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，由于此部分要滤去高次谐波，只允许基波通过，所以，此部分使用的滤波器精度要很高，滤波效果要好，且稳定性要好，频带范围要宽，普通的滤波器是很难以满足要求的，本实验电路用的器件是数字电路芯片MOS开关电容滤波器MF10，MF10由模拟信号通道和时钟控制电路2大部分组成，模拟信号通道由运算放大器，加减电路和2级积分电路组成，每级积分电路的传输函数均为w0 / s ，其中w0 =2πf0 ，f0 由时钟频率fCLK 决定。改变外接电阻的阻值可以改变滤波器 的增益及品质因数Q值，改变外部时钟可以改变中心频率w0。
MF10元件组成：它有2个独立的滤波器模块组成，这2个滤波器模块可以单独使用，构成一个一阶或二阶的滤波器电路，这2个模块也可级联构成四阶滤波器电路。MF10集带通，全通，高通，低通，带阻5种滤波器于一体，它对外部的唯一要求是滤波器所需的电阻。
只要外部电阻满足要求（常情况下电阻误差不大）的杂波而留下基波（正弦波），其输出就会非常准确的按照要求输出，稳定性和精确性良好，这一点对滤波电路是非常重要的。
图8 M10结构图和引脚图
图9 MF10引脚说明
特殊引脚的说明：
1 引脚6（SA/B）:当SA/B接VA— ，滤波器求和端之一接模拟地AGND，当SA/B接VA+ ，滤波器求和端之一接低通（LPA或LPB）输出端。
2 引脚12（50/100）：用于设定时钟频率fCLK与滤波频率f0的比例。当12脚 接高电平时，fCLK / f0 =50 ；当12脚接低地时，fCLK / f0 =100 。 由于 Multisim 11.0 中没有MF10芯片这里不能够做仿真.
4、放大电路的设计
前面产生的正弦波的的幅值一般是不能达到要求的5V的幅值，这里采用一个放大电路，由TL082构成。 其封装图是
电路图如图10
图10 TL082构成放大电路
一般产生的正弦波幅值为500mv左右,这里大致调成10倍.选用Rp2为20K的可调滑动变阻器,R1为1K。这时可调出输出幅值为5V的正弦波。
5、频率计的设计
显示出输出正弦波的频率选择在数码管上，选择使用计数器。本设计中的频率计开始由555施密特触发器将正弦波转化成矩形波来触发计数器显示出频率。触发的时间是1秒。该时间由555单稳态触发器的Tw来确定控制555施密特的工作达到计数器只计数1秒.
图11 频率计电路图
555单稳态触发器产生一个高电平Tw控制555施密特触发器工作1秒,1秒的时间转化的矩形波脉冲对5片74LS160级联构成的十进制计数器触发计数.由于74LS160是低电平触发所以之间接有一个74LS04的非门芯片.计数值就是矩形波的频率,也就是输出正弦波的频率.
下面给出555单稳态触发器控制555施密特触发器的波形模拟图.
图12 555单稳态触发器控制施密特触发器波形仿真 上面是单稳态触发器,开关合上时开始输出一个高电平脉冲,下面是555施密特触发器.为了快速显示结果,这里使用的RC值较小所以Tw时间较短.可以看出其控制是可以达到要求的.
6、数字电压表设计
以A/D转换器MC14433为核心器件，它有多路调制BCD码输出端和超量程，采用动态扫描显示，便于实现自动控制。它 连接着输入放大器、基准电源、计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。其中，A/D转换器将输入的模拟量转换成数字量，逻辑控制电路产生控制信号，按规定的时序将A/D转换器中各组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。A/D转换结果通过计数译码电路变换成笔段码，最后驱动显示器显示相应的数值。
数字电压表电路图
待 图
13 数字电压表电路图
备注： 1. 单刀双掷开关的电压输入端Uo接信号发生器的电压输出端，电压输出端Ui接数字电压表的输入电压端，即引脚3.
2. 单刀双掷开关接的电阻，当S接到左边的开关时，则将信号发生器输出的电
压缩小了10倍，当数码管上显示电压时，对于读出的数字应该乘以10,，此时的结果才是真正的电压值；而当开关S打到右边时，则将信号发生器输出的电压缩小了5倍，当数码管上显示电压时，对于读出的数字应该乘以5，此时的结果才是真正的电压值。 各部分的功能如下：
1. 3位半A/D转换器（MC14433）：将输入的模拟信号转换成数字信号。 2. 基准电源（MC1403）：提供精密电压，供A/D转换器作参考电压。 3. 译码器（MC4511）：将二——十进制(BCD)码转换成七段信号。
4. 驱动器（MC1413）：于东显示器的a, b, c, d, e, f, g七个发光段，驱动发光数码
管(LED)进行显示。
5. 显示器：将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换的结果。 6. 一个单刀双掷开关和三个定值电阻起到了对输入电压的缩小作用。
工作过程如下：
3位半数字电压表通过位选信号DS1～DS4进行动态扫描显示，由于MC14433电路的A/D转换结果是才有BCD码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描显示。DS1～DS4输出多路调制选通脉冲信号。DS选通脉冲为高电平时表示对应的数位被选通，此时该位数据在Q0～Q3端输出。
每个DS选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。DS和EOC的时序关系是在EOC脉冲结束后，紧接着是 DS1输出正脉冲。以下依次为 DS2，DS3和 DS4。其中 DS1对应最高位(MSD)，DS4 则对应最低位(LSD)。在对应DS2，DS3 和 DS4 选通期间，Q0～Q3 输出 BCD 全位数据，即以 8421 码方式输出对应的数字0～9．在 DS1选通期间，Q0～Q3输出千位的半位数 0 或 1及过量程、欠量程和极性标志信号。
在位选信号 DS1选通期间 Q0～Q3的输出内容如下：
（1）Q3表示千位数，Q3=0 代表千位数的数宇显示为 1，Q3=1 代表千位数的数字显示为 0。
（2）Q2表示被测电压的极性，Q2的电平为 1，表示极性为正，即 UX>0，Q2的电平为 0，
表示极性为负，即 UX
（3）小数点显示是由正电源通过限流电阻 RDP 供电燃亮小数点。若量程不同则选通对应的小数点。
过量程是当输入电压 UX超过量程范围时，输出过量程标志信号 OR 。 （1）当Q0= 1 ，Q3= 0 时表示 UX处于过量程状态。 （2）当 Q0= 1 ， Q3= 1时表示 UX处于欠量程状态。
（3）当 OR = 0 时，|UX|>1999，则溢出。 | UX|> UR则 OR 输出低电平。
（4）当 OR = 1 时，表示| UX|
器件简介：
3半位 A／D 转换器 MCl4433
（1）在数字仪表中，MC14433 电路是一个低功耗 3位半双积分式 A／D 转换器。和其它
典型的双积分 A/D 转换器类似，MC14433A／D 转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。如果必要设计应用者可参考相关参考书。
（2）使用 MC14433 时只要外接两个电阻(分别是片内 RC 振荡器外接电阻和积分电阻 RI)
和两个电容(分别是积分电容 CI和自动调零补偿电容C0)就能执行 3位半的 A／D 转换。
MC14433的内部结构如下图： MC14433引脚图
图14 MC14433的内部结构图 图15 MC14433引脚图
MCl4433 采用 24 引线双列直插式封装，外引线排列，各主要引脚功能说明如下： (1) 端：VAG，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压 UX和基准电压 VREF的参考点地。
(2) 端：RREF，外接基准电压输入端。 (3) 端：UX，是被测电压输入端。 (4) 端：RI，外接积分电阻端。
(5) 端：RI／CI，外接积分元件电阻和电容的公共接点。 (6) 端，C1，外接积分电容端，积分波形由该端输出。
(7) 和 (8) 端：C01和 C02，外接失调补偿电容端。推荐外接失调补偿电容 C0取 0.1μF。
(9) 端：DU，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在双积分放电周期即阶段5 开始前，在 DU 端输入一正脉冲，则该周期转换结果将被送入输出锁存器并经多路开关输出，否则输出端继续输出锁存器中原来的转换结果。若该端通过一电阻和 EOC 短接，则每次
转换的结果都将被输出。
(10) 端：CPI (CLKI)，时钟信号输入端。 (11) 端：CPO (CLKO)，时钟信号输出端。 (12)
端：VEE，负电源端，是整个电路的电源最负端，主要作为模拟电路部分的负电源，
该端典型电流约为 0.8mA，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向 VSS端。 (13) (14)
端：VSS负电源端．
端：EOC，转换周期结束标志输出端，每一 A／D 转换周期结束，EOC 端输出一正
脉冲，其脉冲宽度为时钟信号周期的 1／2。 (15)
端：OR ，过量程标志输出端，当|UX|>VREF时，OR 输出低电平，正常量程 OR 为
高电平。
(16)～(19) 端：对应为 DS4～DS1，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端，当 DS 端输出高电平时，表示此刻 Q。～Q3输出的 BCD 代码是该对应位上的数据。
(20)～（23）端：对应为 Q0一 Q3，分别是 A／D 转换结果数据输出 BCD 代码的最低位(LSB)、次低位、次高位和最高位输出端。 (24) 端：VDD，整个电路的正电源端。 七段锁存-译码-驱动器 MC4511
CD4511 是专用于将二-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由4 位锁存器，7 段译码电路和驱动器三布分组成。 (1) 四位锁存器(LATCH)：它的功能是将输入的 A，B，C 和
D 代码寄存起来，该电路
有锁存功能，在锁存允许端（LE 端，即 LATCHENABLE）控
制下起锁存数据的作用。
(2)七段译码电路：将来自四位锁存器输出的 BCD 代码译成七段显示码输出 。
(3)驱动器：利用内部设置的 NPN 管构成的射极输出器，
加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达 20mA。 图16 MC1413管脚图
七路达林顿驱动器阵列 MCl413
MCl413 采用 NPN 达林顿复合晶体管的结构，因此具有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受 MOS 或 CMOS 集成电路的输出信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载．该电路内含有 7 个集电极开路反相器(也称 OC 门)。MCl413 引脚如图 采用 16 引脚的双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的续流二极管。
高精度低漂移能隙基准电源 MCl403
MCl403 的输出电压的温度系数为零，即输出电压与温度无关．该电路的特点是： ① 温度系数小； ② 噪声小；
③ 输入电压范围大，稳定性能好，当输入电压从+4．5V变化到+15V 时，输出电压值变化量小于 3mV；
④输出电压值准确度较高，y。值在 2．475V～2.525V 以内； ⑤ 压差小，适用于低压电源；
⑥ 负载能力小，该电源最大输出电流为 10mA。
电路参数计算：
（1）频率计算：555产生的信号波的频率决定了正弦信号的频率，即正弦信号的频率就是矩形波的频率。
由图3和图4知，Uc将在Ucc/3与2Ucc/3之间变化，因而可求得电容C上的充电时间T1和放电时间T2
T1=（R1+Rp1）C3㏑2≈0.7（R1+Rp1） （1） T2=R1C㏑2≈0.7R2C （2）
所以输出矩形波的周期为
T=T1+T2=（Rp1+2R1）C㏑2≈0.7(Rp1+2R1)C （3） 振荡频率
f=1/T≈1.44/（Rp1+2R1）C
（4）
在此电路中用到的电容C3是100nF，设计任务要求输出的频率范围为20HZ～20KHZ，根据式.74LS160分频为555多谐振荡器的1/10,则计算时采用的频率是200HZ～200KHZ.
（4）计算可得：
a． 当输出频率最小时，即f=20HZ时，滑动变阻器Rp1=0.72M。 b． 当输出频率最大时，即f=20kHZ时，滑动变阻器Rp1=0.52k
综上所述，滑动变阻器Rp1的阻值应在0.52k～0.72M之间变化时，输出的频率可满足要求。
（2）电压放大倍数的计算：在最后一级功率放大环节中，TL082起着电压放大器的作用，按照运算放大器的的计算原则可计算出器电压放大所需要的倍数。
i1=
UiU-R8
（5）
U-U0R9
if= （6）
根据理想化条件得知：U+=0，U-=U+=0.故反向输入端为虚地。且i1= if，所以有 U0=—
R9R8
Ui （7）
上式表明，输出电压与输入电压成比例运算关系，式中的负号表示U0与Ui反相。电路的电压放大倍数为 Auf=
UoUi
=-
R9R8
（9）
在电路中电压的幅值可以通过R9来调节，本电路设计中电阻R8=15k,变阻器电阻R9=150k，最大电压放大系数为10，设计任务要求其电压幅值为5V，所以由滤波器输出的电压幅值最小为500mV。
在电路中，由于对于分频元件加法计数器74LS160和开关电容MF10的工作原理及参数的不熟悉，计算不出其理论放大倍数。本想通过仿真计算出其放大倍数，但我所用的仿真软件Multisim10中没有器件MF10，不能进行整个电路的仿真计算，但可以仿真出前两个环节的工作波形和工作电压。
三、系统综述
系统的正弦波产生是有555多谐振荡器产生矩形波经74LS160分频再经MF10滤波然后在放大达到要求的正弦波.下面是产生正弦波的电路.由于MF10芯片在Multisim中没有下面的电路用一个一阶滤波电路代替完成电路图
.
图17 正弦波产生电路
关于频率和电压的显示在单元电路的想关模块已经说明这里就不再复述.
结束语
本次设计的低频正弦信号发生器，关键是怎样产生一个高精度的正弦信号，最终对该信的电压幅度和频率显示。为了满足要求采用了MF10滤波，它能滤波成精度较高的正弦信号，其次是频率的显示，其主体部分由555定时器构成，与本学期所学知识挂钩，使我们更容易实现设计；电压的显示采用了高集成度的芯片，使外围电路简单。由于对单片机知识的生疏，设计中没有采用单片机.
参考文献
1. 2. 3. 2005
4. 版社
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谢自美，电子线路设计·实验·测试.第三版，武汉：华中科技大学出版社，
元器件明细表
鸣谢
首先要感谢的是邓秋霞老师和楚岩老师对我们的理论教导，才使得我们敢于去做去实践，还要感谢我的舍友和我一起完成了本次课程设计，感谢全班同学对我的帮助和指导，特别是林保罗同学的细心指导，再次感谢他们。
收获与体会，存在的问题等
在整个课程设计过程中我们遇到了许多困难，刚开始我们对此一头雾水，但随着在图书馆和网上进行资料的查阅我们也渐渐的了解了这个设计的原理，在设计中我们也尝试使用不同的元器件来实现他的功能，尽管比较困难。Multisim软件有时会出问题，在理论上可行的电路在调试中未必能显示出来，这就需要不断的尝试才能出正确的答案。
这次课程设计，使我受益匪浅：首先，增加了我对许多芯片的了解认识，懂得了从什么角度去理解其工作原理和作用；其次，知道了实践与理论相结合的重要性以及必须
注意的一些问题；再次，懂得了团队合作的好处与一项成果得出的不易，这也告诉自己必须不断地学习掌握新知识。最后，对我以后的工作产生了一定的积极影响。第一，在专业知识方面，又有了新的积累和增长，如知道了如何用Multisim去实现电路图的连接和仿真，知道了MF10在电路中的作用以及如何去实现它等等。第二，也是对我耐心和毅力的一种考验，懂得了做设计要有耐心和决心，要克服不骄不躁的心里劣势，一次不成再来下一次，只要心里清楚原理图正确，那么结果肯定会出来的。这也是对自己的一次小小的磨砺.