简易矩形波发生器报告

数字电路设计研讨

－－简易矩形波信号发生器

姓名：尹晨洋

学号：13211023

班级：通信1301

同组成员:程永涛

学号：13211007

指导老师：任希

目录

一、综述************************************************************ 1

二、电路元件结构及工作原理***************************** 1

1）、555计数器******************************************************** 1 2）、74ls160同步计数器************************************************ 2 3）、74ls175 4位寄存器************************************************* 4三、频率可调的矩形波发生器***************************** 4 1）、频率可调的矩形波发生器电路图仿真电路图******************************* 4 2）、频率可调的矩形波发生器工作原理分析*********************************** 4 3）、仿真结果分析******************************************************** 5四、可显示频率计数器***************************************** 6 1）、可显示频率计数器仿真电路图******************************************** 6 2）、工作原理分析********************************************************* 6 3）、仿真结果分析********************************************************** 7 4）、实验误差************************************************************** 9

五、总结与体会************************************************** 9

六、参考文献******************************************************* 9

一、综述

信号发生器是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备。在测量各种电信系统或电信设备的振幅特性、频率特性、传输特性及其它电参数时，以及测量元器件的特性与参数时，用作测试的信号源或激励源。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，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。早在二十年代，当电子设备刚开始出现时，信号发生器就出现了，随着通信和雷达技术的发展，四十年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器成为定量分析的测量仪器，同时还出现了可用来测试脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，因此发展速度较慢。直到1964年才出现了第一台全晶体管的信号发生器。自六十年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展。而矩形波发生电路在测量、自动控制、通讯、无线电广播和遥控等许多技术领域中有着广泛的应用，甚至在收音机、电视机和电子表等日常生活用品中也离不开它。总之矩形波发生电路广泛地用于工业生产、科学实验和日常生活等各个领域中。

二、电路元件结构及工作原理

1）、555计数器

图1 555计数器具体内部电路

共组原理分析：555计数器内部包括3个等值电阻构成的分压器和运放构成的比较器和基本RS触发器和三极管构成的功率输出级。它提供两个基准电压TH为VCC /3 和TR为 2VCC /3 。555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 SR 触发器和

放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC /3，C2的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3则比较器C2的输出为0可使SR 触发器置1，使输出端OUT=1。如果阈值输入端TH 的电压大于2/3VCC ，同时TR 端的电压大于VCC /3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将SR 触发器置0，使输出为0电平。 R U

TH U TR U OUT 放电端Ｄ ０

ｘ ｘ ０ 与地导通 １

DD U 32> DD U 31> ０ 与地导通 １

DD U 32< DD U 31> 保持原状态不变 保持原状态不变 １

DD U 32< DD U 31< １ 与地断开

表1 555定时器功能表

利用Uth 和Utr 同时大于0或小于0即可产生矩形波。

2）、74ls160同步计数器

图2 74ls160同步计数器引脚图

工作原理分析：这种同步可预置十进制计数器是由四个D 型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。对所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作。这种工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器。电路有全独立的时钟电路。改变工作模式的控制输入（使能ENP 、ENT 或清零）纵使发生变化，直到时钟发生为止，都没有什么影响。计数器的功能（不管使能、不使能、置数或计数）完全由稳态建立时间和保持时间所要求的条件来决

定。

表2 74ls160功能表

从功能表的第一行可知，当CR＝0（输入低电平），则不管其他输入端（包括CP端）状态如何，四个数据输出端Q A、Q B、Q C、Q D全部清零。由于这一清零操作不需要时钟脉冲CP 配合（即不管CP是什么状态都行），所以CR为异步清零端，且低电平有效，所以该计数器具有“异步清零”功能。

从功能表的第二行可知，当CR＝1且LD＝0时，时钟脉冲CP上升沿到达，四个数据输出端QA、QB、QC、QD同时分别接收并行数据输入信号a、b、c、d。由于这个置数操作必须有CP上升沿配合，并与CP上升沿同步，所以称那么该芯片具有“同步置数”功能。

从功能表的第三行可知，当CR＝LD＝1，CTr＝CTp＝1时，则对计数脉冲CP实现同步十进制加计。

而从功能表的第四行又知道，当CR＝LD＝1时，只要CTr和CTp中有一个为0，则不管CP状态如何（包括上升沿），计数器所有数据输出都保持原状态不变。因此，CTr和CTp 应该为计数控制端，当它们同时为1时，计数器执行正常同步计数功能；而当它们有一个为0时，计数器执行保持功能。

另外，进位输出Qcc= CTr·Q0·Q1·Q2·Q3表明，进位输出端仅当计数控制端CTr＝1且计数器状态为15时它才为1，否则为0

3）、74ls175 4位寄存器

图3 74ls175引脚图

工作原理分析：当CR＝0（输入低电平）时，输出端异步清零。

当CR＝1（输入高电平）时，在CP上升沿作用下，将输入端D0~D3送入触发器输出端锁存，在CP非上升沿情况下，输出端与输入端D0~D3无关

三、频率可调的矩形波发生器

1）、频率可调的矩形波发生器电路图仿真电路图

图4 频率可调的矩形波发生器电路图

2）、频率可调的矩形波发生器工作原理分析

由555定时器构成的多谐振荡器如图所示，R1，R2和C（C由C3、C4、C5、C6、C7、C8、C1构成）是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C5的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处（引脚标号见图1）。

由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电

源经R2，R1对电容C 充电，使电压uc 按指数规律上升，当uc 上升到（2/3）Vcc 时，输出uo 为低电平，放电管VT 导通，把uc 从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc 这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH 的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数T=（R1＋R2）C 。所以可求得振荡频率为C

R R f )2(43.121+=。 开关全部闭合，记开关状态为000000，此时C=6.4uF,输出out 频率为Hz f 10=。 S6断开，开关状态为000001，此时C=C4//C7=3.2uF,输出out 频率为Hz f 20=

S5断开，开关状态为000010，此时C=C4//C9=2.33

2?uF,输出out 频率为Hz f 30= S6，S5断开，开关状态为000011，此时C=C4//C7//C9=1.6uF,输出out 频率为Hz f 40=

以此类推，可以通过开关S6~S1不断调节C 的大小，开关从000000~111111可使频率从10Hz 到640Hz 变化，频率可调，步进为10Hz 。

3）仿真结果分析

i ）开关状态为000001时，输出20HZ ，见图5

图5

ii ）开关状态为111111时，输出为643Hz ，见图6。

图6

四、可显示频率计数器

1）、可显示频率计数器仿真电路图

图7 具体电路：

图8 寄存器与数码管部分

图9 计数器部分

图10 矩形波发生器

2）、工作原理分析

信号发生器XFG1为频率0.5Hz的方波，信号发生器XFG2为需要测试的方波频率。

当XFG1输入高电平1时，持续1s，计数器74ls160的CLR=1,在XFG2的时钟脉冲下降沿实行计数功能。当QA=QD=1（即计数到9）时，通过与非门反馈至LOAD端和下个74ls160的ENT端，使在下一个CP下降沿的时候该计算器置零并且下个74ls160加一，如此可实现十进制数的计数功能。

当XFG1下降沿的时候（从高电平变为低电平），锁存器将计数器的输出端数据送入8段数码管并且显示出来（如图，从右到左依次为百位、十位、个位），同时通过6个7404N 非门使XFG1的低电平到来延时，使数码管显示数据后再对计数器实现清零。

在下一次XFG1输入高电平1时，重新开始计算，下一次下降沿时可再一次显示频率，使数码管能够每2秒刷新一次频率。

3）、仿真结果分析

当S1~S6为0000010时，矩形波发生器产生频率为20HZ的矩形波，在频率计数器上显示为19HZ与计算大致相同

图11

波形为：

图12

当S1~S6为0000100时，矩形波发生器产生频率为30HZ的矩形波，在频率计数器上显

示为32HZ与计算大致相同

图13 波形为：

图14

4）、实验误差

实验的实际显示频率和理论值有一定的误差，是因为在频率的选取推导中忽略了放电开关T的电阻，使得存在误差。但误差较小，根据结果显示最终误差在5hz以内。

五、总结与体会

在这次实验仿真，我将平时学习到的书本知识运用到了实际中，加深了我对知识的理解，同时也锻炼了我查找集成芯片和它们相应的引脚图及功能表的能力，并且我也感受到平时生活工作中一个严谨认真的态度的重要性，例如在这次试验中平时在我们开来很简单的一个计数器级联构成多位计数器，却让我犯了愁，应为我在设计好电路后发现在触发器上方的后两个数码管始终没有显示，在我大概重新连接了两遍之后我才发现我没有设置对三个74ls160统一的始终导致后两个根本不计数。同时，在试验中有一些知识也是要我们自己去积累的，例如，在用555定时器设计方波发生器时，仿真过程中，multisim中的频率计数器起先一直不能显示频率，后查阅资料后发现其灵敏度（RMS）不能超过输出电压的0.707倍，而初始默认值过大，在不断调低灵敏度电压后，发现在500mv时能够显示频率

最后，我认为能在学习数电后自己能设计一个在实际中有用的东西，给我带来了很高的满足感，感觉自己学到了有用的知识。

六、参考文献

[1]侯建军.数字电子技术基础[M]. 高等教育出版社，2007，12

[2]张庆玲.频率和幅度可控制的信号发生器.西安航空技术高等专科学校 2008年第6期