北京工业大学电子实验报告 压控阶梯波发生器(数字类)

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
班级组号
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
学号
指导老师
成绩
年月日
压控阶梯波发生器（数字类）（一）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。

（二）设计要求
1、输出阶梯波的频率能被输入直流电压所控制，频率控制范围为600Hz至1000Hz。

2、输出阶梯波的台阶级数为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0.5V至0.6V。

5、电路结构简单，所用元器件尽量少，成本低。

（三）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，达到设计要求，写出总结报告。

（四）方案选择
在压频转换部分存在两种方案。

1、Lm358组成压频转换电路；
2、NE555构成压频转换电路。

方案论证
数字电路精确度较高、有较强的稳定性、可靠性和抗干扰能力强，数字系统的特性不易随使用条件变化而变化，尤其使用了大规模的继承芯片，使设备简化，进一步提高了系统的稳定性和可靠性，在计算精度方面，模拟系统是不能和数字系统相比拟的。

数字系统有算术运算能力和逻辑运算能力，电路结构简单，便于制造和大规模集成，可进行逻辑推理和逻辑判断；具有高度的规范性，对电路参数要求不严，功能强大。

为了得到更精彩的波形采用数模混合方案。

（五）实验元器件和芯片
运算放大器Lm358，TTL电路74LS20、74LS161、74LS175，CMOS缓冲器CD4010，稳压管，二极管1N4148，电位器，电容，电阻。

（六）设计方案
整体设计思路：
压频转换→计数器→权电阻→运放=>阶梯波
利用Lm358组成压频转换电路；使用CD4010缓冲，形成可被数字电路识别的矩形波信号；74LS161与74LS20组合构成十进制计数器；利用74LS175提高负载、整流信号，并组成权电阻网络；最后利用运放放大信号，并输出。

仿真电路图：
详细设计： 压频转换部分：
V1 2 V C11uF
R1
100kΩ
R25kΩ
R31kΩ
R4100kΩ
R5100kΩU1
74LS161N
QA 14QB 13QC 12QD 11RCO 15A 3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10~LOAD 9~CLR 1CLK
2
U274LS175D
1D 4CLK 91Q 2~CLR 12D 53D 124D 13~1Q 3~2Q 63Q 10~3Q 112Q 74Q 15
~4Q
14
U3A
74LS20D
5
U4A
LM358D
3
2
4
8
1
U5A
LM358D 3
2
4
8
1
U6A
LM358D
3
2
4
8
1
34U7A
40106BD_5V
6
R6
100kΩ
Key=A 50%GND
VDD 15V VDD 15V VEE
-15V
VEE -15V
VEE -15V
VDD
15V VEE VEE
VDD
VDD
R71kΩ
VCC 5V R81kΩ
R92kΩR10
4kΩR118kΩR122kΩKey=A 50%R13
2kΩKey=A 50%R14
2kΩKey=A 50%
R152kΩKey=A
50%171819
202122
2324
VEE VDD
R161kΩ0
R17680Ω
27
R18
2kΩ
26
XSC1
A
B
Ext Trig
+
+
_
_
+
_
1211D11N414810
98
30
7
29VCC
GND D2
1N5758
15
25
1
2
28
压频转换将一定的输入电压按线性的比例关系转化成频率信号，当输入电压变化时，输出频率也相应变化。

其输出时矩形波。

上图采用的是电荷平衡式压频转换电路，该部分有积分器和滞回比较器组成。

滞回比较器的阈值电压为：±U T =±·U Z
在波形图的t
2时段，U
O1
是对U
I
的线性积分，起始值记作+U
T
，终值记作
-U
T ，因而t
2
应满足-UT=，解得，当R
1
>>R
2
时，
振荡周期T≈t
2
，故振荡频率受控于输入电压：。

Lm358芯片信息：
Wide Supply Range:
− Single Supply . . . 3 V to 32 V
(26 V for LM2904)
− or Dual Supplies . . . 1.5 V to 16 V
(13 V for LM2904)
Low Supply-Current Drain, Independent of
Supply Voltage . . . 0.7 mA Typ
Common-Mode Input Voltage Range
Includes Ground, Allowing Direct Sensing
Near Ground
Low Input Bias and Offset Parameters:
− Input Offset Voltage . . . 3 mV Typ
A Versions . . . 2 mV Typ
− Input Offset Current . . . 2 nA Typ
− Input Bias Current . . . 20 nA Typ
A Versions . . . 15 nA Typ
Differential Input Voltage Range Equal to
Maximum-Rated Supply Voltage . . . 32 V
(26 V for LM2904)
Open-Loop Differential Voltage
Amplification . . . 100 V/mV Typ
Internal Frequency Compensation
内部结构：
Lm358管脚图：
计数器部分
用74LS161和74LS20组成计数器，其中A~D为四个输入端，QA~QD为四个输出端，采用置数法完成十进制计数器。

ENP,ENT,LOAD,CLR根据要求分别置高低电平。

CLK连接压频转换电路的输出端。

2 V
C1
1uF
R1
100kΩ
R2
5kΩ
R3
1kΩ
R4
100kΩ
R5
100kΩ
U4A
LM358D
U6A
LM358D
6
R6
100kΩ
Key=A50%
VDD
15V
VDD
15V
VEE
-15V
VEE
-15V
VEE
VEE
VDD
VDD
R7
1kΩ
12
11
D1
1N4148
10
9
8
30
7
74LS161和74LS20管脚图：
权电阻网络部分
74LS175——四D触发器集成电路，可以用来构成寄存器。

功能表如下：
权电阻网络是把数字信号转换为模拟
信号称为数模转换，其原理是将二进制
数字量形式的离散信号转换成以标准
量为基准的模拟量。

74LS175管脚图：
内部结构：
放大器部分 具有很高放大倍数的电路单元。

在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成功能模块。

如图，使用运算放大器构成正向比例放大器，对输出信号幅度加以调节，以满足实验要求。

（七）实验调试过程
首先用万用表元器件测试，确定元器件完好，测试面包板，确定面包板的导通状态，然后按照设计的电路图布线，连线整齐、简明。

组装完毕后，对各个模块单独测试。

调试中发现的问题： 压频转换部分输出信号：
2 V C11uF
R1
100kΩ
R25kΩ
R31kΩ
R4100kΩ
R5100kΩU1
74LS161N QA
14QB 13QC 12QD
11RCO
15
A 3
B 4
C 5D
6
ENP 7ENT
10~LOAD 9~CLR 1CLK
2
U2
74LS175D 1D 4CLK
9
1Q 2~CLR 12D 53D 124D
13~1Q 3~2Q 63Q 10~3Q 112Q 74Q 15~4Q
14
U3A 74LS20D 5U4A
LM358D
3
2
4
8
1
U5A
LM358D 3
2
4
8
1
U6A
LM358D
3
2
4
8
1
3
4U7A
40106BD_5V
6
R6
100kΩ
Key=A 50%GND
VDD 15V
VDD 15V VEE
-15V
VEE -15V
VEE -15V
VDD
15V VEE VEE
VDD
VDD
R71kΩ
VCC
5V R81kΩR92kΩR104kΩR11
8kΩR122kΩKey=A
50%R132kΩ
Key=A 50%
R142kΩKey=A
50%R15
2kΩKey=A 50%171819
202122
2324
VEE VDD
R161kΩ0
R17680Ω
27
R182kΩ
26
XSC1
12
11D11N414810
98
30
7
29VCC GND
D2
1N5758
15
25
1228
发现信号并不整齐，影响后面TTL计数电路的识别和波形发生。

在调整稳压管和增加施密特触发器个数后，波形得到改善：
计数器部分调试：
输入脉冲选择实验板上固定脉冲，四个输出端对应接到实验板数码管上。

验证十进制计数器工作情况。

验证无误后，将输入脉冲改为压频转换电路生成的脉冲信号，进一步确认信号通路完好。

权电阻网络及运放部分调试：
在信号输出部分，可以产生阶梯波，但各阶幅值并不相等，使用示波器测量线发现部分阶梯大于1V，而有的小于1V。

使用万用表欧姆档测量权电阻阻值发现比例并非严格的8：4：2：1，导致阶梯比例失调。

通过调节支路上的电位器使阶梯比例趋于严格。

调试完毕，最终产生的波形为：
完成本次试验全部效果。

（八）总体电路
参考资料
《模拟电子技术》（第四版）童诗白主编；高等教育出版社。

《数字数字电子技术》阎石主编;高等教育出版社。

（九）心得体会
此次电子技术课程设计，让我懂得了实践的重要性。

即使课本知识掌握的很好，如果不会综合运用，也是一些支离破碎的知识，这是无用的，而如果能运用而实际动手能力很差，理论与实际结合不起来，学得再好也没有用。

这次课程设计恰好是将课本知识与动手实践结合起来。

一方面，它加深与巩固了所学的各章节的理论，并将其综合运用，提高了我们综合运用知识的能力；另一方面，培养了我们学习知识的兴趣。

虽然，我们这次遇到很多困难，经过努力，都得以解决。

经过查资料、选方案、设计电路、撰写设计报告，使我得到一次较全面的实践训练。

首先，综合运用电子技术课程中所学到的理论知识来独立完成此次设计课题，培养我们查阅手册和文献资料的良好习惯，以及培养我们独立分析和解决实际问题的能力。

其次，在学习了理论知识的基础上进一步熟悉常用电子器件的类型和特征，并掌握合理选用的原则。

再次，就是学会电子电路的安装与调试技能，以及与同组的组员的团结合作的精神。

最后，为了满足学生对电工、电子技术课程的实践需求，学校特地给我们提供了为期四周的课程设计时间，这门课程将电子技术基础理论与实际操作有机地联系起来，意在加深我们对所学理论课程的理解。

通过让我们运用已基本掌握的具有不同功能的单元电路的设计、安装和调试方法，在单元电路设计的基础上，设计出具有各种不同用途的电子装置。

深化所学理论知识，培养综合运用能力，增强独立分析与解决问题的能力。

训练培养严肃认真的工作作风和科学态度。

同时，它也培养我们查阅资料的能力和学生的工艺素质，培养我们的团队精神以及综合设计和实践能力。

就是培养我们严肃认真的工作作风和严谨的科学态度以及学会撰写课程设计报告，为以后毕业论文打好基础。

基于运放的信号发生器设计（模拟
类）
（一）设计任务
本课题要求使用集成运算放大器制作正弦波发生器，在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电路。

（二）设计要求
1、采用经典振荡电路，产生正弦信号，频率范围400Hz~100kHz
2、双电源供电
3、信号经过放大、驱动电路，可在1KΩ负载条件下：
正弦波最大峰-峰值3V，幅值可调，谐波失真 3%
（三）解决方案
产生正弦波方案很多，这里我们采取了RC自激振荡的方式产生正弦波。

使用运算放大器LM324，组成由基本放大电路，选频网络，正反馈网络构成的经典振荡电路，产生自激振荡的正弦波。

使用同轴电位器，对信号的频率范围进行调节，使其在400Hz~100kHz时可产生幅值不变的正弦波。

双电源供电：选取直流电源串联追踪方式输出15V电压。

综上所述，电路应分为经典振荡器部分、两级放大部分、电压跟随器部分。

（五）实验元器件和芯片
运算放大器Lm324，NE5532，二极管，电位器，同轴电位器，电阻，电容。

（六）设计方案
整体设计思路：
正弦波发生部分→两级放大部分→电压跟随器部分=>符合要求的正弦波使用运算放大器LM324，组成由基本放大电路，选频网络，正反馈网络构成的经典振荡电路，产生自激振荡的正弦波。

使用同轴电位器，对信号的频率范围进行调节，使其在400Hz~100kHz时可产生幅值不变的正弦波。

在接入两级运算放大器放大到Vp-p=3V。

使用NE5532制作电压跟随器，提高负载能力。

仿真电路图：
Lm324说明：
2-kV ESD Protection for:
− LM224K, LM224KA
− LM324K, LM324KA
−LM2902K, LM2902KV, LM2902KAV
Wide Supply Ranges
− Single Supply . . . 3 V to 32 V
(26 V for LM2902)
− Dual Supplies . . .1.5 V to16 V
(13 V for LM2902)
Low Supply-Current Drain Independent of
Supply Voltage . . . 0.8 mA Typ
Common-Mode Input Voltage Range
Includes Ground, Allowing Direct Sensing
Near Ground
Low Input Bias and Offset Parameters
− Input Offset Voltage . . . 3 mV Typ
A Versions . . . 2 mV Typ
− Input Offset Current . . . 2 nA Typ
−Input Bias Current . . . 20 nA Typ
A Versions . . . 15 nA Typ
Differential Input Voltage Range Equal to
Maximum-Rated Supply Voltage . . . 32 V
(26 V for LM2902)
Open-Loop Differential Voltage
Amplification . . . 100 V/mV Typ
Internal Frequency Compensation
内部结构：
NE5532说明:
Equivalent Input Noise Voltage
5 nV/√Hz Typ at 1 kHz
Unity-Gain Bandwidth . . . 10 MHz Typ
Common-Mode Rejection
Ratio . . . 100 dB Typ
High dc Voltage Gain . . . 100 V/mV Typ
Peak-to-Peak Output Voltage Swing 32 V
Typ With VCC± = ±18 V and RL = 600 Ω
High Slew Rate . . . 9 V/μs Typ
Wide Supply-Voltage Range . . . ±3 V to ±20 V
内部结构：
Lm324及NE5532管脚图：
详细设计：
正弦波发生部分：
经典振荡器部分由基本放大电路，选频网络，正反馈网络组成。

其中，基本放大电路作用：使电路获得一定幅值的输出量；选频网络作用：确定电路的振荡频率，保证电路产生正弦波振荡；正反馈网络作用：在振荡电路中,当没有输入信号的情况下,输入正反馈信号作为输入信号。

电路分析
RC 桥式振荡电路由RC 串并联选频网络和同相放大电路组成，图中RC 选频网络形成正反馈电路，决定振
荡频率0f ；R 1 R f 形成负反馈回路，决定起振的幅值条件，D1、D2为二极管。

该电路的振荡频率：
0f = RC
π21
起振幅值条件：
311
≥+
=R R A f v
式中d f r R R R //32+=，d r 为二极管的正向动态电阻。

电路参数确定：
根据设计所要求的振荡频率 ，先确定RC 之积，即RC= 0
21
f π
为了使选频网络的选频特性尽量不受集成运算放大器的输入电阻和输出电阻的影响，应使R 满足下列关系式：i R >>R>>o R
一般i R 约为几百千欧以上，而o R 仅为几百欧以下，初步选定电阻之后，再算出电容的值，然后再算出R 取值能否满足振荡频率的要求。

电阻1R 和f R 应由起振的幅值条件来确定，f R ≥21R 通常取f R =（2.1~2.5）
1R ，这样既能保证起振，也不致产生严重的波形失真。

此外，为了减小输入失调电流和漂移的影响，电路还应满足直流平衡条件，即：
R= f R //1R
通常的稳幅方法是利用随输出电压振幅上升而下降的自动调节作用实现稳幅。

稳幅电路由两只正反向并联的二极管和电阻并联组成，利用二极管正向动态电阻的非线性以实现稳幅，为了减小因二极管特性的非线性而引起的波形失真，在二极管两端并联小电阻 。

实验证明，取3R ≈d r 时，效果最佳。

（七）实验调试过程
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。

实验过程产生多种失真现象，“刺突状” 失真尤为突出，示意如下：
具体波形：
实际的波形实践起来效果并不理想，振荡频率不高及停振，尤其是在使用LM324制作振荡器时波形出现严重失真。

我们组查阅资料，整理出了常见的正弦波失真问题及解决方法：
①削波失真：该种失真的明显特
点是波形顶部变得平直。

波形的幅度很
大，接近电源电压。

造成这种失真的原
因，大多是反馈电阻值过大，使电路的
增益过大，致使输出电压峰值太大，严
重时会随着反馈电阻值的增大，输出波
形将变得极像方波。

解决这种失真的方
法：减小反馈网络的总电阻而过分地减小又将使电路不能起振，因此它的大小非常关键，在不确定电阻值大小的情况下，可先使用电位器代替，通过细调电位器，将波形调到一个最好效果即可。

②停振现象：在实际制作中，由于元器件本身的质量和精度问题，也会使振荡器的制作效果大打折扣在电路中，我们需要调节同轴双联电位器来改变输出正弦波的频率。

顾名思义，双联同轴电位器是由两个电位器组成，通过调节同一个轴达到同步调节两个电阻值的目的器件。

但在实际中，我们发现，双联同轴电位器的两个电阻值并不能时刻保持相等，而是有一个差值，有时候这个差值很大，可达数干欧姆。

差值的存在造成了振荡器在高频时出现停振现象，也就是说。

振荡器的输出信号不能达到较高的频率。

在这种情况下，我们当然可以更换精度和质量更好的双联同轴电位器来解决。

但为节省成本，我们在实践中发现，如果用两个小、电阻分别与双联同轴电位器的两个可变电阻串联，停振问趣即可得蓟狼好的解决，从而使得振荡器的频率得到显著提高。

③“刺突状”失真：这种失真是在使用集成运放LM324制作正弦波振荡器时无法避免的棘手问题。

一个简单有效的解决办法是，用一只适当阻值的电阻连接在输出端与负电源v 之间，这样可以改善输出端波形的失真，而且随着频率的改变信号的幅度基本稳定。

④稳幅：由于Uo与Uf 具有良好的线性关系，所以为了稳定输出电压的幅度。

一般在电路中加入非线性环节。

这里．在回路串联两个反向并联的二极管，利用电流增大时二极管动态电阻减少的特点。

加入非线性环节。

从而使输出电压
稳定。

在实测中，正弦波经过两级运放和电压跟随器后，总是变成三角波：正弦波产生的100kHz正弦波：
经电压跟随器后的波形：（波形失真）
失真与频率有关：
更改频率调试：
正弦波发生器产生的10kHz正弦波：经电压跟随器后的波形：（波形完好）
我们组查阅资料寻找原因：根据Lm324用户手册
增益带宽GBW：1.2MHz
压摆率SR：0.5V/µS
根据:
增益带宽GBW=放大倍数×信号频率
功率带宽FPBW=SR/2πVp-p
分析：
由增益带宽看来，在使用两级运放的情况下，Lm324可以满足要求。

由功率带宽看来，可以降低输入信号Vp-p的数值（小于700mV）来提高两级运放处的功率带宽，而在电压跟随器处，信号Vp-p已达3V，超过功率带宽上限（20kHz），波形失真。

结论：
Lm324压摆率不足。

Vp-p达3V时，频率带宽最高到20KHz，不能满足实验100KHz 的要求。

电压跟随器部分，应使用压摆率高的运放，如：NE5532。

调试完毕，最终产生的波形为：
信号在1KΩ负载条件下：正弦波最大峰-峰值3V，幅值可调，谐波失真 3%
完成本次试验全部效果。

（八）总体电路
名称规格数量运算放大器LM3241二极管1N41481电阻、电容、导线——若干
参考资料
《模拟电子技术》（第四版）童诗白主编；高等教育出版社。

《数字数字电子技术》阎石主编;高等教育出版社。

（九）心得体会。