低频正弦信号发生器03

课题名称 低频正弦信号发生器

班 级 姓 名 指导教师

日 期 2011年1月4

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前 言

正弦交流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。

本次电子课程设计的低频正弦信号发生器的要求为：信号的频率范围为20HZ～20KHZ;输出电压幅度为5V；输出信号频率数字显示；输出电压幅度显示。

针对以上设计要求，我们从图书馆收集，借阅了大量相关书籍，从网上下载了诸多相关

资料，其次安装并学习使用了电路设计中所常使用的Multisim仿真软件。在设计的要求下，画出了整体电路的框图，将其分为正弦信号发生器，输出电压和幅度数字显示，输出信号频率和其数字显示三大部分。其次我们对每个单元电路进行设计分析，对其工作原理进行介绍，最后使用Multisim软件画出单元电路，并对其仿真。

完成电路的设计与分析后，对资料与设计电路进行整理，排版，完成课程设计报告。

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目 录

前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 目录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 关键字„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 设计要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4  

系统概述„„„„„„„„„„„„„„„„„5 单元电路设计与分析„„„„„„„„„„„„7

第一部分 正弦信号发生器的设计„„„„„„„„„„7 第二部分 简易频率计及其显示模块的设计„„„„„„12 第三部分 数字电压表机器显示部分的设计„„„„„„25  

系统综述、总体电路图„„„„„„„„„„„34 结束语„„„„„„„„„„„„„„„„„ 36

参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 36 元器件说明„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 37 收获与体会„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 38 评语„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 39

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低频正弦信号发生器

摘要：

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。

现今，常用的信号发生器大部分是由模拟电路构成的，电路的组成主要包括选频网络、反馈网络、以及放大部分，这种方式的信号发生器可以看作是一个没有输出信号的带有选频网络的正反馈放大电路。此种信号发生器包含的选频网络是RC选频电路或者LC选频电路。一般情况下，RC选频电路用于输出中频信号，LC选频电路用于输出高频信号，但需要这种模拟信号发生器用于输出低频信号往往需要的RC值很大（LC输出高频，更难以满足要求），这样不但参数准确度难以保证，而且体积和功耗都很大，低频难以满足要求。而由数字电路构成的低频信号发生器多是由一些芯片组成，其低频性能比模拟信号发生器好得多，而且体积较小，输出的信号谐波较少，频率和振幅相对比较稳定。

本文用MAX038芯片实现低频正弦信号的发生，借助于放大器对正弦信号进行放大，这种电路流程简单、运算速度高、便于调节与实现并且集成度强。

关键字：

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正弦波 信号发生器 放大器 频率显示 电压显示 设计要求：

任务书要求设计一个低频正弦信号发生器，根据题目要求，此低频正弦

信号发生器有以下功能及主要技术要求：

 信号频率范围20HZ～20kHZ；  输出信号电压幅度

5；

 输出信号频率数字显示；  输出电压幅度数字显示。

第一章 系统概述

根据任务书的要求，系统可分为三大部分，即正弦信号的产生；输出频率的范围和其显示；输出电压的幅度和显示，我们采用MAX038芯片产生正弦信号，该芯片能产生高精度的信号，频率范围大，功耗低，信号产生后再通过运放OPA604的功率放大来满足输出电压的幅度要求，然后通过555定时器组成的施密特触发器，单稳态 电路，多谐振荡电路对其放大整形和控制，最终通过十六进制加法器74LS160，锁存器74LS373，译码器74LS48使数码管显示电压，由于本学期刚学过555定时器，74LS160,74L48等芯片，设计过程中易于理解和操作，其次是电压的显示，我们采用集成电路MC14433,MC1413,MC4511和MC1403设计成数字电压表，实现对电压的显示。其中MC14433的作用是将输入的模拟信号转换成数字信号，MC1403为MC14433提供精密电压，供MC14433A/D转换器作参考电压，MC4511的功能是将二-十进制转换成七段信号，MC1413的作用为驱动显示

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器的 a,b,c,d,e,f,g七个发光段，驱动数码管进行显示，数码管只将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果，该模块集成度高，外围电路简单，便于实现。 以下为电路的系统框图：

电阻调节 MAX038函数发生器芯片 OPA604功率放大 555施密特触发器

MC1403 MC14433A/D转换 MC4511 MC1413 & 555单稳态电路 555多谢振荡器 74LS160计 数器 共阴极LED发光数码管

74LS373锁存器 - 6 -

图1电路系统框图

第二章 单元电路设计与分析 第一节：正弦信号产生和放大电路模块设计

一、 可行性论证：

正弦波发生器是本设计的核心部分，以下介绍三种方案：

方案一：采用传统的直接频率合成法直接合成。利用混频器，倍频器，分频器和带通滤波器完成对频率的算术运算。但由于采用大量的倍频，分频，混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。

方案二：采用锁相环间接频率合成（PLL）。虽然具有工作频率高，宽带，频谱质量好的优点，但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。另外，由模拟方法合成的正弦波的参数（如幅度，频率和相位等）都很难控制，而且要实现大范围的频率变化相当困难，不易实现。 方案三：用函数产生芯片直接产生所需信号。采用MAX038函数产生芯片，通过设置管脚参数的输入，可设计组成产生幅频精度很高且易于调整的波形信号，该波失真度很小，而且可实现的频率范围很大，在电路参数要求苛刻的工作场所能够得到较好的应用，用该芯片设计组成的信号产生电路集成度高，而且简单，容易控制。

综合比较，为了实现要求，选择方案三，使用高性能的芯片MAX038作为正弦波发生器的核心，实现高精度，高稳定的正弦信号输出。

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二、MAX038简介

以下是MAX038管脚图，管脚功能和其性能的介绍： MAX038采用DIP--20封装形式，其管脚如下图2所示：

各引脚功能简述如下：

引脚 1 2，6，9，11，18 3 4 5 7 8 10 12 13 14 15 16 17 19 A0 A1 COSC DADJ FADJ IIN PDO PDI SYNC DGND DV+ V+ OUT 标记符号 REF GND

图2 MAX038管脚图

功能说明 2.5V的基准电压输出 地 波形选择编码输入端（兼容TTL/CMOS电平） 波形选择编码输入端（兼容TTL/CMOS电平） 主振器外接电容接入端 占空比调节输入端 频率调整输入端 电流输入端，用于频率调节和控制 相位检测器输入端，若相位检测器不用，该端接地 相位检测器基准时钟输入，如相位检测器不用，该端接地 TTL/CMOS电平输出，用于同步外部电路，不用时开路 数字地，在SYNC不用时开路 数字+5V电源。若SYNC不用，该端开路 +5V电源输入端 正弦波、方波或三角波输出端 - 8 -

20 V_ -5V电源输入端 表1 MAX038的引脚功能说明

MAX038的内部结构和工作原理：

MAX038的芯片内部包含振荡器、比较器、基准电压和正弦波形成器等。 MAX038产生信号的频率和占空比可以通过调整电流、电压或电阻来分别控制。所需的输出波形可由在A0和A1输入端设置适当的代码来选择，所有的输出波形都对称于地电位的2V（峰峰值）信号。低阻抗输出的驱动能力可以达到±20mA。在SYNC输出引脚端输出一个由内部振荡器产生的、与TTL兼容的、占空比为50％的波形（不管其他波形的占空比是多少），可作为系统中其他器件的同步信号。内部振荡器也可以由连接到PDI引脚上的外部TTL时钟来同步。

MAX038的工作电源为±5（1±5％）V。基本的振荡器是一个交变的、以恒 流向电容器充电和放电的弛张振荡器，同时也就产生一个三角波和矩形波。充电和放电的电流是由流入引脚端IIN的电流来控制的，并由加到引脚端FADJ和DADJ上的电压调制。流入引脚端IIN的电流可由2uA变化到750uA，对任一电容器CF值可以产生大于两个数量级（100倍）的频率变化。在引脚端FADJ上加±2.4V电压可改变±70％的标称频率（与VFADJ=0V时比较），这种方法可以用作精确的控制。

占空比（输出波形为正时所占时间的百分比）可由加±2.3V的电源到引脚端DADJ上来控制其从10％变化到90％。这个电压改变了CF的充电和放电电流的比值，而维持频率近似不变。引脚端REF的2.5V基准电压可以用固定电阻连接到引脚端IIN、FADJ或DADJ，也可以用电位器从这些输入端接到REF端进行调整。FADJ和/或DADJ可以接地产生具有占空比为50％的标称频率信号。

MAX038芯片附加少许外围电路就能够产生三角波、锯齿波、正弦波、方波、矩脉冲波形。该芯片具有如下的功能特点：

(1)输出频率范围：0．1～20 MHz，最高可达40 MHz：

(2)输出波形占空比(15％～85％)独立可调，占空比可由DADJ端调整，如果DADJ端接地，则输出占空比为50％；

(3)具有低输出阻抗的输出缓冲器，输出阻抗的典型值为0．1 Ω；

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(4)备有TTL兼容的独立同步信号SYNC(方波输出，固定占空比为50％)，方便组建

(5)低温度漂移。对于所有输出波形来说，输出波形是以地为参考的对称波形，在低输出阻抗的情况下，输出电流可达到±20 mA电流。

在两个与TTL／CMOS信号输入匹配的地址引脚A1，A0上输入合适的代码信号，能够实现输出波形变换的控制，具体输入代码和输出波形的对应关系如表2所示。

输出频率反比于电容器CF值。

（1） 波形选择 MAX038可以产生正弦波、矩形波或三角波形 设置A0和A1引脚端的状态可选自输出波形 （TTL/CMOS逻辑电平）如表二所列。波形切换可 以在任一时刻进行，而不管输出信号当时的相位。 切换发生在0.3us之内，但是输出波形可能有一段 小的延续0.5us的过渡状态。 （2） 输出频率

X 0 A0 1 A0 A1 1 0 A1 0 波形 正弦波 矩形波 波形 三角波 表2 地址A0和A1引脚端工作状态的设置与波形选择 MAX038输出频率取决于注入引脚端IIN的电流大小、引脚端COSC的电容量（对地）和引脚端FADJ上的电压VFADJ。当VFADJ=0V时，输出的基波频率（F0）由下式给出：

F0（MHZ）=IIN(uA)÷CF(pF) 周期（t0）则为：

t0(s)=CF(pF)÷IIN(uA) 式中，IIN为注入到IIN引脚端的电流（2～750uA），CF为接到COSC引脚端和地之间的电容值（20pF～100uF）。

（注:由于在multisim软件里面没有MAX038芯片，所以不能画出关于此芯片产生正弦信号的波形图。在这个设计中，为了能够模拟产生低频正弦信号并且

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进行显示，我们用了另一种方法产生正弦信号，具体请看后面的具体电路设计图）

图3 正弦信号发生电路

三、放大电路的设计 上述图3所示信号产生电路，

当V+=5V，V-=-5V,VDADJ=VFADJ=VPDI=VPDO=0 V，RL=1 kΩ，CL=20 pF，输出波形、频率变化调整时，输出电压能够稳定的达到Vp-p=2 V。由于设计要求的电压幅度为5V，因此必须对产生的信号进行放大，本设计的放大电路主要由运放OPA604担任 。

OPA604是FET输入高保真运放IC，性能十分优越，低噪声10nv/Hz，低失真率，，1KHZ时，仅为0.0003%，高转换率25v/us，功率带宽为20MHZ，电路中OPA604的闭环电压增益由外电路所接电阻控制。 由OPA604组成的放大电路如下图4所示

图4 信号放大电路

注：R1的另一接线端接MAX038的管脚19

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图3所示的电路产生的正弦输出波的Vp-p=2 V, Multisim软件中没有信号产生芯片MAX038，对图3所示电路的仿真我们只能外接一个能够产生Vp-p=2 V的正弦信号源，仿真的结果如下图5所示

图5 放大电路仿真结果图

第二节：频率的数字显示

一、整体方框图及原理

输入电路：由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益时被测信号得以放大。

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频率测量：测量频率的原理框图如上图2-3.测量频率共有显示单位。被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待时基信号的到来。时基信号由555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号，作为闸门开通的基准时间。被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。

计数显示电路：在闸门电路导通的情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿。在计数的时候数码管不显示数字。当计数完成后，此时要使数码管显示计数完成后的数字。

控制电路：控制电路里面要产生计数清零信号和锁存控制信号。 二、各部分的设计与调测 1、输入电路设计与调测 1.1 时基电路设计

图1-1 时基电路与分频电路

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它由两部分组成:

如图1-1所示，第一部分为555定时器组成的振荡器(即脉冲产生电路),要求其产生1000Hz的脉冲.振荡器的频率计算公式为:f=1.44/((R1+2*R2)*C),因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R1=8.2KΩ ，R2=5.1KΩ，C=0.01μF使得555能够产生非常接近1KHz的频率。第二部分为分频电路,主要由74LS160组成，因为振荡器产生的是1000Hz的脉冲,也就是其周期是0.001s,而时基信号要求周期为1s。74LS160为十进制计数器，用于在时钟上升沿或下降沿加计数。 1.2时基电路的调测

图1-2时基电路

首先调测时基信号，通过555定时器、RC阻容件构成多谐振荡器的两个暂态时间公式，选择R1=8.2KΩ ，R2=5.1KΩ，C=0.01μF。把555产生的信号接到示波器中，使得输出的信号的频率为1KHz。同时输出信号的频率也要稳定。测完后，下面测试分频后输出端信号。测出来的信号频率和理论值1Hz相等。这样，时基电路这部分就测试完毕，可以用于做标准的闸门信号，所以此时的时基电路设计好了，而且时基信号也没有什么问题。

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图1-3时基电路分频后的波形

1.3放大整形电路设计

如图3-4所示，待测的波先被送入到放大电路的输入端，输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。然后把放大调整后的信号送入由555构成的施密特触发器，施密特触发器具有脉冲整形功能经过施密特触发器后便把信号整形成为矩形波。

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图1-4 放大整形电路图

1.4 放大整形电路的调测

图1-5放大整形电路

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用信号发生器产生一个正弦波形，输入放大整形电路，用示波器来观察待测信号经放大整形电路后波形的前后变化，结果如图4-4，1表示整形后的波形，2表示整形前的。

图1-6待测信号放大整形前后的波形图

二、控制电路的设计与调测 2.1控制电路设计

通过分析我们知道控制电路这部分是本实验的最为关键和难搞的模块。其中控制模块里面又有几个小的模块，通过控制选择所要测量的东西。比如频率，周期，脉宽。同时控制电路还要产生74160的清零信号，74LS373的锁存信号。

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图2-1 控制电路

逻辑控制电路详细的电路如图2-1所示。图2-2是测试被测信号频率时的计数器CP信号波形、PT端输入波形、CLR段清零信号波形、74LS373锁存端波形图。其中第一个波形是被测信号的波形图、第二个是PT端输入信号的波形图、第三个是计数器的清零信号。第四个是锁存信号。PT是高电平的时候计数器开始工作。CLR为低电平的时候，计数器清零。根据图得知在计数之前对计数器进行了清零。根据74LS373（74LS373的管脚图和功能表详见附录）的功能表可以知道，当锁存信号为高电平的时候，74LS48不送数。如果不让74LS373锁存的话，那么计数器输出的信号一直往数码管里送。由于在计数，那么数码管上面一直显示数字，由于频率大，那么会发现数字一直在闪动。那么通过锁存信号可以实现计数的时候让数码管不显示，计完数后，让数码管显示计数器计到的数字的功能。根据图

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可以看到，当PT到达下降沿的时候，此时74LS373的G端的输入信号也刚好到达下降沿。

图2-2 控制电路工作波形示意图

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2.2 逻辑控制电路的调测

图2-3 逻辑控制电路调测连接图

控制电路的连接图如图2-3所示，其中两个555单稳态触发器的作用一个是产生清零信号，另一个是产生锁存信号。

由调试波形可以知道电路设计是正确的。这部分是测量频率的功能。测频率的时候时基信号作为闸门信号。

测试的结果如图2-4所示其中1波形表示为清零信号，2波形表示锁存信号，3波形表示闸门信号。

控制部分的工作原理：当清零信号由0变为1时，此时计数器的清零工作已经完成。闸门开始打开，当闸门打开时，即闸门信号为高电平时，计数器开始计数我们所设计的闸门的高电平时间为1S，在此时间内计数器计数被测信号的变化次数，所得结果便是被测信号的频率。当计数器清零和计数时，锁存器要锁存，，

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以免显示时数字跳动，当计数器清零和计数完毕时，锁存器再开始读数。那么到此，整个控制电路部分实现的控制功能都已经实现了。到这里，会发现控制电路整个设计过程的精华所在。把控制电路这部分完成，那么本次的课程设计最重要的部分完成，所以这次课程设计整体上也就基本完成了。

图2-4逻辑控制电路输出波形图

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三、显示电路的控制与调测 3.1显示电路设计

计数电路、锁存电路和译码显示电路详细的电路如图5-1，显示电路主要由计数器、译码器、锁存器、档位选择开关组成。整体电路要接收三个信号一是被测信号的计CP信号波形、74LS160的CLR段清零信号波、74LS373锁存端信号波。

图3-1 显示电路

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3.2 计数电路和显示电路的调测

图3-2 显示电路调测连接图

计数电路：按照图5-2所示连接好，将74160的PT端，~CLR端，~LD端都接高电平，4个74LS160级联，构成异步十进制计数器。，在调测的过程中，接好后，给最低位的74LS160一个CP信号。让函数信号发生器产生一个频率适当的方波。这样，计数器就开始计数了。数码管从0000~9999显示。计数电路就这样搞好了。在调测的过程中，74160的~CLR端，~LD端是用临时的线连接。因为在后面这些端都是连接控制电路产生清零、锁存信号的输出端。

显示电路：如图4-5所示接好显示电路。将七段显示器CK端接地。前面的管脚接寄存器的管脚，这样，显示电路也就搞好了。经过模拟仿真，显示电路工作正常。

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3.3 显示单位转换电路和小数点显示电路设计

在测量频率的时候，由于分两个显示单位，那么在不同的单位的时候，小数点也要跟着显示。比如测量频率的单位需要显示Hz的时候，那么在显示的时候四个数码管的小数点不需要显示，此时绿灯亮。测量频率的单位需要显示KHz的时候，那么显示的时候，四个数码管第二个位的数码管的小数点要显示，也就是当显示的数值以KHz显示时，后面有两位小数以保证测量值度，并且此时红灯亮，表示单位是KHz.

图3-3 单位转换和小数点显示电路图

3.4 报警电路设计

报警电路是在最高位的十进制计数器74LS160的进位端加一个蜂鸣器或者是LED灯，当有进位时蜂鸣器就会发出响声，LED灯会亮起来，以此提醒被测信号频率超出量程。

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第三部分:数字电压表设计

数字电压表是将被测模拟量转换为数字量，并进行实时数字显示的数字系统。 方案一：采用单片机89C51作为系统的控制核心,以A/D转换器ADC0809作为主要部件，原理是模数（A/D）转换芯片的基准电压端，北侧电压输出端分别输入基准电压和被测电压。模数（A/D）转换芯片将被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编程，使单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法来计算出被测量电压的值，最后单片机系统将计算好了的被测电压按一定的是与送入显示电路模块加以显示。单片机技术成熟、运算功能较强、编程灵活、设计成本也较低，能较准确地测量输入电压。但在单片机系统中必须使用许多分立元件组成其外围电路，整个系统显得十分复杂，可靠性较低，抗干扰能力差，而且功耗高。并且我们对单片机的学习还不是很多，还会用到编程。所以这种方法不是我们采用的。 方案二：我们主要以集成芯片为主要器件。电路主要有MC14433 A\\D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、CD4511 BCD到七段锁存-译码-驱动器、能隙基

11准电源MC1403和共阴极LED发光数码管组成。本系统是3位数字电压表，3

22位是指十进制数0000～1999，所谓3位是指个位、十位、百位，其数字范围均为0～9。而所谓半位是指千位数，它不能从0变化到9，而只能由0变到1，即二值状态，所以成为半位。电路图如下：

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VDDU11235VU224VDD16DS42VREF17DS31VAG18DS213VSS19DS18C23Q37c22Q26C21Q15RI/CI20Q04RI15OR9DU11CPO14EOC10CPI3VI12VEEU44BI13a7A12b1B11c2C10d6D9e8VSS15f314g16VDD5MC1403R11kΩ50%Key=AC1待测信号J1Key = SpaceR3R49kΩ4kΩ0.1µFR6470kΩCD4511MC14433VDDVEE-5V108GND11712613514415316291C20.1FR2470kΩU3MC14135VR51kΩCACACACAU5ABCDEFGHABCDEFGHU6ABCDEFGHU7ABCDEFGHU8 各部件的功能如下：

1（1）3A/D转换器：将输入的模拟信号转换成数字信号。

2（2）基准电源：提供精密电压，供A/D转换器作参考电压。 （3）译码器：将二-十进制（BCD）码转换成七段信号。

（4）驱动器：驱动显示器的a,b,c,d,e,f,g七个发光段，推动发光数码管（LED）进行显示。

（5）显示器：将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果。 工作过程如下：

13数字电压表通过位选信号DS1～DS4进行动态扫描显示，由于MC144332电路的A/D转换结果是采用BCD码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果以数字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描显示。

DS1～DS4输出多路调制选通脉冲信号，DS选通脉冲为高电平，则表示对应的

数位被选通，此时该位数据在Q～Q端输出。每个DS选通脉冲高电平宽度为

0318个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。DS和EOC的时序关系是在EOC脉冲结束后，紧接着是DS1输出正脉冲，以下依次为DS2、其中DS1对应最高位（MSD），DS4则对应最低位（LSD）。在对应DS2、DS3和DS4。

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DS3和DS4选通期间，Q0～Q3输出BCD全位数据，即以8421码方式输出对应

的数字0～9。在DS1选通期间，Q～Q输出千位的半位数0或1及过量程、欠

03量程和极性标志信号。

在位选信号DS1选通期间Q～Q的输出内容如下： 03Q3表示千位数，Q3 =“0”代表千位数的数字显示为1，Q3 =“1”代表千位数的数字显示为0。

，表示极性为正，即VX＞0，QQ2表示被测电压的极性，Q2的电平为“1”2的电平为“0”，表示极性为负，即VX＜0。显示数的负号（负电压）由MC1413中的一只晶体管控制，符号位的“-”阴极与千位数阴极接在一起，当输入信号VX为负电压时，Q端输出置“0”，Q负号控制位使得驱动器不工作，通过限流电

22阻RM使显示器的“-”（即g段）点亮；当输入信号VX为正电压时，Q端输出

2置“1”，负号控制位使达林顿驱动器导通，电阻RM接地，使“-”旁路而熄灭。

小数点显示是由正电源通过限流电阻RDP供电燃亮小数点。若量程不同则选通对应的小数点。

过量程是当输入电压VX超过量程范围时，输出过量程标志信号OR。 当Q=“0”且Q=“1”时，表示VX处于过过量状态。

30当Q=“1”且Q=“1”时，表示VX处于欠量程状态。

30当OR=“0”时，|VX| >1999，则溢出。|VX|>VR则OR输出低电平。 当OR=“1”时，表示|VX|11、3A/D转换器——MC14413

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1位双积分式A/D转换器。2MC14413电路总框图如图2所示。由图2可知，MC14413A/D转换器主要由模拟部

1分和数字部分组成。使用时只要外接两个电阻和两个电容就能执行3位的A/D

2转换器。

在数字仪表中，MC14413电路是一个低功率3

图2 MC14433电路总框图

（1）模拟部分：图3为MC14413内部模拟电路的工作原理示意图。其中共有3个运算放器A1，A2，A3和10多个电子模拟开关，A1接成电压跟随器，以提高A/D转换器的输入阻抗，由于采A1用CMOS电路，因此输入阻抗可达100M以上。A2和外接的R1、C1构成一个积分放大器，完成V/T即电压-时间的转换。

A3接成电压比较器，主要功能是完成“0”电平检出，由输入电压与零电压进行

比较，根据两者的差值决定输出是“1”还是“0”。比较器的输出用作内部数字控制电路的一个判别信号。电容C0为自动调零失调补偿电容。

C1A13128SW1-3SW3-14213388214AD8002ASW3-2A2R14A3SW4VRSW1-4AD8002ASW5-1VAGC0SW6SW1-1SW1-2SW2SW5-2VX 图3 模拟电路工作原理示意图

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（2）数字部分：包括图2中除“模拟部分”以外的部分。其中四位十进制

1计数器为3位BCD码计数器，对反积分时间进行计数（0～1999），并送到数据

21寄存器；数据寄存器为3位十进制代码数据寄存器，在控制逻辑和实时取数信

2号（DU）作用下，锁定和存储A/D转换器结果；多路选择开关，从高位到低位逐位输出多路调制BCD码Q～Q，并输出相应位的多路选择脉冲标志信号DS1～

03DS4；控制逻辑，这是A/D转换的指挥中心，统一控制各部分电路的工作，它是

根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成A/D转换6个阶段的开关转换和定时转换信号，以及过量程等功能标志信号，在对基准电压VR进行积分时，令4位计数器开始计数，完成A/D转换；时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，

并利用内部电容形成振荡，产生节拍时钟脉冲，使电路统一动作，这是一种施密特触发式正反馈RC多谐振荡器，一般外接电阻为360k时，振荡频率则为100kHz，当外接电阻为470k时，振荡频率则为66kHz，当外接电阻为750k时，振荡频率则为50kHz。若采用外时钟频率，则不要外接电阻，外部时钟频率信号从CLKI（10脚）端输出，时钟脉冲CP信号可从CLKO（11脚）获得；极性检测，显示输入电压VX的正负极性；过载指示（溢出），当输入电压VX超出量程范围时，输出过量程范围时，输出过量程标志OR。

MC14413A/D转换器是双斜积分，采用电压-时间间隔（V/T）方式，通过先后对被测电压模拟量VX和基准电压VR的两次积分，将输入的被测电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，用计数器测出这个时间间隔内的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。

双积分过程可以由下面的式子表示：

1=- VO1VO2=-

t =-VXT1 （图1） VXdtR1C1R1C1t2131tVR =- （图2） TVdXRttCRR1C1112因VO1=VO2，故有 VX=TXVR （图3） T1式中，T1 =4000TCP。T1是定时间，TX为变时间，由R1C1确定斜率，若用时钟脉冲数N来表示时间TX，则被测电压就转换成了相应的脉冲数，实现了A/D转换。

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积分电阻电容的选择应根据实际条件而定，若时钟频率为66kHz，C1一般取0.1uF,R1的选取与量程有关，量程为2V时，取R1=470k；量程为200mV时，取R1=27k。

选取R1和C1的计算公式如下：

R1=

VX(max)T（图4） C1VC式中，VC为积分电容上充电电压幅度，

VC=VDDVX(max)V

V=0.5V

T4000×1fCLK

例如，假定C1=0.1uF，VDD =5V,f =66kHz。当VX(max)=2V时，代入（图

CLK14）式可得R1=480k，取R1=470k。3A/D转换器设计了自动调零线路，其中

2缓冲器和积分器采用模拟调零方式，而比较器采用数字调零方式。在自动调零时，把缓冲器和积分器的失调电压存放在一个失调补偿电容C0上，而比较器的失调电压用数字形式存放在内部的寄存器中，A/D转换系统自动扣除电容上和寄存器中的失调电压，就可得到精确的转换结果。

A/D转换器周期约需16000个时钟脉冲数，若时钟频率为48kHz，则每秒可转换3次，若时钟频率为86kHz，则每秒可转换4次。

MC14413采用24引线双列直插式封装，外引线排列如图4所示，各引脚端功能说明如下：

1端：VAG，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压VX和基准电压VR的参考点地。

2端：VR，基准电压端，是外接基准电压输入端，若此端加一个大于5个时钟周期的

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负脉冲（VEE电平），则系统复位到转换周期的起点。

3端：VX，是被测电压输入端。 4端：R1，外接积分点阻端。 图4 MC14433顶视图 5端：R1 /C1，外接积分元件电阻和电容的接点。 6端：C1，外接积分电容端，积分波形由该端输出。

7和8端：CO1和CO2，外接失调补偿电容端，推荐该两端外接失调补偿电容CO取0.1uF。

9端：DU，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在比积分放电周期即阶段5开始前，在DU端输入一正脉冲，则该输出端继续输出锁存器中原来的转换结果，若该端通过一电阻和EOC短接，则每次转换的结果都将被输出。

10端：CLKI，时钟信号输入端。 11端：CLKO，时钟信号输出端。

12端：VEE，负电源端，是整个电路的电源最负端，主要作为模拟电路部分的负电源，该端典型约为0.8mA，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向VSS端。

13端：VSS，负电源端。

14端：EOC，转换周期结束标志输出端，每一A/D转换周期结束，EOC端输出一正脉冲，其脉冲宽度为时钟信号周期的1/2。

15端：OR，过量程标志输出端，当|VX|＞VR时，OR输出低电平，正常量程内OR为高电平。

16～19端：对应为DS4～DS1，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端。当DS端输出高电平时，表示此刻Q～Q输出的BCD码代

03码是该对应位上的数据。

20～23端：对应为Q～Q，分别是A/D转换结果数据输出BCD代码的最低

03位（LSB）、次低位、次高位和最高位输出端。

24端：VDD，整个电路的正电源端。 2.七段锁存-译码-驱动器CD4511

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CD4511是专用于将二-十进制代码（BCD）转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由四位闩锁、七段译码电路和驱动器三部分组成，如图5所示。

LT四位BCD输入 七段译码 驱动器 闩锁 abcdefg 七段输出 LE BI

图5 CD4511功能图

（1）四位闩锁（LATCH）:它的功能是将输入的A、B、C和D代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允许端LE端（即LATCH ENABLE）控制下起闩锁电路的作用。

当LE=“1”时，闩锁器处于锁存状态，四位闩锁封锁输入，此时它的输出为前一次LE=“0”时输入的BCD码；

当LE=“0”时，闩锁器处于选通状态，输出即为输入的代码。 由此可见，利用LE端的控制作用可以将某一时刻的输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入变化。

（2）七段译码电路：将来自四位闩锁输出的BCD代码译成七段显示码输出，MC4511中的七段译码器有两个控制端：

①LT（LAMPTEST）灯测试端。当LT=“0”时， 七段译码器输出全“1”，发光数码管各段全亮显示；当LT=“1”时，译码器输出状态由BI端控制。 ②BI（BLANKING）消隐端。当BI=“0”时，控制译码器为全“0”输出，发光数码管各段熄灭。BT=“1”时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。上述两个控制配合使用，可使译码器完成显示上的一些特殊功能。

（3）驱动器：利用内部设置的NPN管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。

CD4511电源电压VDD的范围为5V～15V。它可与NMOS电路或TTL电路兼容工作。

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图 6 CD4511顶视图

CD4511采用16引线双列直插式封装（见图6）。其真值表1。

使用 CD4511时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端外接限流电阻。 表 1 输入 LE BI LT D X X 0 X X 0 1 X 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 X

3.七路达林顿驱动器阵列MC1413

MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此具有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成电路的信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载。该电路内含有7个集电极开路反相器（也称OC门）。 MC1413电路结构和引脚如图7所示，它采用16引脚的双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的抑制二极管。

C X X 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 X B X X 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 X A X X 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 X a 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 输出 b c d e f g 显示 1 1 1 1 1 1 8 0 0 0 0 0 0 暗 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 2 1 1 1 0 0 1 3 1 1 0 0 1 1 4 0 1 1 0 1 1 5 0 1 1 1 1 1 6 1 1 0 0 0 0 7 1 1 1 1 1 1 8 1 1 0 0 1 1 9 0 0 0 0 0 0 暗 0 0 0 0 0 0 暗 0 0 0 0 0 0 暗 0 0 0 0 0 0 暗 0 0 0 0 0 0 暗 0 0 0 0 0 0 暗 取决于原来LE=0时的BCD码 - 33 -

图7 MC1413引脚和电路结构图

4.高精度低漂移能隙基准电源 MC1403

MC1403的输出电压VO的温度系数为零，即输出电压与温度无关。该电路的特点是：①温度系数小；②噪声小；③输入电压范围大，稳定性能好，当输入电压从+4.5V变化到+15V时，输出电压值变化量VO＜3mV；④输出电压值准确度较高，VO值在2.475～2.525V以内；⑤压差小，适用于低压电源；⑥负载能力小，该电源最大输出电流为10mA，MC1403用8条引线双列直插标准封装，如图8所示。

图8 MC1403顶视图

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三、系统综述

二、

整体电路图

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结束语

此电路基本可以完成任务要求的各个功能，具有电压频率数字显示，电压幅度可调的功能。能够产生比较稳定、失真度较小的低频正弦信号，频率和幅值都能较好的满足题目的要求。并且能够较准确的测出输出波形的频率以及幅值。

尽管如此，此电路也存在许多问题。存在的具体问题有：正弦信号的产生芯片MAX038优点很多，但是价格较高，要是可以找到具备它的优点又能节约成本的方式产生低频正弦信号的话那就更好了。还有频率调节，由于RC振荡的选频回路的要求，两个R和两个C必须相同，这个调节带来了不便。频率选择的档位不是很方便，不能很容易的选择频率；多级比例运算放大器的电压调节不是很方便，如果要求负电压，还得单独调节旋钮；没有设计隔级电路，各级电路之间容易造成干扰。

参考文献：

1·林涛·数字电子技术基础·清华大学出版社·2007（第008684号） 2·林涛·模拟电子技术基础·重庆大学出版社·2003（第006281号） 3·翟玉文 梁伟等·电子设计与实践·中国电力出版社·2005（第036783号） 4·陈永真宁武等·全国大学生电子设计竞赛试题精解选·电子工业出版社·2007（第078604号）

5·黄志伟·全国大学生电子设计竞赛电路设计·北京航空航天大学出版社·2006（第126314号）

6·谢自美·电子线路·华中科技大学出版社·2006（7-5609-3782-9/TN·101）

鸣谢

首先要感谢的是杨老师和邓老师，还有林老师对我们的理论教导，才使得我们敢于去做去实践，还要感谢我的队友和我一起完成了本次课程设计，感谢全班同学对我的帮助和指导，再次感谢所有人。

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元器件明细表

 第一和第三部分元件明细表

序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18/ 19 20 名 称 函数发生器 运算放大器 A/D转换器 七段锁存译码驱动器 七路达林顿驱动器 基准电源 555定时器 十进制加法器 锁存器 译码器 反相器 四输入与非门 七段显示数码管 二极管 电阻 电容 电位器 定时器 触发器 开关 型号参数 MAX038 OPA604 MC14433 MC4511 MC1413 MC1403 LM555CM 74LS160 74LS373 74LS48 7404N 74HC01D 5 KΩ 555 JK 单刀双掷开关 数量 1 1 1 1 1 1 4 8 4 4 1 2 4 9 16 12 3 4 1 1 备注 产生正弦信号 放大信号 驱动数码管 提供电源 加计数 显示译码电路

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心得体会以及存在的问题

这次课程设计的时间为两周，在这两周的时间了，我通过不断上网查资料和翻阅各种相关电子书籍，顺利的完成了本次课程设计。通过这次课程设计，使我受益匪浅。

首先，增加了我对许多芯片的了解和认识，懂得了从什么角度去理解其工作原理和作用。在这次设计中，用到的很多芯片都是以前没有学过的，理解和掌握其工作原理和作用显得尤为重要，通过本次设计，我掌握了一些技巧，我想，这对我以后会有很大的帮助的。

其次，知道了实践与理论相结合的重要性以及必须注意的一些问题。在理论课学习中，书上会列出每一个芯片的各个管脚的功能，当用此芯片举例说明其功能时，只是单纯为向读者介绍其主要功能，或多或少的会忽略一些次要问题，求主而舍其次。在实际电路中，总是要求输出非常精确的信号，但在电路运行过程中，总是存在这样那样的人为因素和系统误差等一些干扰，如果按照课本连接那样，误差可定会很大。实际电路的连接并不像理论连接的那样。在实际中，为减小误差，总是在电路中串接或者并联电容或者电感以及一些其他元件，使得电路的稳态特性更好一些，输出的信号更加接近要求，所以实践显得尤为重要，通过多次的试验，可以懂得一些次要元件的作用以及为什么要接在此，在无意识中，电路的经验积累就慢慢此形成。

再次，懂得了不懂就问的重要性以及团结合作的好处。在本次设计中，由于知识有限，难免会遇到很多问题，有些问题能够自己查阅书籍解决，但更多还是靠身边的同学的全心指导和帮助，才使得很多看似很难的问题得以解决，并且为自己节约了很多时间去研究其他的部件。不懂就问、团结合作，没有什么问题是战胜不了的。

最后，对我以后的工作产生了一定的积极影响。第一，在专业知识方面，又有了新的积累和增长，如知道了如何用Multisim去实现电路图的连接和仿真，知道了MAX038在电路中的作用以及如何去实现它等等。第二，也是对我耐心和毅力的一种考验，懂得了做设计要有耐心和决心，要克服不骄不躁的心里劣势，一次不成再来下一次，只要心里清楚原理图正确，那么结果肯定会出来的。

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评 语

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