片极大的推动了DDS技术的发展，但专用DDS芯片价格昂贵，而且无法实现我们所需要的各种波形输出。90年代末出现了几种真正高性能的函数发生器；HP公司推出了型号为HP770S的信号模拟装置系统，它是由HP8770A任意波形数字化和HP1770A波形发生软件组成，但是由于HP770S实际上也只能产生8种波形，而价格昂贵。不久以后，Analcgic公司推出了型号为Aata-2020的多波形合成器，Lecroy公司生产的
7、型号为9100的任意波形发生器等。信号发生器技术发展至今，引导技术潮流的仍是外国的几大仪器公司，如日本横河、Agilent、Tektronix等.美国的FLUKE公司的FLUKE-25型函数发生器是现有的测试仪器中最具多样性功能的几种仪器之一，它和频率计数器组合在一起，在任何条件下都可以给出很高的波形质量，能给出低失真的正弦波和三角波，还能给出过冲很小的方波，其最高频率可以达到5MHZ，最大输出幅度也达到10Vpp。国内也有不少公司已经有类似的仪器。如南京盛普仪器科技有限公司的SPF120DDS信号发生器，华高仪器生产的HG1600H型数字合成函数/任意波形信号发生器。第2章 信号源2.1认识
8、信号发生器信号发生器一般区分为函数信号发生器及任意波形发生器，而函数波形发生器在设计上又区分出模拟及数字合成式。数字合成式函数信号源，无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均优于模拟，其锁相环（ PLL）的设计让输出信号不仅是频率精准，而且相位抖动(phase Jitter)及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但毕竟是数字式信号源，数字电路与模拟电路之间的干扰，始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器。谈及模拟式函数信号源，结构图如图21所示： 图 2-1 模拟函数信号源结构这是通用模拟式函数信号发生器的结构，是以三角波产生电路为基础经二极管所构成的正弦波整型电路产
9、生正弦波，同时经由比较器的比较产生方波。而三角波是如何产生的，公式如下：换句话说，如果以恒流源对电容充电，即可产生正斜率的斜波。同理，右以恒流源将储存在电容上的电荷放电即产生负斜率的斜波，电路结构如图2-2所示：图 2-2 波形产生电路当I1 =I2时，即可产生对称的三角波，如果I1 I2，此时即产生负斜率的锯齿波，同理I1 t0的情况下（t=t2-t1）下，这时计数器计得N个数（设N=6）；现在再来考虑一种情况即t趋近于零。这就是有两种可能的计数结果：若第1个计数脉冲和第7个计数脉冲都能通过门，则可计得N+17个数；也可能这两个计数脉冲都没能通过主门，则只能计得N-1=5个数。由此可知，最大
10、的计数误差为N=1个数。所以考虑到式（6.11），可以写成式子： （6.13）式中 T闸门时间；被测频率；从式（6.13）可知，不管计数值N多少，其最大误差总是1个计数单位，故称“1个误差”，简称“1误差”。从式（6.13）可知，当一定时，增大闸门时间T，可以减少1误差对测频率误差的影响。6.2 标准频率误差闸门时间T准不准，主要决定于由石英振荡器提供的标准频率的准确度，若石英振荡器的频率为，分频系数为K（例如，1MHZ，为了得到T1S的时基信号，K应等于），如(6.2-1)所示:，而（6.21）可见，闸门时间的准确度在数值上等于标准频率的准确度，式中负号表示由 引起的闸门时间的误差为T。/的
11、要求是根据所要求的测频准确度提出来的。通常，对标准频率准确度例如，当测量方案的最小计数单位是1HZ，而HZ，在T1S时的测量准确度为（只考虑1误差），为了使标准频率误差不对测量结产生影响，石英振荡器的输出频率准确度/应优于，即比1误差引起的测频误差小一个量级。6.3 结论综合上述，可得如下结论：（1） 计数器直接测频的误差主要有两项：1误差和标准频率误差。一般，总误差可采用分项误差绝对值合成(6.3-1)，即（6.3-1）由式可知，在一定时，闸门时间T选得越长，测量人准确度越高。而当T选定后，越高，则由于1误差对测量结果的影响减小，测量准确度起高。但是随着1误差的影响减小，标准频率误差/将对测
12、量结果产生影响，并以为极限。即测量准确度不可能优于的值。（2）测量低频时，由于1误差产生的测频误差大的惊人，例如，10HZ， T1S，则由1误差引起的测频误差可达10%，所以，测低频时不宜采用直接测频的方法。6.4 产品分析本多波形信号源将设计为可以输出三种常见波形的信号源，即方波、三角波和正弦波。正弦波幅度为0+5V，输出阻抗约为2 K；方波的幅度为0+5V，输出阻抗约为1 K；三角波输出幅度为0+3V，输出阻抗约为1 K；三角波幅度为0+3V；输出阻抗约为2 K；三种波形均设计为对称输出，波形失真在1%以下。无论方波、三角波还是正弦波它们均有一定的频率，而且使用仪器者也对输出信号的频率有一
13、定要求，因此这一多波形信号源必须具有频率的测量和显示功能。基于这一实际需要，本信号源设计为数字显示频率，可以用数码管来实现显示功能。其频率可调范围设计为1Hz100KHz，这一范围基本满足普通的生产、生活和学习环境对低频信号源的需要。为提高测量和显示精度，可设置如下几个频率档：1Hz10Hz、10Hz100Hz、100Hz1KHz、110KHz、10KHz100KHz。显示频率的分辨率为1Hz，可使用6个数码管来显示输出所计频率值。6.5 产品调试与使用 按照原理图，安装元件后，认真检查无误才可以通电调试。调试步骤如下：1.调试频率计电路部分，在调试时，先断开R20，用一个0.1uF瓷片电容跨
14、接在IC4的第12脚与IC5的第5脚之间，微调C3试数码管显示1024，这时候频率计电路调试好。2.调节好频率计电路后，连接上R20，调节RP4和K2将一定频率的方波信号输出到示波器，调节RP3使输出方波信号的占空比为50%，并用磁漆将RP3封住，然后转换K1是信号发生器输出正弦波信号，调节RP1、RP2使输出正弦波信号的上下对称，波形失真小，细心调节RP1、RP2，可以把失真调到小于0.1%，到此整个电路调试结束（以上调试步骤不可方向进行）。6.6 调试中遇到的问题及解决方案1、 调试中遇到的问题：1) ICL8038无波形输出；2) CD4017不起振，且振荡不稳定；3) CD4543译码电路译码