压控阶梯波发生器基于运放的信号发生器设计

北京工业大学

课程设计报告

学院电子信息与控制工程

专业通信工程

班级 120241 组号 14

题目1、压控阶梯波发生器

2、基于运放的信号发生器设计

姓名周文晨

学号********

指导老师张国英

成绩

2014 年05 月29 日

压控阶梯波发生器

【实验名称】压控阶梯波发生器

【设计任务】在规定时间内设计并调试一个由电压控制的阶梯波发生器。

【设计要求】

1、输出阶梯波的频率能被输入的直流电压所控制，频率控制范围为600Hz---1000Hz。

2、输出阶梯波的台阶数为10级，且比例相等。

3、输出阶梯波的电压为1V/级。

4、输入控制电压的范围为0.5V至6V。

5、电路结构简单，所用原器件尽量少，成本低。

【调试要求】利用实验室设备和指定器件进行设计，组装和调试，达到设计的要求，写出总结报告

仿真图，草图，电路图附本实验的报告后

【参考元器件】

1、运算放大器uA741,LM324，LM358.

2、TTL电路74LS20，74LS161 ，74LS175。

3、CMOS缓冲器CD4010

4、稳压管二极管

5、电阻电容电位器

设计思路

一：输出阶梯波的台阶数为十阶

想法：采用十进制计数器，确保每十个时钟信号后清零。选取74LS161芯片

二：输出阶梯波每阶比例相等，电压为1V/阶

想法：⑴采用权组网路，将数字信号转化为模拟信号

⑵运用放大器，将输出信号放大以满足要求。选取运算放大器LM358芯片

另外，74LS161是单纯的计数功能芯片，带负载能力很弱。对于后面串上的几十千欧级的电阻显得力不从心。用万用表实测74LS161输出管脚的电压值，也确实发现高电平对应的实际电压值并不恒定。为改善这样的情况，需把74LS161输出加到74LS175上，再把74LS175的输出加到CD4010上CD4010是缓冲器，可以把不稳的输入电压缓冲为稳定的输出电压，而且电流加大，大大加强了带负载的能力。74LS175和CD4010共同组成了缓冲器，虽然对电路的逻辑功能没有影响，但却是实现电路功能不可或缺的一部分。

综上所述，电路应分为压频转换波分、计数部分、全电阻网络部分和信号放大部分。我们选取的芯片为：LM358、74LS161、74LS175、CD4010

元器件清单

仿真设计与验证

仿真电路图为：

首先对压控振荡器进行测试。用示波器观察CLK信号，发现电源V1确实能对CLK进行频率控制，仿真成功。

在仿真中，为方便起见，计数器直接采用74LS161，74LS161送出的结果直接加到权电阻上，经倒相后，得到了阶梯波形。

直流电源用来提供稳定的电流；压控振荡器产生方波，其频率主要由输入电压决定；十进制计数器作为数模转换器的开关，通过数模转换器送出反向的阶梯波；通过反相器，最终得到正向的十阶波形。

实验过程

我们首先用万用表对元器件进行测试，确定元器件完好。然后测试面包板，确定面包板的横向、纵向导通状态，然后按照所设计的电路图进行布线，我们为了查线简单，保证插线时不绕线，不搭桥。然后按照电路原理图连线。对每个模块可以分别连线然后分别检查。确定各个模块功能无误之后再对各模块连接以检查模块间的匹配问题。

在这个思路下，我们首先对压控振荡模块进行了调试。由于压控振荡模块是按照标准图连线的，所以其调试比较简单，主要集中在输入电压与输出频率的匹配上。最终我们把电容选择为1nf，再对滑动变阻器进行调节，得到了题目要求的电压——频率关系。

对计数器的调试。为体现分模块化的设计思想。调试计数器部分时输入脉冲选择的是实验板上的单步脉冲，然后将四个输出端对应接到实验板的数码管上。显示十进制计数。

然后是对DA转换的调试。过对权电阻数模转换电路的分析。经过上面的调试，各块都已经工作正常了，压控振荡模块的输出上加了一个CD40106——集成施密特触发器。施密特触发器能够把不标准的脉冲整形，成为标准的矩形波，从而可以被74LS161识别出来。波形终于正常了。我们通过这一系列的实验过程，最终达到要求，出现可爱的阶梯波。

数据记录

输入输出数据

电压(v) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 压控频率(Hz) 739 1128 1626 2049 2495 3204 3546 4002 4271 4701

阶梯波频(Hz) 138.9 213.5 320.8 403.6 494.1 632.2 721.3 798.3 864.6 997.2

整体电路和部分波形图

课设感悟

这是第一次老师让自己动手给定一个课题，让我们自己完成设计，仿真到接电路，出实验结果。对我和搭档来说都是一个巨大的挑战。

首先，我先查阅了相关期刊，看看别人是如何实现的，通过期刊的学习，我初步了解了阶梯波的实现可以分成几个模块来实现，对每个模块进行研究，其实阶梯波实验中计数器部分和压频转换，运放放大部分在咱们上学期的电子技术试验课上，张老师都有教授，我们做的是需要把每个部分整合联系在一起，同时将以前的模电数电知识重新捡起来对自己是一个温故而知新的过程。

在电路图画好之后，我们开始连线。我们连了两遍板子，因为我们的布线杂乱无章，导致第一部分压频转换的波形就没有出来，一气之下，我把所有的线都拔了，重新开始连，我本着不交叉，不重叠，尽量走直线，电源和地线都另外接到小长版上，结果第一二部分很快就出结果了。我们在第三部分计数器波形出不来，我又查了一下线，发现其中一个线和电源线查到一块了，还导致了我们的一个二极管烧了。还好发现及时，我们赶紧改线。后面的一系列在短短一个小时就出来了，当波形出来那一刻，真的特别自豪，开心，觉得自己每天往实验室跑都是有意义的。

当我们的波形出来后，请张老师来看我们的波形结果，张老师说我们的阶梯波不满足电压为1V/级，让我们再调调。于是，我思考了一下，觉得需要把正反馈倍数用电位器调节，结果就满足了老师的要求。

这次试验让我系统的了解了阶梯波的设计原理，同时也增加了我接下来模电课设的信心！