簡(jiǎn)易函數(shù)信號(hào)發(fā)生器與計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

1 引言

工廠計(jì)量部門(mén)、科研院所、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室使用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和計(jì)數(shù)器計(jì)量、維修、實(shí)驗(yàn)和教學(xué)，但大多是把函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和計(jì)數(shù)器作為兩種儀器，為了方便科研教學(xué)，合二為一，把函數(shù)信號(hào)發(fā)生器與計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)成一臺(tái)儀器。

2儀器設(shè)計(jì)

圖1是具有函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和計(jì)數(shù)器的儀器電路結(jié)構(gòu)框圖，它是由ICL8038函數(shù)發(fā)生器、方波輸出接口、三角波輸出接口、正弦波輸出接口、1秒閘門(mén)單穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)電路、1 Hz振蕩器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、微分器、單穩(wěn)態(tài)控制音頻電路、音頻振蕩器、電源電路組成。

2.1 1 Hz振蕩器

振蕩器E1是由NE555、VR1、R1、R2、C1、C2組成的自激多諧振蕩器，在電源接通的瞬間，C2電容電壓未突變，E1的2引腳處于低電平，使E1的3引腳和7引腳電壓處于高電平，3引腳的高電平電壓通過(guò)R1和VR1對(duì)C2允電積分，當(dāng)積分到E1的6引腳復(fù)位電平時(shí)，振蕩器復(fù)位，使7引腳和3引腳電壓處于低電平，這時(shí)電容C2上的電壓通過(guò)VR1和R1對(duì)3引腳放電，當(dāng)C2電壓放電到2引腳的閾值電壓時(shí)，E1翻轉(zhuǎn)使7引腳和3引腳變?yōu)楦唠娖剑@樣完成了一次振蕩。該振蕩器輸出脈沖通過(guò)K1波段開(kāi)關(guān)的1檔送給計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)，發(fā)光二極管D1和R3用于指示振蕩信號(hào)輸出。

2.2十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路由BCD碼可預(yù)置數(shù)、可逆計(jì)數(shù)，BCD七段鎖定譯碼驅(qū)動(dòng)和LED七段顯示數(shù)碼管組成5位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如圖2所示。BCD碼可預(yù)置數(shù)、可逆計(jì)數(shù)，采用CD4510和CD4511集成電路，CD4510B的6、11、14、2引腳作為BCD碼(8421碼)輸出到CD4511B的7、1、2、6引腳；計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)山15引腳通過(guò)E1和K1的一檔輸人，CD4510B的10引腳接加、減選擇開(kāi)關(guān)K4，高電平為加法計(jì)數(shù)，低電平為減法計(jì)數(shù)，第5引腳是進(jìn)位輸入，第7引腳是進(jìn)位輸出，當(dāng)?shù)臀挥?jì)滿10后向高位計(jì)數(shù)器輸入一個(gè)進(jìn)位數(shù)脈沖信號(hào)。CD4510B的1引腳接預(yù)置數(shù)選擇開(kāi)關(guān)K3，當(dāng)其為高電平時(shí)，可以用BCD碼通過(guò)第3、4、12、13引腳輸入預(yù)置數(shù)，K3置低后，由15引腳CLK輸入的脈沖數(shù)，存該預(yù)置數(shù)上進(jìn)行加減。

CD4511B的BCD七段鎖定譯碼和驅(qū)動(dòng)器的7、1、2、6引腳接收CD4510B輸出的BCD碼，經(jīng)該電路譯成七段顯示碼，并驅(qū)動(dòng)FR105七段LED數(shù)碼管，顯示記錄的十進(jìn)制數(shù)值。設(shè)置一個(gè)預(yù)置數(shù)，該數(shù)為1～99 999，然后存此數(shù)基礎(chǔ)上倒計(jì)數(shù)。如果不沒(méi)預(yù)置數(shù)，可用復(fù)位開(kāi)關(guān)清零，從99 999倒計(jì)數(shù)。AN2是復(fù)位開(kāi)關(guān)．高電平時(shí)復(fù)位CD4510B的9引腳。該計(jì)數(shù)器采用5V供電，其VSS端與公共地相連。該計(jì)數(shù)器有3個(gè)輸入信號(hào)端，第一個(gè)輸入信號(hào)通過(guò)K1波段開(kāi)關(guān)的1檔接入E1的脈沖信號(hào)；第二個(gè)信號(hào)通過(guò)K1波段開(kāi)關(guān)的2檔，接收來(lái)自ICL8038的脈沖信號(hào)；第三個(gè)輸入信號(hào)通過(guò)K1波段開(kāi)關(guān)的3檔接入外部脈沖信號(hào)。

2.3微分電路

計(jì)數(shù)器從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到100時(shí)，CD4510B的11引腳和2引腳輸出高電平，兩信號(hào)的高電平反饋到74LS38與非門(mén)輸入端的1引腳和2引腳，輸出低電平，C3和R6組成微分電路，由于C3電容電壓不突變，正向微分信號(hào)對(duì)E2單穩(wěn)態(tài)的2引腳觸發(fā)無(wú)效，輸入變化的負(fù)向微分信號(hào)觸發(fā)E2單穩(wěn)態(tài)的2引腳，使E2的3引腳輸出高電平，以控制CD4066的6引腳，達(dá)到CD4066的8引腳和9引腳開(kāi)路和短接。

2.4單穩(wěn)態(tài)控制音頻電路

集成電路E2是由NE555、C4、C5、C6、C7、VR7、R5、D2組成單穩(wěn)態(tài)延時(shí)電路，在電源接通的瞬間，由于C4電容上的電壓不突變，E2的4引腳處于強(qiáng)行復(fù)位狀態(tài)，E2的3引腳輸出0 V，同時(shí)E2的7引腳內(nèi)部的三極管處于灌電流狀態(tài)，所以C6無(wú)電壓，等待2引腳的負(fù)向微分信號(hào)觸發(fā)，當(dāng)輸入變化的負(fù)向微分信號(hào)觸發(fā)E2單穩(wěn)態(tài)2引腳時(shí)，C4電壓積分至高電平，已為觸發(fā)作好準(zhǔn)備，這時(shí)E2的3引腳和7引腳為高電平，7引腳內(nèi)部的三極管處于開(kāi)路狀態(tài)。電源電壓通過(guò)R7和VR2對(duì)C6積分，當(dāng)積分電壓達(dá)到E2的復(fù)位電壓時(shí)，E2翻轉(zhuǎn)為復(fù)位狀態(tài)，即3引腳和7引腳處于低電平，C6電壓瞬間對(duì)7引腳放電，實(shí)現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)電路延時(shí)功能，輸出一個(gè)脈沖，并等待F一個(gè)微分信號(hào)觸發(fā)。脈沖信號(hào)的寬度由時(shí)間常數(shù)C6(R7+VR2)決定。

2.5音頻振蕩器

集成電路E3是由NE555、C7、C8、R10、R11、VR3組成音頻多諧振蕩器。電源接通瞬間，C8電容電壓不突變，E3的2引腳處于低電平，使E3的3引腳和7引腳電壓都處于高電平，3引腳的高電平電壓通過(guò)R10和VR3對(duì)C8充電積分，當(dāng)積分到E3的6引腳復(fù)位電平時(shí)，振蕩器復(fù)位，使7引腳和3引腳電壓處于低電平，這時(shí)電容C8上的電壓通過(guò)VR3和R10對(duì)3引腳放電，當(dāng)C8電壓放電到2引腳的閾值電壓時(shí)，E3翻轉(zhuǎn)使7腳和3引腳變?yōu)楦唠娖?，這樣完成一次振蕩。該音頻振蕩器輸出的詠沖信號(hào)加到集成電路CD4066模擬開(kāi)關(guān)的第8引腳，當(dāng)E2的單穩(wěn)態(tài)脈沖加到CD4066模擬開(kāi)關(guān)的第6引腳時(shí)，音頻信號(hào)才能從模擬開(kāi)關(guān)的8引腳送到9引腳輸出給揚(yáng)聲器發(fā)出聲響。發(fā)出聲響的長(zhǎng)短由E2輸出的脈沖寬度決定。也就是每計(jì)100個(gè)脈沖，便發(fā)出響聲。

2.6 1秒閘門(mén)單穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)電路

集成電路E4是由NE555、C9、C10、C11、C12、R12、R13、R14、R15、VR4以及按鈕開(kāi)關(guān)AN1組成的閘門(mén)開(kāi)關(guān)電路，實(shí)際上是一個(gè)開(kāi)關(guān)電路。在電源接通瞬間，由于C10電容上的電壓不突變，E4的4引腳處于強(qiáng)行復(fù)位狀態(tài)，所以E4的3引腳輸出0 V，同時(shí)E4的7引腳內(nèi)部的三極管處于灌電流狀態(tài)，所以C10無(wú)電壓，等待按下按鈕AN1來(lái)觸發(fā)。按下AN1按鈕時(shí)，由于C11電壓不突變，E4的2引腳獲得0 V電壓，這時(shí)電源電壓通過(guò)R14對(duì)C11充電，充電電壓快速上升，形成負(fù)向微分信號(hào)觸發(fā)E4單穩(wěn)態(tài)，這時(shí)E4的3引腳和7引腳為高電平，7引腳內(nèi)部的三極管處于開(kāi)路狀態(tài)，由于7引腳內(nèi)部的三極管處于開(kāi)路狀態(tài)，電源電壓通過(guò)R12和VR4對(duì)C10積分，當(dāng)積分電壓達(dá)到E4的復(fù)位電壓時(shí)，E4翻轉(zhuǎn)為復(fù)位狀態(tài)，即3引腳和7引腳處于低電平，C10上的電壓瞬間對(duì)7引腳放電，實(shí)現(xiàn)了單穩(wěn)態(tài)電路的延時(shí)功能，輸出一個(gè)脈沖，并等待下一個(gè)微分信號(hào)的觸發(fā)，該輸出脈沖用于控制集成電路74LS38與非門(mén)的第5引腳，以控制函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖能否通過(guò)與非門(mén)的第4引腳到達(dá)與非門(mén)的第6引腳。閾門(mén)脈沖信號(hào)的寬度由時(shí)間常數(shù)C10(R12+VR4)決定，即t=1.098612 3(R12+VR4)C10決定，選取C10、R12和調(diào)節(jié)VR4值，調(diào)節(jié)脈沖寬度t為1 s。向十進(jìn)制計(jì)數(shù)器輸入計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)范圍從1～99 999；當(dāng)閾門(mén)單穩(wěn)態(tài)處于測(cè)量頻率狀態(tài)時(shí)，可以測(cè)量函數(shù)發(fā)生器所產(chǎn)生的頻率，從而監(jiān)控函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出給計(jì)數(shù)器的信號(hào)頻率。

2.7 ICL8038函數(shù)發(fā)生器

ICL8038函數(shù)發(fā)生器是一種以同時(shí)產(chǎn)生方波、三角波和正弦波的專用集成電路。當(dāng)涮節(jié)外部電路參數(shù)時(shí)，可獲得占空比可調(diào)的矩形波和鋸齒波，廣泛應(yīng)用于儀器儀表。該器件的工作頻率可在0.001～300 kHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，輸出正弦波的失真度小于1％，三角波輸出的線性度優(yōu)于0.1％。脈沖輸出的占空比的調(diào)節(jié)范圍1～99％，輸出方波的電平為4.2～28 V，外接較少元件就能完成要求功能，使用靈活，適應(yīng)性強(qiáng)。

本電路的電源電壓采用+15 V，輸出的振蕩頻率f=0.15／[(R17+VR10)C]；R19為內(nèi)部正弦波轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的偏置電阻，采用82 kΩ；R18是開(kāi)路集電極9引腳的推拉電阻；2引腳輸出正弦波電壓，3引腳輸出三角波電壓，9引腳輸出方波電壓，11引腳接地，7引腳和8引腳短接，6引腳接+15 V。按上述正確的接法，用示波器探頭測(cè)量2、3、9引腳，并調(diào)節(jié)VR10，即可看到各種波形的變化頻率。為滿足不同頻率和不同電壓幅度的要求和帶負(fù)載能力，輸出信號(hào)采用集成電路LM324運(yùn)算放大器。

ICL8038函數(shù)發(fā)生器的9引腳輸出方波分成兩路，第一路經(jīng)分壓器、波段開(kāi)關(guān)K6、LM324的3引腳，由1引腳緩沖輸出，該緩沖器起到負(fù)載與信號(hào)源之間的隔離，以滿足測(cè)量的準(zhǔn)確性；第二路經(jīng)計(jì)數(shù)電路(見(jiàn)圖2)，經(jīng)與非門(mén)74LS38的4引腳，5引腳為高電平時(shí)，經(jīng)過(guò)6引腳和波段開(kāi)關(guān)K1的第2檔，對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行頻率測(cè)量：ICL8038函數(shù)發(fā)生器的2引腳和3引腳分別輸出正弦波和三角波，通過(guò)LM324放大器輸出，通過(guò)VR5、VR6、VR8、VR9電位器調(diào)節(jié)，輸出不同幅值的正弦波和三角波電壓信號(hào)，如圖3所示。

3儀器調(diào)試

儀器在使用前應(yīng)進(jìn)行電路自檢，首先把波段開(kāi)關(guān)K1打在1檔，K3置于低電平，K4置于高電平，啟動(dòng)電源，按動(dòng)AN2按鈕，給計(jì)數(shù)器復(fù)位后，這時(shí)發(fā)光二極管D1閃動(dòng)發(fā)亮，說(shuō)明E1多諧振蕩器7引腳輸出的秒脈沖信號(hào)起作用，這時(shí)5位數(shù)碼管在秒脈沖的作用下正向計(jì)數(shù)，然后K3置于高電平，任意給M1、M2、M3、M4、M5的8421編碼開(kāi)關(guān)設(shè)置數(shù)值，設(shè)置好后，K3置與低電平，此時(shí)可以看到，計(jì)數(shù)器在設(shè)置數(shù)的基礎(chǔ)上累加計(jì)數(shù)，接著K4置于低電平，進(jìn)行減法計(jì)數(shù)；再把K1置于第2檔，然后復(fù)位，按下AN1按鈕，此時(shí)顯示的值就是函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的頻率值；把K1置于第3檔，用一導(dǎo)線從方波的接線柱(圖3)連接到K1外接輸入接線柱端(圖2)，這時(shí)計(jì)數(shù)器快速計(jì)數(shù)，全部自檢完畢，整個(gè)儀器即可正常使用。

4結(jié)語(yǔ)

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器與計(jì)數(shù)器在工廠自動(dòng)生產(chǎn)線、科研院所和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室得以廣泛使用，本儀器函數(shù)信號(hào)發(fā)生器與計(jì)數(shù)器既可以單獨(dú)使用，也可整體使用，計(jì)數(shù)器反饋支路可接成任何計(jì)數(shù)值報(bào)警音響系統(tǒng)，還可根據(jù)需要加以擴(kuò)展，從而控制設(shè)備。此儀器通過(guò)多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)，效果良好。