电子系统课程设计报告--数控脉冲信号发生器

电子系统课程设计报告--数控脉冲信号发生器 国家电工电子实验教学中心 电子系统课程设计 设计目: 数控脉冲信号发生器 学 院: 电子信息学院 专 业: 学生姓名: 学 号: 指导教师: 电子系统课程设计——设计报告 目录 1 设计任务要求 ..................................................... 2 1.1 基本部分 ................................................... 2 1.2 发挥部分 ................................................... 2 2 设计及论证 ................................................... 3 任务分析 ................................................... 3 2.1 2.2 方案比较 ................................................... 3 2.3 系统结构设计 ............................................... 4 2.4 具体电路设计 ............................................... 5 2.4.1 产生基准频率 .......................................... 5 2.4.2 N分频电路 ............................................ 6 2.4.3 锁相环设计 ............................................ 7 2.4.4 功率放大电路 .......................................... 9 3 制作及调试过程 .................................................. 12 3.1 制作与调试流程 ............................................ 12 3.1.1 分频电路 ............................................. 12 3.1.2 锁相环电路 ........................................... 12 3.1.3 功率放大电路 ......................................... 12 3.2 遇到的问题与解决方法 ...................................... 12 4 系统测试 ........................................................ 13 4.1 测试方法 .................................................. 13 4.1.1 脉冲信号产生部分 ..................................... 13 4.1.2 功率放大电路 ......................................... 13 4.2 测试数据 .................................................. 13 4.3 数据分析和结论 ............................................ 13 5 系统使用 .................................................... 14 5.1 系统外观及接口说明 ........................................ 14 5.2 系统操作使用说明 .......................................... 14 6 总结 ............................................................ 15 6.1 本人所做工作 .............................................. 15 6.2 收获与体会 ................................................ 15 6.3 缺陷与不足 ................................................ 15 6.4 对本课程的建议 ............................................ 16 7 参考文献 ........................................................ 16 1 电子系统课程设计——设计报告 1 设计任务要求 1.1 基本部分 (1)输出1kHz,15kHz的方波脉冲信号，占空比50%，波形良好，无明显失真。 (2)信号发生器输出电阻不限，在负载电阻为100Ω时，输出脉冲信号电平满足TTL电平要求。 (3)输出信号频率可通过拨码开关输入二进制数字预置，步进频率1kHz(即可输出信号频率1kHz、2kHz、3kHz、……、15kHz)，要求拨码开关所预置的二进制数值即为输出频率值(单位:kHz)。输出信号频率的精度和稳定度要求优于-410。 1.2 发挥部分 (1)输出信号频率范围2.0kHz,20.0kHz，步进频率0.1kHz(即可输出信号频率2.0kHz、2.1kHz、2.2kHz、……、19.9kHz，20.0kHz)。 (2)设计信号发生器输出电阻为50Ω。在负载电阻为50Ω时，输出信号高电平5V，低电平-5V，误差不大于10%(测试时用示波器分别测信号发生器空载输出电平UOpen和带负载时的输出电平ULoad，应满足 UOpen = 2*ULoad)。 (3)增加按键输入和显示功能。要求用按键(可用成品键盘或用按键开关自制，按键数量不限)输入信号频率(按键输入方式不限)，利用数码管或液晶显示器显示键入的数字和当前输出信号频率。 (4)增加输出保护功能。当信号发生器输出发生短路时，自动启动保护电路，切断输出并发出报警。短路去除后，自动恢复正常输出。 2 电子系统课程设计——设计报告 2 设计方案及论证 2.1 任务分析 基础频率部分的要求是输出1kHz,15kHz的方波脉冲信号，步进频率为1kHz，采用频率为4.096MHz的石英晶体振荡器，通过4096分频得到1kHz的基 ,15倍频，最终得到1kHz,15kHz的方波脉冲信准频率，再利用锁相环进行N=1 号。发挥频率部分的要求是输出信号频率的范围为2.0kHz,20.0kHz，步进频率变为0.1kHz，因此采用4.096MHz的晶振需要经过M=10000分频得到100Hz的基准频率，然后利用锁相环进行N=20,200倍频，最终得到2.0kHz,20.0kHz的方波脉冲信号。发挥部分要求设计信号发生器输出电阻为50Ω。在负载电阻为50Ω的情况下，输出信号高电平5V，低电平-5V，并且误差不大于10%。锁相环的输出的脉冲的电压和电流都比较小，要实现以上功能必须在锁相环输出加一个功率放大电路，以提高其带载能力，并实现高低电平+5V、-5V的要求。我们采用了甲乙类互补推挽功放做功率放大电路，以提高其带载的要求，并实现高低电平+5V、-5V的要求。显示电路要求有按键输入和显示功能。要求用按键输入信号频率，利用数码管或液晶显示器显示键入的数字和当前输出信号频率。于是我们使用3位BCD码拨码开关实现按键功能和显示，3为BCD码依次是百位、十位、各位。使用3片7447以及加3个共阳数码管。通过BCD码拨码开关拨码，就可以通过7447和共阳数码管实现出来相应的频率。因为输出信号的精度要求是10 ˆ-4所以我们用的是石英晶体振荡电路。分频输出的信号占空比不是50%，但是经过锁相环以后就变成了占空比为50%的方波了。 2.2 方案比较 分频电路的设计: 先利用利用石英晶体振荡器加分频电路产生基准频率采用频率为4.096MHz的石英晶体振荡器，通过CD4060分频器的4096分频以后，得到频率为1kHz的脉冲信号，然后通过CD4017的十分频以后频率变为100Hz，于是成为了100Hz的基准脉冲信号。石英晶体谐振器具有极高的稳定性，用它作为谐振元件构成的 -9晶体振荡器的频率稳定度可优于10。然后进行分频。 方案一:BCD码减法计数器CD4522 3 电子系统课程设计——设计报告 CD4522是可预置数的二一十进制1/N减计数器。其中D1-D4是预置端，Q1—Q4是计数器输出端，其余控制端的功能是当PE=1时，D1—D4值置进计数器EN=0，且CP到来时，计数器Q1—Q4减计数;CF=1且计数器Q1—Q4减到0时，QC，CR同时为1时，计数器清零。 一片4522分频器，拨盘开关为BCD码开关。4个100K电阻用来保证当拨盘开关为某脚不和A相连，即悬空时，为低电平。工作过程为:设拨盘开关拨到N，当某时刻PE(3)=1，则N置到IC内的计数器中，下一个CP来时，计数器减计数变为N-1，……，一直到第N个CP来时，计数器为0。这时由于CF(13)=1，所以QC(12)=1，也即PE(3)=1又恢复到开始状态，开始一个新的循环。很显然，每来个N个CP，QC(12)就会出现一个高电平，也就是QC(12)应是CP的N分频信号。 方案二:用单片机编程分频 单片机用内部的定时/计数器进行分频，根据分频值计算计数器设定的初值，通过查询P1、P2、P3的分频倍数，从计数初值开始计数，溢出后，通过单片机的输出口得到分频后的信号。这个方案的难点是设计程序，由于我们不是很熟练，所以没有采用这种方案。 方案三:减法计数器CD40103 采用CD40103，CD40103是一种带预置数功能的二进制减法计数器，能够实现的计数范围从0到255。CD40103作为分频器,用来实现PLL 电路输出是输入信号频率不同倍数的输出信号,作为触发采样信号 由于单片机编程实现分频难度较大，而且经过查资料得知CD4522比CD40103预制功能更加适合高倍分频， BCD比起二进制码容易很多，所以分频方案最终确定为利用CD4522进行BCD码预制实现N分频。 由于用单片机编程分频我们不是很熟悉，经过查阅资料CD4522比CD40103预制功能更加适合高倍分频，而且用BCD码相比二进制码更容易很多，所以我们最后决定用4522分频。 2.3 系统结构设计 脉冲信号发生器的整体结构框图如图2-3 4 电子系统课程设计——设计报告 图2-3脉冲信号发生器的整体结构框图 整个系统的流程是，先利用石英晶体振荡器产生4.096MHz频率的信号，然后通过分频器CD4060分频4096，CD4017分频10，产生100Hz的基准频率;用三片BCD码减法计数器CD4522实现20-200分频。也就是锁相环的N是20-200，乘以基准频率就是2k-20kHz。七段显示译码器和共阳极数码管显示输出频率值。LM311和推挽互补式功率放大电路输出功率，满足输出带载要求。 2.4 具体电路设计 2.4.1 产生基准频率 用频率为4.096MHz的石英晶体振荡器产生信号，CD4060分频4096倍以后得到频率为1KHz的脉冲信号，然后通过模10计数器CD4017得到100Hz的基准脉冲信号。此时输出占空比比较小，但是后面可以调节改正。晶振产生电路如图2-4-1 5 电子系统课程设计——设计报告 图2-4-1 基准频率产生电路 2.4.2 N分频电路 分频电路如图2-4-2，三片CD4522级联实现20-200分频，，当3端口PE=0时，预置功能无效，Q4-Q1为1001，当CF=1时，Q4-Q1开始减计数，当Q4-Q1减为0时，等到下一个时钟脉冲到来时，QC端由0变为1，个位片的Q4连接十位片的CP端，十位片的Q4连接百位片的CP，高位片的QC连接次高位片的CF端，使百位片每计满100个时钟脉冲进行减1计数，十位片每经过10个时钟脉冲后减1计数;当PE=1时，预置功能有效，即将拨码开关代的8421BCD码高位至低位置入D3-D0。 6 电子系统课程设计——设计报告 图2-4-2 N分频器电路连接图 2.4.3 锁相环设计 锁相环连接如图2-4-3(c)，计算参考图如图2-4-2(a)，2-4-3(b)。本设计中，M固定，N可变。基准频率可变。基准频率fin定为 100 Hz，改变N值使得N= 20-200，则可产生fout=2KHz—20KHz的频率范围且进步频率为0.1kHz。 fmax=20kHz,fmin=2kHz,则fmax/fmin=10 使用相位比较器2，若R2=?，R1=10K由fo=(fmin +fmax)/2=11KHz 参照图并选定Vdd=5v，可得c1=1nf,又因为 2fc=fmax-fmin=19kHz,2fl=fmax-fmin=19kHz, 根据式(2-4-3)T1=R3*C2，最终算出R3*C2=2π*fl/(2πfc)2 =8.4*10^-6s，令C2=22uf，得到R3?44K (式2-4-3) 7 电子系统课程设计——设计报告 图2-4-3(a) 图2-4-3(b) 8 电子系统课程设计——设计报告 图2-4-3(c) 锁相环电路连接图 2.4.4 功率放大电路 功率放大电路主要完成保证当负载50Ω时负载两端电压为-5v—+5v。电路设计中采用了两个三极管构成了如下图所示的开关电路。当输入为高电平时下面的三极管工作，上面的三极管截止，输出为-10v 相反输出为+10v。两个与三极管集电极相连的电阻及图中的R3、R5 是经过筛选和模拟仿真最终选定为10kΩ。功率放大电路仿真图如图2-4-4。 9 电子系统课程设计——设计报告 图2-4-4功率放大电路 实验中LM311电路连接如图2-4-5所示,其中Vcc和-Vcc分别接+12V和-12V。 图2-4-5 正负10V转换电路连接图 功率放大电路如图2-4-6所示，设计中了两个三极管构成了推挽式结构，当输入为高电平时下面的三极管工作，上面的三极管截止，输出为-10v相反输出为+10v。 10 电子系统课程设计——设计报告 图2-4-6 推挽式功率放大电路 整体电路图如图2-4-7所示: 图2-4-7 总体电路图 11 电子系统课程设计——设计报告 3 制作及调试过程 3.1 制作与调试流程 3.1.1 分频电路 分频电路比较简单，只要设定好分频系数，几乎不会出现差错。 3.1.2 锁相环电路 锁相环:内部有两个比较器我们使用的是比较器2，它对输入的较信号要求不高，但是实际电路中由于cd40107输出的脉冲信号其占空比虽然比较小，但是我们测试后还是能够满足锁相环要求，所以的输出失真较小。在输出信号正常后，我们发现频率大于18kHZ时锁相环的输出不再随入改变而。经检查我们发现是锁相环6、7管脚间的电容取得过大，将其改小后锁相环输出正常。 3.1.3 功率放大电路 功放电路部分:我们最初设计为压跟随器，但是所用芯片的输出电阻不能符合要求，随后使用TDA2030，但是该芯片不能放大方波信号因而我们又舍弃了这种案。最后选用两个三极管做放大，先是经过电路板模仿后发现波形有明显失真，检查是阻不合适改变之后，输出正常。 3.2 遇到的问题与解决方法 其实这次课设我们本来可以早点儿出来，但是因为很多小的地方的错误导致我们开始一直不成功，可能这就是熬夜焊板子的缺点吧，还是养足精神休息好效率会更高，磨刀不误砍柴工。比如说，在拨码开关后边我们加了电阻以后，我们的数码显示管就没有加电阻，我们以为前面的电阻就是已经加了的。还有就是CMOS和TTL电路条件不同时满足的情况我们也没有考虑周全，所以最后考虑到的时候时间已经不多了，只好放弃。 12 电子系统课程设计——设计报告 4 系统测试 4.1 测试方法 4.1.1 脉冲信号产生部分 将功率放大电路之前的所有芯片接通电源+5V，接地端均接地，然后将锁相环压控振荡器的输出端4接至示波器，观察示波器显示波形，通过拨码开关预置不同的N分频值，观测信号频率的变化情况及其电压负幅度值。 4.1.2 功率放大电路 锁相环压控振荡器的输出端口4接至电压转换芯片LM311的反相输入端口2，给电压转换及推挽式结构接通正负12V电源，接地端统一接地，将示波器接至50Ω负载两端，观测示波器显示信号频率是否保持不变，以确保功率放大后波形无明显失真，同时测量功率放大后信号的电压幅度值，确定信号功率得到放大。 4.2 测试数据 整个脉冲信号发生系统测试数据如表4-2-1所示: 拨码开关输入 输出频率 输出电压幅度/V 波形失真 N f/KHz 情况 50Ω 空载 20 2.000kHz ?4.8V ?9.7V 无明显失真 40 4.008kHz ?4.7V ?9.5V 无明显失真 80 7.992kHz ?4.8V ?9.6V 无明显失真 160 16.000kHz ?4.9V ?9.7V 无明显失真 200 20.000kHz ?4.8V ?9.9V 无明显失真 表4-2-1 脉冲信号发生系统测试数据 4.3 数据分析和结论 波形从2kHz-20kHz 输出波形良好并无明显失真。幅度值有一定的误差，但 13 电子系统课程设计——设计报告 是属于实验许可范围内 5 系统使用说明 5.1 系统外观及接口说明 图5-1-1 频率信号发生器实物 图5-1-2 电压转换及功率放大电路实物 5.2 系统操作使用说明 (1)将各芯片(CD4049、CD4017、CD4046、CD4522及LM311)接通相应的电源， 14 电子系统课程设计——设计报告 接地端口统一接地。 (2)使用拨码开关预置N分频值，例如要实现152分频，则将三个拨码开关按BCD码分别拨至0001、0101和0010。 (3)输出端输出相应频率的方波信号，如15.2kHz。 (4)改变拨码开关BCD码，得到2-20kHz中任意频率(步进为0.1kHz)。 (5)断开电源，信号发生器停止工作。 6 总结 6.1 本人所做工作 实际完成的工作:分频设计，大部分焊接，测试 6.2 收获与体会 这次课程设计是第一次我们自己进行设计完成，以前的数电实验，单片机课程设计都参考了很多网上的设计，然后再把实验弄明白。这次基本上网上没有直接做相似功能的电路，我们只能一部分一部分的查找资料，结合电路的需求进行功能的改进最后进行连接。在设计中我们不仅用到了课本里所学的芯片还用了其他没有接触过的芯片，这样使我们的思路一下就得到了扩展，同时加深了对课本内容的理解。而且这次实验比较综合，其中用到了数电，模电，电子测量，单片机等课程的知识。单片机的方案虽然我们没有用，但是在设计构想的时候我们还是广泛查了一下资料，并且亲手试着编了一下程序，由于后来我们想到了用4522进行BCD的分频，我们觉得这种方案更简单清晰于是我们就采用了这一方案。实验的过程中大部分的焊接是我完成的，刚开始上手的时候还是有些陌生，后来脱焊，布线就已经很娴熟了，而且亲手进行焊接能加深自己对电路的理解。经过运用仿真软件让我们增加了一种技能，能从里一个角度认识我们的板子，从而告诉我们如何改进。这次实验我们是两个人共同完成，我们分工明确，也锻炼了我们的团队协作能力。 6.3 缺陷与不足 经过焊接我们的分频和显示功能都能完整实现，但是显示部分没有出来，因 15 电子系统课程设计——设计报告 为我们开始没有想到CMOS电路和TTL电路条件的不兼容情况，导致我们后来时间比较紧，所以就没有做成。 6.4 对本课程的建议 由于考试比较密集，所以今后课程还是最好安排在小学期当中，这样我们就能够全身心的投入其中，不用分心。尤其是对于这种自主设计较多的课程设计，不仅要查阅很多资料，而且还要加入自己的设计思想。这学期的课程设计我们做的很匆忙，于是就大体上按照一种思路做下去，遇到问题也是进行小的改动，没时间进行方案的优化与改进。时间的问题也造成了我们思路的片面化，测试与预期出现了偏差。其他同学很多也出现了类似情况。 7 参考文献 [1] 侯建军.数字电子技术基础(第二版).北京:高等教育出版社，2007 [2] 罗国新.CMOS集成电路电路应用设计[M].福州:福建科学技术出版设，2004 16