信号发生器的设计实现

电子电路综合设计

总结报告

设计选题

——信号发生器的设计实现

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2012

摘要

本综合实验利用555芯片、CD4518、MF10和LM324等集成电路来产生各种信号的数据，利用555芯片与电阻、电容组成无稳态多谐振荡电路，其产生脉冲信号由CD4518做分频实现方波信号，再经低通滤波成为正弦信号，再有积分电路变为锯齿波。此所形成的信号发生器，信号产生的种类、频率、幅值均为可调，信号的种类、频率可通过按键来改变，幅度可以通过电位器来调节。信号的最高频率应该达到500Hz以上，可用的频率应三个以上，T,2T,3T或T,2T,4T均可。信号的种类应三种以上，必须产生正弦波、方波，幅度可在1~5V之间调节。在此过程中，综合的运用多科学相关知识进行了初步工程设计。

设计选题：

信号发生器的设计实现

设计任务要求：

信号发生器形成的信号产生的种类、频率、幅值均为可调，信号的种类、频率可通过按键来改变，幅度可以通过电位器来调节。信号的最高频率应该达到500Hz以上，可用的频率应三个以上，T,2T,3T 或T,2T,4T均可。信号的种类应三种以上，必须产生正弦波、方波，幅度可在1~5V之间调节。

正文

方案设计与论证

做本设计时考虑了三种设计方案，具体如下：

方案一

实现首先由单片机通过I/O输出波形的数字信号，之后DA变换器接受数字信号后将其变换为模拟信号，再由运算放大器将DA输出的信号进行放大。利用单片机的I/O接收按键信号，实现波形变换、频率转换功能。

基本设计原理框图（图1）

时钟电路

系统的时钟采用内部时钟产生的方式。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。晶振频率为11.0592MHz，两个配合晶振的电容为33pF。

复位电路

复位电路通常采用上电自动复位的方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。

程序下载电路

STC89C51系列单片机支持ISP程序下载，为此，需要为系统设计ISP下载电路。系统采用MAX232来实现单片机的I/O口电平与RS232接口电平之间的转换，从而使系统与计算机串行接口直接通信，实现程序下载。

方案一的特点：

方案一实现系统既涉及到单片机及DA、运放的硬件系统设计，

又有单片机的软件编程，其波形产生原理与目前数字波形产生的主流技术DDS是很相似的，对于能力的培养是较为全面的。而且，系统产生的波形种类、频率等参数可以很容通过软件的更新而改变。

方案二

基本设计原理框图（图2）

由555芯片与电阻、电容组成无稳态多谐振荡电路，利用电位器调整脉冲信号输出频率，经过加法计数器CD4518分频后，输出方波信号。方波信号经过低通滤波后，变为正弦信号。方波信号经过积分后，变为锯齿波信号。

方案二的特点：

方案二运用集成电路555配合模拟电流实现了方波、正弦波、三角波，实现较为简单。但灵活性较差，每产生一个波形，就要设计相应的模拟电路，对于复杂波形，电路也会更复杂。能很好的熟悉模拟

电路。

方案三

采用集成运放如（LM324）搭建RC文氏正弦振荡器产生正弦波，正弦波的频率，幅度均可调，再将产生的正弦波经过过零比较器，实现方波的输出，再由方波到三角波和锯齿波。

基本设计原理框图（图3）

方案三的特点：

电路简单，在集成运放的作用下，可以较容易的测到所需的波形。通过调整参数可以得到较完美的波形。但由于电路过于简单，使系统产生的波形种类、频率等参数不易调节，不能很好地实现设计任务的要求。

经过对比，决定采用第二种方案，因为第二种设计方案更能直观的体现出自己的设计思路，相比第一种设计方案来说更易实现且省去了大量编程的困难，本人对变成不太擅长。而且可以通过设计相应的模拟电路来熟悉各个器件。相对于第三个方案来说第二个设计方案能更好的实现设计任务要求，且适合自己的难度系数。

理论计算

555脉冲产生电路的参数计算

根据实验指标要求，设计系统产生信号最高频率应大于500Hz。555电路产生脉冲的频率稳定度比较差，需要对脉冲进行分频，这样最终信号的频率就比较稳定。而产生正弦波信号需要的开关电容滤波器需要正弦信号频率100倍或50倍的时钟信号。根据555无稳态多谐振荡电路特性，所产生的脉冲的周期为

T=0.693*(R1+R2)*C

按照电路所示的参数，可以保证脉冲频率达到50kHz。

555脉冲产生电路（无稳态多谐振荡电路）

方波产生（脉冲分频）电路设计

对脉冲信号的分频采用十进制同步加法计数器CD4518。CD4518有两个十进制加法计数器，利用两个计数器级联，实现对脉冲信号的100分频。分频后的信号就是占空比50%的方波信号。同时，以脉冲信号的2分频信号作为开关电容滤波器MF10的时钟信号。

方波产生电路图

（CD4518芯片8管脚接GND，16管脚接+5V）

正弦波产生电路设计

对方波信号进行低通滤波，就可以产生正弦波信号。但由于要求信号的频率可调，这就要求低通滤波器的截止频率是可调的。因此，系统采用开关电容滤波器MF来实现系统的低通滤波。MF10可以根据输入时钟的变化自动改变低通滤波器的截止频率。MF10的时钟信号由555产生的脉冲信号经4518计数器2分频整形后提供。以方波信号作为MF10的输入。

正弦波产生电路

三角波产生电路设计

对方波信号进行积分，即可获得三角波。

首先，必须滤除方波信号中的直流分量，否则会发生积分饱和，三角波信号不能产生。电路采用了两个104电容来实现。积分电路的时间常数T=R6*C6, 积分时间常数必须谨慎选取。首先，积分常数的选取，必须保证在整个积分周期内，运放不会发生积分饱和。只有在积分时间常数T较大时，积分电流才近似恒定，积分波形较为准确，因而一般应该使积分时间常数T大于几倍的输入方波时间周期。对积分电容，还应该并联一个积分飘移泄漏电阻，防止由于发生积分飘移而发生积分饱和的现象。积分飘移泄漏电阻的阻值应至少为积分电阻10

倍。