壓控階梯波發(fā)生器的設計與制作

1、 前 言此次實驗是在我們學習了模擬電子技術基礎和數(shù)字電子技術基礎等課程的基礎上進行的綜合性訓練。它不僅培養(yǎng)了我如何合理運用課本中所學到的理論知識與實踐緊密結合，更提高了我們獨立解決實際問題的能力。本次課程設計的的壓控階梯波發(fā)生器是利用不同功能的芯片和邏輯電路構成的數(shù)字與模擬電路，其中所需的芯片如計數(shù)器、OP07放大器等，它與我們所學的數(shù)、模電密切相關。數(shù)字、模擬電子技術是電子、通信專業(yè)的重要基礎課程，其特點之一是實踐性強，電子技術專業(yè)設計，是依據(jù)教學、科研、生產(chǎn)的要求，熟悉與掌握電子電路的設計、安裝、調(diào)試的過程，是通過理論指導實踐，并轉化為實用電路與電子產(chǎn)品的過程，要想較好的掌握電子技術，就要

2、求在熟悉電子電路基本器件的原理上、基本電路的組成與分析方法的基礎上，更要掌握電子器件和基本電路的應用，實踐是科學發(fā)展的重要手段，也是電子電路教學過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，因此電子電路課程設計也是其教學過程的重要組成部分。通過此次“電子技術綜合課程設計”我們應達到以下的基本要求：一、綜合運用電子技術課程中所學到的理論知識來獨立完成此次設計課題，培養(yǎng)我們查閱手冊和文獻資料的良好習慣，以與培養(yǎng)我們獨立分析和解決實際問題的能力。二、在學習了理論知識的基礎上進一步熟悉常用電子器件的類型和特征，并掌握合理選用的原則。三、學會電子電路的安裝與調(diào)試技能，以與與同組的組員的團結合作的精神。四、為了滿足學生對電工、電

3、子技術課程的實踐需求，學校特地給我們提供了為期三周的課程設計時間，這門課程將電子技術基礎理論與實際操作有機地聯(lián)系起來，意在加深我們對所學理論課程的理解。通過讓我們運用已基本掌握的具有不同功能的單元電路的設計、安裝和調(diào)試方法，在單元電路設計的基礎上，設計出具有各種不同用途的電子裝置。深化所學理論知識，培養(yǎng)綜合運用能力，增強獨立分析與解決問題的能力。訓練培養(yǎng)嚴肅認真的工作作風和科學態(tài)度。同時，它也培養(yǎng)我們查閱資料的能力和學生的工藝素質(zhì)，培養(yǎng)我們的團隊精神以與綜合設計和實踐能力。就是培養(yǎng)我們嚴肅認真的工作作風和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度以與學會撰寫課程設計報告，為以后畢業(yè)論文打好基礎。1.任務書壓控階梯波發(fā)生器

4、的設計與制作一、 任務和要求：設計并制作一個壓控階梯波發(fā)生器，要求如下：1、輸出階梯波的波形如圖示，頻率f與電壓Vc的函數(shù)關系為：f=1/T=100Vc（Hz/V）式中控制電壓Vc的變化圍為+1V+10V；圖1-1 階梯波圖形2、階梯波的實際頻率與按上述函數(shù)關系計算所得數(shù)值相比，誤差不超過±5%；3、輸出電壓Vo的實際值與理論值相比，誤差不超過±10%；4、設計并制作本電路所用直流穩(wěn)壓電源，用AC220V供電。二、 提示和參考文獻1、壓控振蕩器參閱模擬電子技術（第二版）第九章附錄9A；2、D/A轉換器采用電子技術基礎課程設計參考資料第一章圖1-29的右半部分。2.設計方案的

5、選擇2.1提出方案根據(jù)設計要求，該課題首先要有一個V/F變換器，將外加直流控制電壓Vc變?yōu)槊}沖信號，如何把脈沖信號變成周期與其頻率有關的階梯信號，考慮到先通過一個計數(shù)器對其計數(shù)，利用計數(shù)器輸出各Q端產(chǎn)生規(guī)律性的高低電平，再通過一個DA轉換器，把計數(shù)器輸出的脈沖信號相加，例如，起始計數(shù)器輸出Q2Q1Q0=000,即各輸出端均為零電平，產(chǎn)生的電流I0=I1=I2=0,D/A輸出電壓亦為零電平。第一個CP,Q2Q1Q0=001,這時,I0=I2=0,但I0不為零,輸出電平亦不為零,產(chǎn)生第1個臺階.第二個CP,Q2Q1Q0=010,I0=I2=0,但I10，若選取權電阻使I1=2I0,則在D/A輸出端

6、產(chǎn)生的電壓即為第一個CP期間產(chǎn)生電壓的2倍,產(chǎn)生第2個臺階.第三個CP,Q2Q1Q0=011,則D/A輸出電壓為第一個CP期的3倍,如此下去,需要產(chǎn)生多少個臺階,決定計數(shù)器的計數(shù)長度,如第四個CP,Q2Q1Q0=100.只有Q2輸出為高電平,若選取權電阻使其產(chǎn)生的電壓為第一個CP時的4倍,4個臺階已產(chǎn)生,一個壓控階梯波的周期已完成,再來一個CP,應取Q2Q1Q0=000，周而復始.由上分析,本課題要產(chǎn)生的如圖3-6-1的壓控階梯波電壓波形,只需設計一個五進制同步加法計數(shù)器即可,而D/A為權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器.本課題設計方案的方框圖如圖2-1所示.圖2-1 壓控階梯波形發(fā)生器原理方框圖2.2方

7、案論證數(shù)字電路精確度較高、有較強的穩(wěn)定性，可靠性和抗干擾能力強，數(shù)字系統(tǒng)的特性不易隨使用條件變化而變化，尤其使用了大規(guī)模的集成芯片，使設備簡化，進一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在計算精度方面，模擬系統(tǒng)是不能和數(shù)字系統(tǒng)相比擬的。為此，許多測量儀器為滿足高精度的要求，只能采取數(shù)字系統(tǒng)。 數(shù)字系統(tǒng)有算術運算能力和邏輯運算能力，電路結構簡單，便于制造和大規(guī)模集成，可進行邏輯推理和邏輯判斷；具有高度的規(guī)性，對電路參數(shù)要求不嚴，容易大規(guī)模集成和大規(guī)模生產(chǎn)，價格不斷降低，這也是其發(fā)展迅速的原因之一，由于采用了大規(guī)模集成電路，數(shù)字系統(tǒng)體積小重量輕，可靠性強，使用方便靈活。另外，由于數(shù)字電路功耗低，因而可以有

8、很高的集成度，也就是功能更強大。數(shù)字信號處理具有穩(wěn)定、不需要調(diào)試、設置和修改方便，容易實現(xiàn)自適應處理，等等，這些都是數(shù)字電路比模擬電路優(yōu)越的地方。具有算術運算能力和邏輯運算能力，可進行邏輯推理和邏輯判斷。為了得到更精確的波形，采用數(shù)?；旌戏桨妇哂兴阈g運算能力和邏輯運算能力，可進行邏輯推理和邏輯判斷。3.單元電路的設計 V/F變換器的方案選擇和電路設計 V/F變換器的功能是將模擬信號電壓變換成頻率與之電壓成正比的數(shù)字信號，本課題要求控制電壓Vc與階梯波的壓頻比為100Hz/V.研究圖1-1給定的波形圖，一個壓控階梯波為5個臺階，或者說，在一個周期T，每個階梯占有的時間為1/5T，若以變換后的脈沖

9、信號作為計數(shù)器的時鐘CP，實際的壓頻比應為500Hz/V，即外加電壓Vc為1V時，輸出脈沖頻率為f=500Hz. 設計方案的選擇V/F為500Hz/V,可直接選用專用的壓頻變換器，精度高、線性度好如AD650、AD654,但價格較貴。在精度要求不太高的情況下，可采用集成運算放大器組成簡單的壓頻變換電路。其中，電荷平衡式壓頻變換電路，精度可以在1%以下，而本課題要求為5%，完全可以達到設計要求。 電路與電路參數(shù)選擇 選擇電荷平衡方式壓頻變換電路如圖3-1所示。圖中A1組成積分電路，A2為滯回電壓比較器，D1為電子開關，工作原理如下：A1、R1、C1組成積分電路，A2、R3、R4組成滯回比較器，輸

10、出電壓u02的幅值經(jīng)穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，D1,R6組成電子開關，當u02為+uZ，D1截止，相當于開關斷開，u01的變化由積分電路參數(shù)決定，當u02為-uZ時，D1導通，相當于開關閉合，電容上充電電荷將通過D1,R6釋放，使u01產(chǎn)生突跳，u01、u02的波形如圖3-2所示圖3-1 電壓-頻率變換電路原理圖圖3-2 V/F 變換電路波形的分析由于（R6+rd1）C1<<R1C1,故T1>>T2.故該電路的振蕩周期T=T1+T2T1.可求得T= f= =當電路參數(shù)取定，則振蕩頻率f與外加控制電壓UC成正比。選DZ為2CW53，兩只對接，穩(wěn)壓值為+5V,即uz=5V，取C1=1

11、uF,R1=10K，當UC=1V時，則有=500=5取R3=1K,R4為一個10K電阻和一只100K電位器串聯(lián)。（2）五進制同步加法計數(shù)器的設計五進制同步加法計時器可以選用3片小規(guī)模集成JK，D觸發(fā)器組合而成，還可以用1片中規(guī)模集成計數(shù)器如74LS160,74LS161,等接成一個五進制計數(shù)器。相比較本課題選用以片集成同步加法計數(shù)器74LS160組成一個五進制計數(shù)器，電路如圖3-3 所示。采用量數(shù)法，置數(shù)端D3D2D1D0=0000,其狀態(tài)轉換圖如圖3-4，當Q3Q2Q1Q0=0100時，LD=0,第5個CP上升沿到來時，狀態(tài)轉入Q3Q2Q1Q0=0000.圖中，反相器74LS04，也可用四二

12、輸入與非門74LS00,接成反相器。 施密特觸發(fā)器具有波形整形作用，同時又具有反相、延時、波形變換、檢幅等功能，其管腳排列如下圖3-5所示圖 3-3 五進制同步加法計數(shù)器圖 3-4 狀態(tài)轉換圖圖3-5 74LS04部管腳圖 （3）D/A轉換加法器的設計D/A的功能是將計數(shù)器Q端輸出的高低電平轉換成權電流相加，在輸出端產(chǎn)生階梯電壓，選擇電路如圖3-6所示。圖 3-6 D/A轉換電路由狀態(tài)轉換圖，Q3端沒有用上，故Q3端開路，Q0、Q1、Q2分別極電阻R9,R8,R7.取值為 R9=4R , R8=2R, R7= R,以實現(xiàn) I1=2I0,I2=4I0, 由R10引入負反饋，使運放A3反相輸入端電

13、壓UN0（虛地點），故有： I0+I1+I2=I U03=-IR0取R9=40K（39k） ，則R8=20K ,R7=10K,R10的計算如下; 設計數(shù)器輸出高電平UQ=3.4V,當Q2Q1Q0=001時，U03=-1V,此時有I1=I2=0,I0=I,即：UQ0R7=-UO3R10暫取R10=1K，在調(diào)試過程中，若臺階電壓間隔偏離1V過大，可適當調(diào)整。圖3-6電路實際上是一個反相求和電路，獲得的階梯波電壓為負臺階，故在D/A后面要接一個反相器（反相比例運算電路的比例系數(shù)為-1）如圖3-7 所示。（4）反相器電路模塊設計圖 3-7 電路實際上是一個反相求和電路，獲得的階梯波電壓為負臺階，故在D

14、/A后面要接一個反相器 （反相比例運算電路的比例系數(shù)為-1-10可調(diào)） 如圖3-7所示集成運放有同相輸入端和反相輸入端，這里的“同相”和“反相”是指運放的輸入電壓與輸出電壓之間的相位關系。根據(jù)電路要求，選用集成運放的反相輸入端。 反相比例運算電路是典型的電壓并聯(lián)負反饋電路。輸入電壓通過電阻作用于集成運放的反相輸入端，故輸出電壓 與輸入電壓 反相。同相輸入端通過電阻接地，為補償電阻，以保證集成運放輸入級差分放大電路的對稱性。參數(shù)選擇：取R11 =1K，R12=10K的電位器，調(diào)整R12 阻值來調(diào)節(jié)階梯波幅值的大小。圖 3-7 反相比例分解電路（5）電源模塊 本課題為模擬電路與數(shù)字電路組成的混合電

15、路，首先要注意電源電壓的選擇。模擬電路選用的A1A4均為雙電源集成運放OP07，應選擇正，負電源供電，電源電壓為+12V+15V，選擇模擬電路電源電壓為+12V。數(shù)字電路主要是計數(shù)器74LS160，+5V電源電壓供電，3組電源要共地.電路圖如3-8.圖3-8 電源電路圖4總電路圖由上設計，得壓控階梯波發(fā)生器總電路原理圖如圖4-1所示。圖 4-1 壓控階梯波形發(fā)生器總電路圖圖中A1A4均選用集成運放op07，uC電壓可通過一個-12V電源經(jīng)電位器RP分壓獲得。5安裝與調(diào)試首先用萬用表對元器件進行測試，確定元器件完好。然后測試面包板，確定面包板的導通狀態(tài)（橫向?qū)ㄟ€是縱向?qū)ǎ?，然后按照所設計的電

16、路圖進行布線，要求連線盡量整齊、簡明。 然后按照電路原理圖連線。對每個模塊可以分別連線然后分別檢查。確定各個模塊功能無誤之后再對各模塊連接以檢查模塊間的匹配問題（1）本課題為模擬電路與數(shù)字電路組成的混合電路，首先要注意電源電壓的選擇。模擬電路選用的A1A4均為雙電源集成運放OP07，應選擇正，負電源供電，電源電壓為+12V+15V，選擇模擬電路電源電壓為+12V。OP07的管腳排列如圖5-1。數(shù)字電路主要是計數(shù)器74LS160，+5V電源電壓供電，3組電源要共地圖5-1 OP07管腳圖（2）本電路適于分級安裝調(diào)試，逐級推進 V/F電路的安裝與調(diào)試按電路圖3-1中的V/F電路組裝好電路，加上電源

17、電壓，調(diào)RP使UC=+1V,從UC端口輸入。用示波器觀察U01,U02的波形，并與圖3-2進行比較，若無波形或波形不正常，檢查并調(diào)整電路的步驟如下：a,檢查OP07的腳與腳電位，判斷電源是否加上；b，用萬用表測量U02是否是+5V或-5V；c,調(diào)R4中的100K的電位器，反復調(diào)節(jié)，用示波器觀察有無振蕩波形出現(xiàn)。若以上步驟仍無振蕩波形出現(xiàn)，即檢查C1有沒有接上或接錯，D1極性有沒有接錯，A2的腳是否為零電位等。若壓一頻比在低端或高端的誤差已超過+5%，應重新調(diào)整，例如調(diào)R4使最大誤差縮小，并使VC=+5V時適當偏離2500Hz。分析誤差a電路固有誤差由于電路頻率參數(shù)是由改變T2來近似實現(xiàn)，在T2

18、較小，即頻率較高時T1相對所占比例增大所帶來的誤差。b穩(wěn)壓二極管引入的誤差由于隨著頻率的改變，穩(wěn)壓二極管兩端的電壓有波動，采用的是兩個單向穩(wěn)壓管對接的方法實現(xiàn)雙向穩(wěn)壓，所以在電壓波動較大時有小許波動，而穩(wěn)壓二級管的穩(wěn)壓值對V/F有影響。 計數(shù)器的安裝與調(diào)試按圖3-3中計數(shù)器電路組裝模五計數(shù)器，74LS160的管腳圖如圖5-2接通+5V直流電源，將前級V/F電路輸出U02作為計數(shù)器時鐘CP，示波器觀察Q0,Q1,Q2。波形應符合圖3-2。圖3-6-10 五進制計數(shù)器各Q端波形圖圖5-2 74LS160管腳圖本次調(diào)試可能出現(xiàn)的問題是：a,前級波形不能觸發(fā)計數(shù)器計數(shù)，用示波器觀察U02接入74LS1

19、60的CP輸入端，幅值降到1V以下，甚至為零。主要問題是前后級阻抗不匹配。解決方法之一，在前級U02輸出再接一只反相器隔離；方法之二，在前后級間串入一只1K以下小電阻，改善輸入狀況。b，計數(shù)器輸出波形混亂，與圖3-2相差很大。主要原因是74LS160芯片接觸不好，引線連接有錯，屬于安排工藝問題，當然也有其自身質(zhì)量問題。 D/A反相器電路的安裝與調(diào)試接通電源。本級在計數(shù)器正常工作情況下，U03，U04波形的出現(xiàn)沒有難度。但根據(jù)設計要求，要調(diào)整臺階電壓以滿足每階1V+10%的要求，分兩種情況:a.臺階均勻，但每階幅度偏小或偏大，主要是R12取值不合理，可根據(jù)實際情況改變R12阻值，直到達到設計要求

20、。b.臺階間隔有大，有小，不均勻主要是74LS160各Q端輸出高電壓幅值相差較大?？空{(diào)整電阻R7,R8,R9很難解決，方法一是更換計數(shù)器芯片；方法二是在計數(shù)器輸出與A/D之間串入CMOS緩沖器，如CC4010，因CMOS電路輸出高電平VOH=VCC，且一致性較好。六同相緩沖器CC4010的接入增加了電路的復雜性與成本。只要每階幅值誤差在設計圍，一般不加入緩沖器。6 .小結 通過本次電子技術綜合課程設計，總結如下：a.臺階均勻，但每階幅度偏小或偏大，主要是R12取值不合理，可根據(jù)實際情況改變R12阻值，直到達到設計要求。b.臺階間隔有大，有小，不均勻主要是74LS160各Q端輸出高電壓幅值相差較

21、大?？空{(diào)整電阻R7,R8,R9很難解決，方法一是更換計數(shù)器芯片；方法二是在計數(shù)器輸出與A/D之間串入CMOS緩沖器，如CC4010，因CMOS電路輸出高電平VOH=VCC，且一致性較好。六同相緩沖器CC4010的接入增加了電路的復雜性與成本。只要每階幅值誤差在設計圍，一般不加入緩沖器。為期三周的的電子課程設計很快就結束了，這四周給我的感觸很深、收獲很多：經(jīng)過查資料、選方案、設計電路、撰寫設計報告、使我得到一次較全面的工程實踐訓練。理論聯(lián)系實際，提高和培養(yǎng)創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程的學習，畢業(yè)設計打下扎實的基礎。我們的課設題目由于基礎知識運用不靈活沒能如期完成，小組成員都沒有放棄，充分利用課余時間去實驗室，咨詢老師和助教，終于在多番周折之后成功做出了完整的五階階梯波。在此次的電路設計過程中,我更進一步地熟悉了芯片的結構與掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法，夯實了數(shù)點模電基礎，懂得了如何靈活運用學過的知識，不盲目拘泥課本，根據(jù)實際情況選取最優(yōu)化的電路。積極地參與電子課程設計設計，不僅讓我充分的體會到自己動手實踐的樂趣，獲得哪怕是前進一小步時候的那種成功的喜悅，還能學到很多我們在理論課中學不到的知識。有利于我們學習能力的提高。包括獲取資料的能力、理解前人思路的能力、系統(tǒng)設