低频正弦信号发生器

低频正弦信号发生器

摘要

正弦信号发生器是信号中最常见的一种，它能输出一个幅度可调、频率可调的正弦信号在这些信号发生器中，又以低频正弦信号发生器最为常用，在科学研究及生产实践中均有着广泛应用。

目前，常用的信号发生器绝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。所以，从结构上看，正弦信号发生器就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。分析RC串并联选频网络的特性，根据正弦波振荡电路的两个条件，即振幅平衡与相位平衡，来选择合适的放大电路指标，来构成一个完整的振荡电路。很多应用中都要用到范围可调的 LC 振荡器，它能够在电路输出负载变化时提供近似恒定的频率、几乎无谐波的输出。电路必须提供足够的增益才能使低阻抗的 LC 电路起振，并调整振荡的幅度，以提高频率稳定性，减小 THD（总谐波失真）。

但是，在一般的情况下，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，当需要这种模拟信号发生器用于输出低频率信号往往需要的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，而且体积大和功耗都很大，低频性能难以满足要求。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，并且体积较小，输出的信号谐波较少，频率和振幅相对比较稳定。本文借助555定时器和74LS161产生方波经MF10滤波电路产生正弦信号，这种电路运算速度较高，系统集成度强，且实现更加简便。电压的数字显示主要由555定时器构成的放大整形电路，时基电路和控制电路构成，最终由十六进制加法器74LS160，锁存器74LS373，译码器74LS48使数码管显示电压。

关键词正弦波；振荡电路；稳幅；频率显示，电压显示。

技术要求

任务要求设计一个正弦信号发生器，根据题目要求，该正弦信号发生器应具有如下功能及主要技术指标：

a.输出一个纯净的正弦波，频率范围为20HZ～20KHZ，其电压幅值为±5V,且频率可以调节。

b.输出信号的频率和电压要求数字显示，需要分别设计能够显示频率和电压的电路。

一、系统综述

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，基于555定时器构成的多谐振荡器能够产生正弦信号，可以采用数字电路作为正弦信号发生器。这种方法是由555首先产生正弦信号波，然后使其通过一个加法计数器74LS161进行分频，选出满足要求的某一特定频率，再通过后面的滤波电路和放大电路输出信号。对于频率和电压的显示，再分别设计电路图，通过模数转换芯片使其变成能够在数码管上显示的数字信号,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。

。这种设计电路的核心部件是555定时器，通过调节滑动变阻器来改变信号的频率，使其满足要求，在20HZ～20kHZ变化，当然也可以用另一个变阻器来使电压达到5V。

图1 系统流程图

对上述电路的实现以及调节方法都比较简便可靠，并且产生的正弦信号误差较小，与理论值相差不大，只是在显示频率和电压方面，由于其电路中用到的元件主要是模数转换器，还附加另外的一些元件，使其连接变得很复杂，需认真看图。

对我们来说，这些方法在我们的知识范围内，其原理和一些注意要点都为我们所熟悉，用到的一些芯片可以通过查阅参考书了解其作用和其原理以及管脚图的连接，

这种方法是一种比较适合我们设计产生正弦信号的方法。

正弦信号发生器主要由芯片定时器555、74LS160、开关电容滤波MF10、TL082等元件构成，分别以各元件为核心，组成正弦信号发生器的各个功能部分：脉冲生成、频率分频、波形滤波、功率放大等.

二、单元电路设计

1、555信号发生器设计

无稳态多谐振荡器，它不需要外加输入信号，只要接通电源，就能自动产生矩形脉冲信号。并且其矩形脉冲的频率只由电路参数R、C决定，调节R或C即可改变频率，所以输出的脉冲较稳定，抗干扰能力强，频率覆盖范围较广，且易于调节，用此芯片实现此电路低频正弦信号的产生比较适合。

下面是LM555的内部结构图

图2 555芯片的内部结构

构成555多谐振荡器的电路图如下

图3 555构成的多谐振荡器电路

分析其工作原理：在图3所示电路中，用的电源是直流9V，当接通电源U1后，电容C上的初始电压为0V，比较器C1、C2输出为1和0，使U=1，放电管T截止，电源通过R1、R2向C3充电。Uc上升至2Ucc/3时，RS触发器被复位，使U=0，T导通，电容C通过R1到地放电，Uc开始下降，当Uc降到Ucc/3时，输出U0又翻回到1状态，放电管T截止，电容C又开始充电。如此周而复始，就可输出矩形波信号。

下面是电容Uc和输出的电压波形.其中上面是输出波形.下面的电容电压(经过的2格的下移形成的).由于本次设计要求的频率.采用的电阻RP比较大,所以输出低电平的时间较短.波形呈现出只出现下降沿.

图4 555多谐振荡器输出和电容电压Uc

2、分频计的设计

要求产生的正弦波频率在20Hz到20MHz直接在555多谐振荡器上调节会要很大的电容电阻值.所以这里设计的一个由74LS160构成的加法器起分频的作用.这样可以降低555多谐振荡器的R与C的值.

74LS160构成的分频计电路图如下

图5 分频计图6 74LS160管脚图这里是十进制计数器构成的分频计.输出是原来频率的十分之一.下面给出分频前后的波形(分频后的波形进行的下移)

图7 分频前后波形

3、滤波电路的设计

产生的矩形波必须经滤波才能产生正弦波，只是此时的正弦信号幅值比较小，