北京交通大学-电子系统课程设计报告

国家电工电子实验教学中心电子系统课程设计设计报告设计题目：李沙育图形信号产生电路学院：电子信息工程学院专业：自动化学生姓名：学号：任课教师：张宇威2013 年7 月17 日目录1 设计任务要求 (1)2 设计方案及论证 (1)2.1 任务分析 (1)2.2 方案比较 (2)2.3 系统结构设计 (3)2.4 具体电路设计 (3)3 制作及调试过程 (7)3.1 制作与调试流程 (7)3.2 遇到的问题与解决方法 (8)4 系统测试 (8)4.1 测试方法 (8)4.2 测试数据 (12)4.2 数据分析和结论 (13)5 系统使用说明 (13)5.1 系统外观及接口说明 (13)5.2 系统操作使用说明 (13)6 总结 (14)6.1 本人所做工作 (14)6.2 收获与体会 (15)6.3 对本课程的意见与建议 (16)7 参考文献 (17)1 设计任务要求李沙育图形信号产生电路可用中规模数字、模拟集成电路和可编程逻辑器件构成，主要由波形产生电路、滤波电路和移相电路等构成。

通过波形产生电路、滤波电路和移相电路等电路参数设计，可以夯实电子技术课程的基本概念和基础理论，为后续专业课程设计打下良好的基础。

通过李沙育图形信号产生电路的设计，掌握波形产生电路、滤波电路和移相电路的精确设计，评价相移电路的误差原因，加深对相关理论的深刻理解。

掌握调节波形发生器、滤波电路和相移电路的主要参数特性及其测试方法，掌握增加显示图形精度的方法，提高学生理论和实际相结合的能力。

2 设计方案及论证2.1 任务分析1、设计并制作一个产生两路正弦信号的电路（基准频率20KHz左右），分别作为示波器的X、Y轴输入，在双路示波器显示，要求比例分别为1:2、1:4。

图2-1 基本要求显示图形分析：基准频率为20KHz的正弦波可采用文氏桥正弦波振荡器产生，分频实现方法可以使用.集成二进制计数器74LS161、四位通用移位寄存器74LS195或者D触发器74LS74并加入一些逻辑关系达到三种分频输出。

2、设计并制作一组移相分别为0°、45°、90°、180°的移相电路。

完成对基准正弦信号的移相，作为Y轴信号。

要求移相电路的增益为1，增益误差不大于5%，移相误差不大于5°，产生如图2-2所示的基频、二分频、四分频的不同移相的李沙育图形。

分析：移相电路可以选择有源RC移相电路（0-360度可调）或者可以选择无源RC移相电路（0-180度可调），不但能实现移相功能，同时可以误差范围内保证增益为1 。

3、设计并制作一个单位增益的程控移相电路，使得上述四路信号能够自动循环显示，要求每秒更换一次相位。

分析：程控移相电路可以使用四位通用移位寄存器74LS195或者3线－8线译码器74LS138和集成二进制计数器74LS161来循环产生高电平，使用555定时器产生1Hz的定时脉冲，同时通过双控型继电器来控制移相通道的开断。

4、改进电路，产生比例为1:3的两路正弦信号，并输入示波器，观察显示的图形，产生如图2-3的三分频的不同相移的李沙育图形。

分析：采用集成二进制计数器74LS161，四位通用移位寄存器74LS195，D 触发器74LS74同样可以实现3分频。

0°180°90°45°1:11:21:4图2-2 发挥部分显示图形1:30°180°90°45°图2-3 附加部分显示图形2.2 方案比较1、首选方案：信号源采用文氏桥产生正弦波形，并通过LM324运放电路向下进行系统的级联，可以取得较好的抗噪和高驱动能力。

使用555施密特触发器进行方波到正弦波转换，信号的频率信息转换到矩形波中，再利用后者对分频电路输入脉冲计数。

分频电路采用移位寄存器74LS195和非门74LS00实现时序上的二分频、四分频、三分频等，并输出相应的方波波形。

利用有源滤波电路（RC 负反馈LM324电路）实现方波到三角波的积分变换，再由无源滤波RC 电路对三角波进行滤波，获得无谐波成分的正弦波基波。

再利用LM324运放电路调节输出正弦波的幅值，以获得符合要求的分频输出结果。

移相电路可以采用无源RC 电桥网络实现0°到180°的延迟移相。

自动移相则考虑用继电器直接控制移相电路的接入，继电器则使用移位寄存器74LS195或者3线－8线译码器74LS138和集成二进制计数器74LS161来循环产生高电平移位码，利用555定时器产生1Hz的定时脉冲加以控制。

2、备选方案：对首选方案中的555施密特触发器，尝试用LM324过零比较器或者339正弦波-方波转换器替代。

分频电路也可以采用集成二进制计数器74LS161或者D 触发器74LS74实现。

在积分电路和滤波电路部分，可以考虑根据实际输入输出情况选择有源或者无源电路。

移相电路改用有源RC 运放电路来实现。

2.3 系统结构设计系统结构设计具体为，信号源采用文氏桥产生正弦波形，并通过LM324运放电路向下进行系统的级联，可以取得较好的抗干扰能力和高驱动能力。

使用555施密特触发器进行方波到正弦波转换，信号的频率信息转换到矩形波中，再利用后者对分频电路输入脉冲计数。

分频电路采用移位寄存器74LS195和与非门74LS00实现时序上的二分频、四分频、三分频，并输出相应的方波波形。

利用有源滤波电路（RC 负反馈LM324电路）实现方波到三角波的积分变换，再由无源滤波RC 电路对三角波进行滤波，获得无谐波成分的正弦波。

最后利用LM324运放电路调节输出正弦波的幅值，以获得符合要求的X 路输出结果。

移相电路可以采用无源RC 电桥网络实现0°到180°的延迟移相。

自动移相则考虑用继电器直接控制不同移相电路的选择，继电器则使用3线－8线译码器74LS138和集成二进制计数器74LS161来循环产生高电平移位码，利用555定时器产生1Hz 的定时脉冲加以控制，从而输出Y 路信号。

结构框图如下图。

图2-4 原理方框图2.4 具体电路设计1、文氏桥正弦波产生电路电路设计说明：第一部分，当幅度和相位满足起振条件，可以在文氏桥振荡器的输出端得到正弦波频率：391128.622 3.14 2.5510 2.210f KHz RC π-===⨯⨯⨯⨯⨯ （式2-1） 第二部分，为LM324运放电路，用于级联放大。

2、555施密特触发器电路设计说明：当输入正弦波电压达到上限阈值电压时输出电压由高电平跳变到低电平；当输入正弦波电压达到下限阈值电压时输出电压由低电平跳变到高电平。

因此该电路可以实现从正弦波到方波的转换。

图2-5 文氏桥正弦波发生器图2-6 555施密特触发器3、分频电路图2-7 分频电路电路设计说明：采用移位计数器74LS195和与非门74LS00进行分频。

对74LS195的输出信号QA和QB进行逻辑组合，从而从JK端得到二分频、四分频、三分频的方波输出。

4、积分电路和滤波电路图2-8 方波转三角波转正弦波电路电路设计说明：第一部分，为运放积分电路；第二部分，为二阶低通无源RC滤波器。

5、自动移相控制电路图2-9 自动移相电路电路设计说明：由555振荡产生1Hz的触发脉冲并输入到74LS161中进行计数输出，74LS161输出二进制编码，之后由74LS138进行译码依次输出低电平，从而驱动继电器工作。

6、移相电路电路设计说明：无源RC移相电路，选择电容为0.2uF，电阻分别选择0欧姆，15欧姆，40欧姆和5000欧姆可以实现0°、45°、90°和180°移相，为了实现自动循环移相，可在每个电阻选择前加继电器，控制通路的开断。

7、分频移相电路电路设计说明：如上图所示，为一个可以实现0到180度移相的有源RC移相电路。

图2-10 移相电路图2-11 分频移相电路8、仿真李沙育图形仿真说明：在设计好总电路图后，我们进行了李沙育图形的仿真输出，结果十分理想，基本达到我们的预期希望，于是，我们准备开始电路的硬件焊接调试。

表2-1 李沙育仿真图形3 制作及调试过程3.1 制作与调试流程1、阶段一（7.2-7.7）：我们组成员轮流焊接仿真好的电路图，在焊完分频电路的积分滤波部分的时候开始进实验室测量调试。

这次不管是级联好了调试还是分级调试都出不来波形。

在分级测量的时候，仿真出来的文氏桥电容和电阻的理论值在实际中却无法起振，我们用电位器代替电阻，通过调节电阻出来的正弦波有交越失真和顶部失真，并且有很大的直流分量，这是由于看着示波器调电位器使得两个电阻阻值不等造成的。

我们用标准方波作为74ls195分频电路的输入只能出来2分频和频率符合但呈阶梯状的三分频，反复检查电路和换芯片都不能解决问题。

只有555正弦波转方波电路是可以出结果的。

我们讨论认为有可能是因为加入了拨码开关使得电路复杂化并且焊接工艺并不好使得电路出不来结果。

我们决定重新焊一块，并且是由一个人焊其他人检查分频而不是轮流焊接，这样能够保证布线焊接的思维连贯性和统一性。

2、阶段二(7.8-7.12)：在第二阶段中，我们决定放弃使用拨码开关来选择分频，而是使用排插和排线，通过用排线来连接74LS195的反馈管脚来选择二、三、四分频，并且将文氏桥仿真电路的2.2nF电容改成1nf，依旧用电位器来代替电阻。

在文氏桥调试过程中，首先将电位器调至相等的阻值，根据示波器显示的波形来调节电阻器，我们发现能够出频率为20kHZ、Vpp为17V的三角波，然后我们在此基础上加上了一个滤波电路，希望能够通过滤去三角波的高频分量来得到正弦波。

事实证明，实际和理论又一次不相符。

当我们加上滤波电路之后，我们并没有得到想要的正弦波，反而连原来的三角波也出不来了。

而同时，74LS195也没有办法出现清晰稳定的三分频，四分频还是不出结果。

3、阶段三（7.13-7.17）：在第三阶段的时候，我们决定重新再焊一次，并且一个人焊基础分频电路，同时另一个人再另一块小板子上焊移相和自动移相电路。

这一次我们非常注意布线和焊接工艺，希望棑除焊接造成的电路问题。

我们在正面布线在反面拖焊，拖焊也尽量细致。

焊完文氏桥就开始测量调试，一开始也并没有出来理想的波形，调节电位器的时候只能将波形调到25KHZ的频率，如果频率更小就变成不稳定的噪声。

我们尝试了各种方法，几乎要放弃调出标准的正弦波的时候，我们将文氏桥芯片LM324换成了TL084。

通过调节电阻居然能够调出标准无噪声的频率20KHZ、Vpp为10V的正弦波。

重焊分频电路的时候我们将排插排线换成了单刀双掷开关，二三四分频都能够出来但并不稳定，我们又将开关换成了按键开关，终于将二三四方波分频和后面的积分滤波电路级联上，并且调试出来分频之后的正弦波，但波形有一些失真，且幅值变得只有1点多伏，并且还有相移。