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简易函数信号发生器与计数器设计

作者:时间:2008-10-08来源:网络收藏

1 引言

工厂计量部门、科研院所、大学物理实验室使用计量、维修、实验和教学,但大多是把作为两种仪器,为了方便科研教学,合二为一,把设计成一台仪器。

2仪器设计

图1是具有函数信号发生器和计数器的仪器电路结构框图,它是由ICL8038函数发生器、方波输出接口、三角波输出接口、正弦波输出接口、1秒闸门单稳态开关电路、1 Hz振荡器、十进制计数器、微分器、单稳态控制音频电路、音频振荡器、电源电路组成。

2.1 1 Hz振荡器

振荡器E1是由NE555、VR1、R1、R2、C1、C2组成的自激多谐振荡器,在电源接通的瞬间,C2电容电压未突变,E1的2引脚处于低电平,使E1的3引脚和7引脚电压处于高电平,3引脚的高电平电压通过R1和VR1对C2允电积分,当积分到E1的6引脚复位电平时,振荡器复位,使7引脚和3引脚电压处于低电平,这时电容C2上的电压通过VR1和R1对3引脚放电,当C2电压放电到2引脚的阈值电压时,E1翻转使7引脚和3引脚变为高电平,这样完成了一次振荡。该振荡器输出脉冲通过K1波段开关的1档送给计数电路计数,发光二极管D1和R3用于指示振荡信号输出。

2.2十进制计数器 十进制计数器电路由BCD码可预置数、可逆计数,BCD七段锁定译码驱动和LED七段显示数码管组成5位十进制计数器,如图2所示。BCD码可预置数、可逆计数,采用CD4510和CD4511集成电路,CD4510B的6、11、14、2引脚作为BCD码(8421码)输出到CD4511B的7、1、2、6引脚;计数脉冲信号山15引脚通过E1和K1的一档输人,CD4510B的10引脚接加、减选择开关K4,高电平为加法计数,低电平为减法计数,第5引脚是进位输入,第7引脚是进位输出,当低位计满10后向高位计数器输入一个进位数脉冲信号。CD4510B的1引脚接预置数选择开关K3,当其为高电平时,可以用BCD码通过第3、4、12、13引脚输入预置数,K3置低后,由15引脚CLK输入的脉冲数,存该预置数上进行加减。

CD4511B的BCD七段锁定译码和驱动器的7、1、2、6引脚接收CD4510B输出的BCD码,经该电路译成七段显示码,并驱动FR105七段LED数码管,显示记录的十进制数值。设置一个预置数,该数为1~99 999,然后存此数基础上倒计数。如果不没预置数,可用复位开关清零,从99 999倒计数。AN2是复位开关.高电平时复位CD4510B的9引脚。该计数器采用5V供电,其VSS端与公共地相连。该计数器有3个输入信号端,第一个输入信号通过K1波段开关的1档接入E1的脉冲信号;第二个信号通过K1波段开关的2档,接收来自ICL8038的脉冲信号;第三个输入信号通过K1波段开关的3档接入外部脉冲信号。

2.3微分电路

计数器从0开始计数,当计数到100时,CD4510B的11引脚和2引脚输出高电平,两信号的高电平反馈到74LS38与非门输入端的1引脚和2引脚,输出低电平,C3和R6组成微分电路,由于C3电容电压不突变,正向微分信号对E2单稳态的2引脚触发无效,输入变化的负向微分信号触发E2单稳态的2引脚,使E2的3引脚输出高电平,以控制CD4066的6引脚,达到CD4066的8引脚和9引脚开路和短接。

2.4单稳态控制音频电路

集成电路E2是由NE555、C4、C5、C6、C7、VR7、R5、D2组成单稳态延时电路,在电源接通的瞬间,由于C4电容上的电压不突变,E2的4引脚处于强行复位状态,E2的3引脚输出0 V,同时E2的7引脚内部的三极管处于灌电流状态,所以C6无电压,等待2引脚的负向微分信号触发,当输入变化的负向微分信号触发E2单稳态2引脚时,C4电压积分至高电平,已为触发作好准备,这时E2的3引脚和7引脚为高电平,7引脚内部的三极管处于开路状态。电源电压通过R7和VR2对C6积分,当积分电压达到E2的复位电压时,E2翻转为复位状态,即3引脚和7引脚处于低电平,C6电压瞬间对7引脚放电,实现单稳态电路延时功能,输出一个脉冲,并等待F一个微分信号触发。脉冲信号的宽度由时间常数C6(R7+VR2)决定。

2.5音频振荡器

集成电路E3是由NE555、C7、C8、R10、R11、VR3组成音频多谐振荡器。电源接通瞬间,C8电容电压不突变,E3的2引脚处于低电平,使E3的3引脚和7引脚电压都处于高电平,3引脚的高电平电压通过R10和VR3对C8充电积分,当积分到E3的6引脚复位电平时,振荡器复位,使7引脚和3引脚电压处于低电平,这时电容C8上的电压通过VR3和R10对3引脚放电,当C8电压放电到2引脚的阈值电压时,E3翻转使7脚和3引脚变为高电平,这样完成一次振荡。该音频振荡器输出的咏冲信号加到集成电路CD4066模拟开关的第8引脚,当E2的单稳态脉冲加到CD4066模拟开关的第6引脚时,音频信号才能从模拟开关的8引脚送到9引脚输出给扬声器发出声响。发出声响的长短由E2输出的脉冲宽度决定。也就是每计100个脉冲,便发出响声。

2.6 1秒闸门单稳态开关电路

集成电路E4是由NE555、C9、C10、C11、C12、R12、R13、R14、R15、VR4以及按钮开关AN1组成的闸门开关电路,实际上是一个开关电路。在电源接通瞬间,由于C10电容上的电压不突变,E4的4引脚处于强行复位状态,所以E4的3引脚输出0 V,同时E4的7引脚内部的三极管处于灌电流状态,所以C10无电压,等待按下按钮AN1来触发。按下AN1按钮时,由于C11电压不突变,E4的2引脚获得0 V电压,这时电源电压通过R14对C11充电,充电电压快速上升,形成负向微分信号触发E4单稳态,这时E4的3引脚和7引脚为高电平,7引脚内部的三极管处于开路状态,由于7引脚内部的三极管处于开路状态,电源电压通过R12和VR4对C10积分,当积分电压达到E4的复位电压时,E4翻转为复位状态,即3引脚和7引脚处于低电平,C10上的电压瞬间对7引脚放电,实现了单稳态电路的延时功能,输出一个脉冲,并等待下一个微分信号的触发,该输出脉冲用于控制集成电路74LS38与非门的第5引脚,以控制函数信号发生器产生的脉冲能否通过与非门的第4引脚到达与非门的第6引脚。阈门脉冲信号的宽度由时间常数C10(R12+VR4)决定,即t=1.098612 3(R12+VR4)C10决定,选取C10、R12和调节VR4值,调节脉冲宽度t为1 s。向十进制计数器输入计数脉冲时,计数脉冲信号范围从1~99 999;当阈门单稳态处于测量频率状态时,可以测量函数发生器所产生的频率,从而监控函数信号发生器输出给计数器的信号频率。

2.7 ICL8038函数发生器

ICL8038函数发生器是一种以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路。当涮节外部电路参数时,可获得占空比可调的矩形波和锯齿波,广泛应用于仪器仪表。该器件的工作频率可在0.001~300 kHz范围内调节,输出正弦波的失真度小于1%,三角波输出的线性度优于0.1%。脉冲输出的占空比的调节范围1~99%,输出方波的电平为4.2~28 V,外接较少元件就能完成要求功能,使用灵活,适应性强。

本电路的电源电压采用+15 V,输出的振荡频率f=0.15/[(R17+VR10)C];R19为内部正弦波转换网络的偏置电阻,采用82 kΩ;R18是开路集电极9引脚的推拉电阻;2引脚输出正弦波电压,3引脚输出三角波电压,9引脚输出方波电压,11引脚接地,7引脚和8引脚短接,6引脚接+15 V。按上述正确的接法,用示波器探头测量2、3、9引脚,并调节VR10,即可看到各种波形的变化频率。为满足不同频率和不同电压幅度的要求和带负载能力,输出信号采用集成电路LM324运算放大器。

ICL8038函数发生器的9引脚输出方波分成两路,第一路经分压器、波段开关K6、LM324的3引脚,由1引脚缓冲输出,该缓冲器起到负载与信号源之间的隔离,以满足测量的准确性;第二路经计数电路(见图2),经与非门74LS38的4引脚,5引脚为高电平时,经过6引脚和波段开关K1的第2档,对计数器进行频率测量:ICL8038函数发生器的2引脚和3引脚分别输出正弦波和三角波,通过LM324放大器输出,通过VR5、VR6、VR8、VR9电位器调节,输出不同幅值的正弦波和三角波电压信号,如图3所示。

3仪器调试

仪器在使用前应进行电路自检,首先把波段开关K1打在1档,K3置于低电平,K4置于高电平,启动电源,按动AN2按钮,给计数器复位后,这时发光二极管D1闪动发亮,说明E1多谐振荡器7引脚输出的秒脉冲信号起作用,这时5位数码管在秒脉冲的作用下正向计数,然后K3置于高电平,任意给M1、M2、M3、M4、M5的8421编码开关设置数值,设置好后,K3置与低电平,此时可以看到,计数器在设置数的基础上累加计数,接着K4置于低电平,进行减法计数;再把K1置于第2档,然后复位,按下AN1按钮,此时显示的值就是函数发生器产生的频率值;把K1置于第3档,用一导线从方波的接线柱(图3)连接到K1外接输入接线柱端(图2),这时计数器快速计数,全部自检完毕,整个仪器即可正常使用。

4结语

函数信号发生器与计数器在工厂自动生产线、科研院所和大学物理实验室得以广泛使用,本仪器函数信号发生器与计数器既可以单独使用,也可整体使用,计数器反馈支路可接成任何计数值报警音响系统,还可根据需要加以扩展,从而控制设备。此仪器通过多年实验教学,效果良好。

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