低频正弦信号发生器

指导老师：李建英老师

完成日期：2012.06.07 评阅意见： 评阅教师______日期______

目录

前言………………………………………………….……….………..…1 摘要…………………………………………….…….…………...………1 Abstrac………….…………………………………………….………… 1 关键字…………………………………………………..……......………1

第一章 正弦信号发生器设计要………..…………..………2

1.1 设计指标 1.2 设计要求 1.3 制作要求 1.4 编写设计报告

第二章 低频信号发生器总体方案论证…………..……3

2.1 低频正弦信号发生器的重要性 2.2数字电子钟的方案分析 2.3 三种方案的比较

第三章 整体方案框架和流程……………….………….…4

3.1 系统框架 3.2系统简易流程

第四章 单元电路设计与分析………………………………5

4.1 正弦信号产生 4.2数字频率计

第五章 整体原理图与仿真图………………………….……14 第六章 结论与总结…………..…………………......................…14

6.1心得体会 6.2致谢 6.3参考文献 6.4附录

前言

正弦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。

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见，在科学研究及生产实践中均有这广泛应用。目前，常用的信号发生器绝大部分是有模拟电路构成的，电路的组成主要包括选频网络，反馈网络，以及放大部分。所以，从结构上看，正弦信号发生器就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。分析RC串并联选频网络的特性，根据正弦波振荡电路的两个条件，即振幅平衡与相位平衡，来选择合适的放大电路指标，来构成一个完整的振荡电路。很多应用中都要用到范围可调的RC振荡器，它能够在电路输入出负载变化时提供近似恒定的频率，几乎无谐波的输出。电路必须提供足够的增益才能使低阻抗的RC 电路起振，并调整的幅度, 以提高频率的稳定性，减小THD(总谐波失真)。

Sine signal generator is signal in one of the most common, it can output a

range adjustable sine signals.In these signal generator, and with low frequency sine signal generator is most common, in the scientific research and production practice all has the widespread application.At present, the most common signal generator is analog circuit structure, the composition of the circuit include frequency selective network, the feedback network, and enlarge parts.So, from the structure, sine signal generator is a no input signal frequency selective network with positive feedback amplifying circuit.RC series analysis the characteristics of frequency selective network, according to the sinusoidal oscillator circuit of the two conditions, that is the amplitude and phase balance balance, to choose appropriate amplifier circuit index, to form a complete oscillating circuit.Many applications with adjustable scope of RC oscillator, it can input load changes in circuit out provide approximate constant frequency, almost no harmonic output.Circuit should provide enough gain to make low impedance RC circuit of the vibration, and adjustment of the amplitude, to improve the frequency stability, reduce THD (total harmonic distortion).

Abstact

关键词 ： 正弦 RC振荡 稳幅 调频 数字频率计

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第一章 低频正弦信号发生器设计要求

1.1 设计指标

1.目标信号波形：正弦信号； 2.测量频率范围：100Hz~10kHz； 3.测量精度：小于0.1%；

1.2 设计要求

1、画出电路原理图（或仿真电路图）； 2、元器件及参数选择； 3、电路仿真与调试； 4、PCB文件生成与打印输出。

1.3 制作要求

自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。

1.4 编写设计报告

写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。

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第二章低频正弦信号发生器总体方案论证

2.1 低频正弦信号发生器的重要性

信号发生器又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有着广泛的

应用,而正弦信号发生器是信号发生器中最常见的一种,它能输出一个幅度可调、频率可调的正弦信号,在这些正弦信号发生器中又以低频正弦信号发生器最为常用。能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路被称为函数信号发生器,在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。

2.2信号发生器的方案分析

2.2.1 基于分立元件的低频正弦信号发生器

采用RC振荡电路设计原理简单便于软件仿真和硬件调试。计算时间，

程序简单。

2.2.2 基于EDA技术的低频正弦信号发生器

采用 EDA作为主控制器控制外围电路进行，时钟控制、键盘和LED控制。此方案逻辑电路复杂，且灵活性较低，不利于各种功能的扩展，在对电路进行检测比较困难；

2.2.3 基于单片机编程的低频正弦信号发生器

经软件设计指定的I/O口（P1.0~~P1.3）送出逻辑电平，控制数码管显示。根据低频正弦信号发生器的设计要求与原理以及特性，系统采用单片机AT89C52串口输出的形式来设计电路，使功能及效果更完美。

2.3 三种方案的比较

在设计过程中，方案的选择必须与实际情形联系起来（由于本人此次课程设

计想锻炼自身的电子电路基础知识），要从各个方面考虑设计的可行性，即不仅要考虑其先进性也要考虑其现实性，从多方面综合寻求最佳方案。

在方案的实施中，方案一简洁、灵活、可扩展性好，能完全达到设计要求；方案二逻辑电路复杂，灵活性比较的低，并且不利于调试；方案三的设计理念超过我们现在所学的内容，因此暂不考虑。

综上分析，我们选择第一种方案作为本次课程设计的最佳方案。

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第三章 整体方案设计

3.1系统框架：

产生信号 测量电路 显示电路 图1-1 .3.2系统简易流程： 正弦信号产生部分 选频 稳幅，放大 调节R，C 译码显示

图1-2

检测频率 数模转换 放大部分

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第四章 单元电路设计与分析

4.1 正弦信号产生

正弦信号的产生有多种方式，可由单片机等微处理器调制得到，也可由555定时器设计而得，本课题采用RC振荡只为锻炼本人对正弦信号产生的原理更深刻的认识与应用。设计原理图如下：

图2-1正弦信号的产生，选频和放大

电路设计原理：

图2-1为RC桥式正弦波振荡器。其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、Rf及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器RW，可改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反 向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D1、D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形的失真。

电路的振荡频率f0Rf1 起振的幅值条件2 2RCR1式中RfRWR2R3//rD， rD— 二极管正向导通电阻。

调整反馈电阻Rf（调RW），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说

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明负反馈太强，应适当加大Rf。如波形失真严重应当减小Rf。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，而调节R作量程的频率细调。

仿真图见附录（1） 4.2数字频率计

4.2.1算法设计

频率是周期信号每秒钟内所含的周期数值。可根据就、这一定义采用如下图2-2所示的算法。图2-3是根据算法构建的方框图。

信号源 由多谐振荡清零 器产生秒脉计数器 上升沿寄存 寄存器 频率显示 图4-3频率测量算法对应的方框图

在测试电路中设置一个闸门产生电路，用于产生脉冲宽度为1s的闸门信号。

改闸门电路的导通与开断。让被测信号送入闸门电路，当1s闸门脉冲到来时闸

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门导通，被测信号通过闸门并到达后面的计数电路（计数电路用以计算被测信号的周期数），当1s闸门结束时，闸门再次关闭，此时计数器记录的周期为1s内被测信号的周期个数，即被测信号的频率。测量频率的误差与闸门信号的精度有关，因此，为保证在1s内被测信号的周期误差在10的负3次方量级，则要求闸门信号的精度为10的负4次方量级。

4.2.2闸门电路

555集成时基电路称为集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。它的内部电压标准使用了三个5K的电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，两者的工作原理和结构相似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，两者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器，556和7556是双定时器。双极型的电压是+5V~+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压是+3V~+18V。

图4-2-1 555定时器内部框图

555电路的工作原理

555电路的内部电路方框图如图4-2-1所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为

和

。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管

时，触发器复位，555的输出端3脚输

时，触

开关状态。当输入信号输入并超过

出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。

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是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。

Vc是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当

5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。 构成多谐振荡器

如图，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端电容C在

和

放电，使电路产生振荡。

之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，

对应的波形如图4-5所示。

555构成多谐振荡器 多谐振荡器的波形图

输出信号的时间参数是： T=

=0.7（R1+R2）C

=0.7R2C

其中，时间。

为VC由上升到所需的时间，为电容C放电所需的

555电路要求R1与R2均应不小于1KΩ，但两者之和应不大于3.3MΩ。 外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。

闸门信号电路图如下：

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仿真图如下：

4.2.3频率计数电路

本实验计数电路主要以4片7490为核心芯片实现10000分频计数. 74LS90为中规模TTL集成计数器，可实现二分频、五分频和十分频等功能，它由一个二进制计数器和一个五进制计数器构成。其引脚排列图和功能表如下所示：

图4-2-4 74LS90的引脚排列图

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表4-1 74LS90的功能表

2.2.4频率显示电路 1数据锁存

本实验使用两片74ls374实现对四片7490数据的锁存。

简要说明:

374为具有三态输出的八 D 边沿触发器,共有 54/74S374 和 54/74LS374 两种 线路结构型式，其主要电器特性的典型值如下(不同厂家具体值有差别): 型号 fm PD

54S374/74S374 100MHz 450mW 54LS374/74LS374 50MHz 135mW

374 的输出端 O0~O7 可直接与总线相连。当三态允许控制端 OE 为低电平时， O0~O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，O0~O7 呈

高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。 当时钟端 CP 脉冲上升沿的作用下，O 随数据 D 而变。

由于 CP 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。

引出端符号：

D0～D7 数据输入端

OE 三态允许控制端（低电平有效） CP 时钟输入端 O0~O7 输出端

74ls374引脚管腿图：

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74ls374逻辑图和功能真值表：

2数码管显示

七段显示译码器7448功能,引脚图及应用电路 数字显示译码器是驱动显示器的核心部件，它可以将输入代码转换成相应的数字显示代码，并在数码管上显示出来。下图为七段显示译码器7448的引脚图，输入A3 、A2 、 A1和 A0接收四位二进制码，输出a～g为高电平有效，可直接驱动共阴极显示器，三个辅助控制端 、 、 ，以增强器件的功能，扩大器件应用。7448的真值表如下表所示。

从功能表可以看出，对输入代码0000，译码条件是：灯测试输入 和动态灭零输入 同时等于1，而对其他输入代码则仅要求 =1，这时候，译码器各段a～g输出的电平是由输入代码决定的，并且满足显示字形的要求。

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图4-5 7448引脚图 表4-3 7448功能表

灯测试输入低电平有效。当 = 0时，无论其他输入端是什么状态，所有输出a～g均为1，显示字形8。该输入端常用于检查7448本身及显示器的好坏。

动态灭零输入 低电平有效。当 =1，，且输入代码 时，输出a～g均为低电平，即与0000码相应的字形0不显示，故称“灭零”。利用 =1与 = 0，可以实

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现某一位数码的“消隐”。

灭灯输入／动态灭零输出 是特殊控制端，既可作输入，又可作输出。当 作输入使用，且 = 0时，无论其他输入端是什么电平，所有输出a～g均为0，字形熄灭。 作为输出使用时，受 和 控制，只有当 ， ，且输入代码 时， ，其他情况下 。该端主要用于显示多位数字时多个译码器之间的连接。

数字显示--部分电路图

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第五章总电路原理图

（见附录（2））

第六章结论与总结

6.1心得体会

通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关低频电子线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！

课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法；

要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。

回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。 此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。

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4.2 致谢

首先感谢父母多年来不遗余力，不求回报的栽培。父母的支持 一直是我

前进的动力。 本课题在选题及进行过程中得到李建英老师的悉心指导。论文行文过程中，李老师多次帮助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励。李建英老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。再多华丽的言语也显苍白。在此，谨向李老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 ，热心帮助过本人的还有秦福和何井生两位同学。在此对这些曾经帮助过我的人表示衷心的感谢。

4.3参考文献

1]康华光，陈大钦，.张林.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京:高等教育出版社，2007.

2]邓元庆，贾鹏.数字电路与系统设计（第二版）[M].西安电子科技大学出版社.

3]李银华.电子线路设计指导[M].

元器件明细表

名称17490N27448N3二极管4开关5普通电容6普通电容7普通电容8普通电容9电阻电阻电阻电阻集成运放型号参数数量74LS74LS1N1024CSPDT90nf60nf1nf100pf4.8k1k3k1.8kLM324备注6422221121111序号10111213

4.4附录

图（1） 正弦信号产生电路

图（2） 低频正弦信号发生器总电路