音频函数发生器设计.docx
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音频函数发生器设计.docx
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音频函数发生器设计
音频函数发生器设计
作者:
鹿群娟学号:
200401594
长江大学电子信息学院
摘要:
本系统可心产生20~20KHz的音频信号,利用ICL8038作为信号发生器,以分立数字器件为主要器件搭建的计数器式频率测量平台。
系统可独立输出三种波形:
方波、三角波、正弦波,信号幅值为范围0~20VP-P;具有输出过载保护功能,当IO>400mA(P-P)时,输出自动限流停止输出;右4位数字显示输出信号频率,具有量程自动转换,小数点自动定位,单位指示灯自动显示功能。
关键字:
音频信号,信号发生器,频率测量
一方案设计:
1、整体设计
整体电路大体上可分为三个部分:
⑴音频信号的产生⑵频率的测量⑶功率的放
大。
可用图1来说明
2、信号发生部分的设计
此部分由集成芯片ICL8038来完成。
ICL8038是集成模拟信号发生器,可产生0.001Hz~300kHz的正弦、方波、三角波信号,并且可以通过调节4和5脚的电阻来改变产生信号的占空比。
既可过改变RC时间常数来实现,也可发通过压控方式来实现。
由ICL8038构成的信号发生器外围电路简单,调节简单,且波形好。
3、频率测量部分的设计
用数字测量法测量一定时间内的脉冲数。
测量1s内的脉冲数,即为频率。
若用4位显示,则最大可显示9999Hz,误差为
。
若做相应更改,如加上自动量程转换则可测量更高的频率。
这种方法测量思路简单,精确度也较高。
二设计基本原理:
1、信号发生部分的设计
ICL8038的引脚图如图3示。
其中,1和12脚用来调节正弦波的形状;2为正弦波输出;3为方波输出;4和5接电阻用来调节点空比及与10脚接的电容来调节频率;6脚接正电源;7为波形基准输出电压,接8脚时输出为固定频率;8脚为压控输入端,输入的电压可控制输出的频率;9为方波输出;11脚接负电源或接地。
用ICL8038构成的信号发生器,可输出VP-P=V++V-的方波信号和VP-P=(V++V-)/2的正弦波和三角波信号。
使用ICL8038来构成信号发生器,可以用改变RC时间常数的方法,也可以用压控的方法。
用改变RC时间常数的方法的电路原理图如图4所示。
当RA=RB时,占空比为1:
1,频率
。
若分三个频段控制:
①20Hz~200Hz、②200Hz~2KHz、③2KHz~20KHz,则右选用三个不同阻值的固定电容来选择频段,RA和RB可选用变阻器来在每个频段连续调节频率。
但这样存在一个问题:
要使占空比为1:
1,则要使RA和RB的变化量相同,这不容易实现。
使用压控方式的原理图如图5所示。
其中15M的变阻器是用来调整波形质量的,1K的变阻器用来微调由于两个4.7K的电阻阻值不同造成的占空比不同,10K的变阻器用来调节8脚的电压从而控制输出频率,0.1uF的电容用来消除外界干扰对频率造成的不稳定。
这样构成的电路只需调整一个变阻器,就可以改变输出频率,没有改变RC时间常数的不便。
为了使频率调节更方便,也可以分多个频段,通过改变10脚的电容来选择频段。
由于要求输出信号幅值范围:
VP-P=0~20V,而此电路输出的三角波和正弦波最大幅值为10V,故还需要对其幅度进行放大。
考虑到方波放大理论值即使超过放大器电压也不会造成失真,故放大电路放到输出线路,即三选一输出的总线上。
这样便完成了信号发生部分的设计。
将ICL8038的2,3,9脚分别接入图6中的1,2,3即可,信号从VO输出,然后卷入功率放大电路最终输出即可。
2、频率测量电路的设计
频率测量采用的是数字法测量。
这种方法是对单位时间内的脉冲计数得到的。
大致原理可用图7所示框图来表示
时基信号若采用1S,时计数器所得结果即为被测信号的频率。
时基信号可使用555构成的多谐振荡器来完成。
其电路如图8所示。
若使tpH=1S,tpL=0.2S,则应有0.7R1C1=0.2S,0.7R2C1=1S,取C1=10uF,则可得R1=107KΩ,R2=35.7KΩ。
R1取68K电阻和47K滑动变阻器串联,R2取36K,其电路原理图如图9所示,3脚为时间控制信号输出。
理论上,这部分产生的1S信号的误差小于0.1%。
另外,时期信号也可以用晶振产生。
若使用32768则经过分频后,可得到精确的1S的时基信号。
电路如图10所示,D触发器的5脚输出即为1S的时基信号。
由于晶振产生的信号中高低电平时间是相等的,也就是说时基信号为1S时,测量周期为2S,测量速度慢;而用上面555的设计方法,测量周期为1.2S,较用晶振明显加快,故在设计中选用的是由555构成的时基产生电路。
门控制电路采用一个二输入与门即可实现,比较简单。
计数电路用4位10进制计数器来做,最高可测量9999Hz的频率。
译码显示电路用BCD译码器74LS48和7段数码显示管来做,可以简单地实现高位动态灭零的功能。
设计的难点在于,在计数期间,显示的结果是不能随计数过程中计数器的状态变化。
为实现这一点,有必要在计数器与译码器之间加入锁存器。
在时基信号结束后的0.2S内依次进行以下操作:
①对计数器的数据进行锁存,②对计数器清零以备下一周期的测量。
在这里要求对锁存器的锁存提前于对计数器的清零,若锁存器使用8D型锁存器74LS273,则对各信号有如图11的要求
图中在锁存时序的下降沿,触发清零时序。
要得到图示的时序关系,则可采用单稳态触发器74LS123产生。
它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。
在如图12所示的图中,其
tW=0.45RC。
由于74LS123为可重触发的,故两个tW之和要小于时基信号的低电平时间。
取tW=0.02S,若取R=100k,则C=4.4uF。
取电容标称4.7uF。
另外,被测信号的幅值不同,可能不是数字电路可以接受的范围,故在被测信号与门控制电路间还要有整形电路。
至此,可得到测量完整框图如图13所示。
由此可设计出其原理图如图14所示
但是,这个电路只能测量最大频率9999Hz,而信号发生器产生的频率范围为20Hz~20kHz。
这就要扩展频率计测量频率的范围。
可加入一些控制电路,使基具有量程转换功能。
原理上可使用一个10分频电路和一个测量选择电路,当频率超过9999kHz时,则先对被信号进行分频,再卷入上面的频率计;当频率再降低时,则返回原量程。
这里可用数据选择器对选通信号进行选择,用最高位的进位信号来判断是否超过量程,从而控制量程是否需要转换。
加入量程转换后的电路原理图可用图15来说明。
当频率计的千位计数满,产生进位量,千位的Q3产生一个负跳变,加到计数器74LS92的计数输入端,使其Q1产生一个正跳变,使触发器1(U15:
A)输出1,在下一个时基信号的有效期,触发器1的状态又在清零信号的作用下重置为0,从而产生了一个负跳变使计数器(U16)加1,同时触发器2(U15:
B)也在触发器1的反相输出端的作用下输出为1。
此时,计数器U16的清零仅由千位译码器的RBO决定,当千位无计数时,则RBO输出为0,通过一反相器,对计数器U16清零,从而降低了量程。
这样便实现了量程的自动转换。
整形电路可由晶体管和与非门组成。
其中晶体管用来放大信号,与非门构成施密特触发器,对波形进行整形,使之成为标准的矩形脉冲。
整形电路如图16所示。
至此,频率测量部分已设计完毕。
3、功率放大及限流电路的设计
功率放大可使用双源甲乙类互补放大,可使输出效率提高,并且输出的幅度也提高。
互补对管采用功率管TIP41和TIP42,其最大输出电流可达3A。
要求输出大于400mA时对其限流,其限流电路用图中的Q1和Q6及采样电阻R3和R5来完成。
当电流增大时,R上的电压升高,升高到0.7V左右时,使Q1和Q6导通限制了输出。
功率放大限流的原理图如图17所示。
4、整体电路评论
在电路的三个部分中,信号发生部分和功率放大部分为模拟电路,频率测量部分为数字电路。
一般说来,在模拟与数字电路的相接处要予以注意,因为两部分的电压一般来说是不同的,要存在电压转换的问题。
如这里测量频率的部分,加入波形整形电路就是为了匹配两部分的电压。
三设备及元件选择
1、实验所用元器件
由上述原理分析可知,各部分所需元件如下:
1信号发生部分的元件如下表
序号
名称
型号
数量
备注
1
集成信号发生芯片
ICL8038
1
2
R
4.7k
2
3
R
20k
1
4
R
15k
1
5
RP
10k
1
6
RP
100k
1
7
C
472
1
8
C
104
1
2频率测量部分的元件如下表
序号
名称
型号
数量
备注
1
与非门
74LS00
1
做整形电路
2
二极管
1
3
R
10R
1
4
R
1k
1
5
R
10k
2
6
R
39k
2
7
R
68k
1
8
RP
47k
2
9
C
0.1u
1
10
C
4u7
1
11
C
10u
1
12
C
100u
1
13
二极管
1
14
计数器
74LS90
5
15
计数器
74LS192
2
16
可重触发单稳触发器
74LS123
1
17
BCD显示译码器
74LS48
4
18
D型锁存器
74LS273
2
19
555
555
1
20
与门
74LS08
1
21
D触发器
74LS74
1
22
2-4线译码器
74LS139
1
23
数据选择器
74LS153
1
24
非门
74LS04
1
25
数码显示管
4
26
发光二极管
RED
1
做单位指示
27
发光二极管
GREEN
1
做单位指示
3功率放大及限流部分元件如下表
序号
名称
型号
数量
备注
1
NPN三极管
9013
3
2
PNP三极管
9014
1
3
功率管NPN
TIP41
1
4
功率管PNP
TIP42
1
5
R
1k
2
6
R
10k
2
7
R
2.2R
2
8
RP
10k
1
2、调试过程中所需设备
序号
名称
型号
数量
备注
1
示波器
INSTEKGOS-620
1
2
直流电源
1
3
万用表
UT58A
1
4
信号发生器
1
调试频率计时使用
5
电脑
1
仿真使用
四装配与调试
1、电路的装配
电路的布局对连线有很大的影响,好的布局可以使连线方便,走线美观。
装配时也可分三个部分来完成,各个部分用简单的几条线就可以关联起来。
这样只需将每个部分调试出来之后,联调就会比较快了。
2、电路的调试
1信号发生部分:
ICL8038看起来使用挺简单,但是如果调节不好,波形质量很差,尤其是正弦波的失真会非常明显。
按照上面的原理图接出来的电路很难调整,还需在1脚加入调节电阻,才会得到比较好的疲形效果。
2频率测量部分:
由于仿真过程中已排除原理上的问题,现在调试的主要问题是布线过程中的一些错误,调试也就是借助各种工具排除错误的过程了。
3整体电路调试:
当把信号发生器产生的方波信号加入频率计后,就会显示出当前的频率。
调试频率计时频率计显示频率和信号发生器的产生频率指示是相符的。
参考文献
1、康华光主编电子技术基础-模拟部分(第四版)高等教育出版社
2、康华光主编电子技术基础-数字部分(第五版)高等教育出版社
3、谢自美主编电子线路设计·实验·测试(第二版)华中科技大学出版社
4、
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