电子电路综合设计

实验报告

示波器功能扩展电路的设计与实现

学院：电子工程学院  

班级：电子五班

姓名： 林楠

学号： 2012210955

班内序号：25

示波器功能扩展电路的设计与实现

一、   摘要：

本实验旨在对普通示波器进行功能扩展，实验电路通过时钟产生电路NE555、地址产生电路74LS169、多路模拟开关CD4052、运算放大器LF353（对信号进行放大调整和线性叠加）的使用，将一个普通的双踪示波器改装为多踪示波器，能够实现用示波器一路探头输入稳定显示四路被测信号波形，并且四路被测信号的波形大小可以分别调整。

二、   关键词：

时钟电路、地址产生电路、多路模拟开关、多路示波器

三、   设计任务要求：

1、实验目的：

1） 深入掌握运算放大器组成加法器的应用

2） 掌握 555 定时器用作多谐振荡器的方法

3） 学习模拟多路选择器的工作原理和使用方法

4） 重温巩固示波器原理和使用方法

5） 提高独立设计电路和验证实验的能力

2、基本要求

设计一个将普通双踪示波器改装成为多踪示波器的电路，包括多踪示波器的时钟电路、位移电路、衰减和放大电路。能够实现用示波器一路探头输入稳定显示四路被测信号波形。输入信号幅度为0~10V，频率500Hz--5kHz,系统电源DC±5V。

3、提高要求

四路被测信号波形的大小可以分别调整

四、设计思路、总体结构框图：

 

                                                          输出

 

五、 分块电路和总体电路的设计：

5．1时钟产生电路：

利用NE555构成多谐振荡器，产生20K到200KHz的方波，其高低相间的电平可作为后续地址产生电路的控制信号。

1）     电路组成：

用555定时器构成的多谐振荡器电路如上图所示：图中电容C、电阻R1和R2作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形波正、负脉冲的宽度。定时器的触发输入端（2脚）和阀值输入端（6脚）与电容相连；集电极开路输出端（7脚）接R1、R2相连处，用以控制电容C的充、放电；外界控制输入端（5脚）通过0.01uF电容接地。

2） 工作原理：

    多谐振荡器的工作波形如图上图所示：

电路接通电源的瞬间，由于电容C来不及充电，Vc=0 V，所以555定时器状态为1，输出Vo为高电平。同时，集电极输出端（7脚）对地断开，电源Vcc对电容C充电，电路进入暂稳态，此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充、放电回路的参数。暂稳态的维持时间，即输出Vo的正向脉冲宽度；暂稳态Ⅱ的维持时间，即输出Vo的负向脉冲宽度。
　　因此，振荡周期，振荡频率。正向脉冲宽度T1与振荡周期T之比称矩形波的占空比D，由上述条件可得，若使，则D≈1/2，即输出信号的正负向脉冲宽度相等的矩形波（方波）。

本次实验要求多谐振荡器产生20K到200KHz的方波作为74LS169计数器的时钟信号，取C=1000pF=F，R2为总阻值为10KΩ的电位器，理论计算可以产生要求频率的时钟信号。

 5．2地址产生电路：

1） 电路组成：

74LS169是模16的同步二进制计数器，可以通过4位二进制输出来计时钟沿的个数，本设计中利用其2位输出、作为多路选择开关CD4052的地址。

2） 工作原理：

对照第一节中的功能表，本实验中169计数器的和计数控制端（低电平有效）和U/D(_ _)加/减计数方式控制端均接地，采取减计数方式进行计数。P0、P1、P2、P3四个并行输入端均接地。CLK时钟信号输入端（上升沿有效）输入555定时器产生的时钟信号，

由时序图知169计数器会计数时钟信号上升沿的个数，则输出555时基信号的二分频信号，输出四分频信号。输出11、10、01、00计数信号，这4个2位输出可以作为多路选择开关CD4052的地址。

5.3阶梯波产生电路/信号输入电路

1） 电路组成：

CD4052为双回路模拟开关，一路作为直流通道，另一路为信号通道，两路信号通过衰减器后在示波器上显示4路不同的波形。

2）    工作原理：

                0

                1                               数据输出 X/Y

                2

                3                              

模拟开关CD4052的X0、X1、X2、X3为X通道输入端OUT（X）端为X通道输出端，Y0、Y1、Y2、Y3端为Y通道输入端，OUT（Y）端为Y通道输出端，为使能端，低电平有效，故在本电路中接地。由于4路输入信号为交流信号，故使用双电源供电，除保证交流信号正常传输外，同时也扩大了信号输出的动态范围。直流通道是由2KΩ、1KΩ、1KΩ、1KΩ电阻组成的分压网络，分别取出3V、2V、1V、0V的直流电压作为所要显示信号波形的直流分量，使其在示波器不同的位置显示出来。信号通道的输入接被显示的信号,通过169计数器产生的地址信号、对两路信号同步的进行选通。A、B为地址控制端，由第一节中CD4052的真值表可知BA=00时X0、Y0选通，BA=01时X1、Y1选通，BA=10时X2、Y2选通，BA=11时X3、Y3选通，进而通过地址信号、对两路信号同步的进行选通。

5.4放大调整电路/加法器电路

1）电路组成:

LF353为双运算放大电路，被测信号由CD4052选通后由LF353双运放之一进行放大或衰减处理。LF353内的另一个运放则组成一个加法器电路，将经过放大或衰减处理后的被测信号与CD4052直流通路选通的直流量叠加后输出，从而使被测信号显示在示波器荧光屏不同的位置。                                       

2)工作原理：

  a） 反向放大电路：

      反向放大电路如上图所示，信号通过电阻输送到运放的反向输入端，电阻为电路的反馈电阻，一般使用运放构成放大电路时均满足深度负反馈的条件，所以可以运用虚短、虚断的概念分析。由于没有电流通过，所以同向端电位为0。故： 

，且，得为直流平衡电阻，作用是减小附加差模输入电压，。本实验中则放大倍数，即只有反向没有放大。

       b） 反向加法运算电路：

反向加法运算电路如上图所示，由于反向输入端为“虚地”，所以且有从而实现两输入信号的反向比例相加，直流平衡电阻。本实验中，则Uo=-（U1+U2），即实现直流量与被测信号的叠加。Rp=39K//39K//39KΩ=13KΩ。两个电容的作用是隔断交流信号中的直流分量。

六、所实现功能说明（已完成的基本功能和扩展功能，主要测试数据，必要的测试方法等）

1、所实现的基本功能：能够实现用示波器一路探头输入稳定显示四路被测信号波形，用示波器探头测试74LS169的Q0，Q1可以显示555时基信号的二分频和四分频方波

2、扩展功能：实现四路被测信号波形的大小可以分别调整。

3、主要测试数据

电路搭建完毕后，首先进行外观检查，检查无误后进行通电测试。通过初步测试，电路的组成已经确定。下面将针对课本所提出的各项要求进行指标进行测试和分析。

 6.3.1测试环境

     3.1.1 测试仪器

         1）双踪模拟示波器

         2）函数信号发生器

         3）直流稳压电源

     3.1.2 测试条件

         1）室温25摄氏度左右

         2）信号输入端接入函数信号发生器输出

         3）电源使用直流稳压电源提供的±5V

         4）输出端单探头接示波器

 6.3.2时钟产生电路的测试

     首先调节两路稳压电源大小均为5V，然后将555定时器的3脚接示波器，观测输出波

形是否为方波，其频率值是否满足实验要求。测试结果如下：

振荡频率f=1/T=1.443/(R1+2R2)C，占空比D=（R1+R2）/（R1+2R2），将表中数据代入得f=63.710KHz，D=0.5270.5，与实验测得信号输出震荡频率f=63.710KHz，输出占空比D=5.20/9.95=0.527相符。实验波形图如下：

 6.3.3地址产生电路的测试

    本模块目的是产生CD4052模拟开关的地址，分别将、接示波器探头，观测输出是否为555多谐振荡器产生的时钟信号得二分频信号，输出的是否为其四分频信号。

输出波形如下

二分频信号波形：

  四分频信号波形：

    

由测量出的频率以及其波形图易知输出为时钟信号的二分频信号，输出为时钟信号的四分频信号，满足本实验要求。

 6.3.4阶梯波产生电路的测试：

   

 计数器产生的地址输入AB地址控制端，通过依次选通X0、X1、X2、X3，在CD4052的直流通道X输出阶梯波，将CD4052的16脚接+5V电源，7脚接—5V电源，13脚接示波器探头，观测其输出是否为阶梯波。

     由其输出波形知X通道产生了阶梯波，其差幅为1V，阶梯波的顶部为0V，满足本实验要求。

 6.3.5输出波形的测试：

     将加法器的输出端接示波器探头，观测其输出是否为4路分开的波形。调试过成中发现，输入信号输入信号频率过大或者峰峰值过大都会造成输出信号失真或者观测不出波形。将正负稳压电源分别调到+5.00V和-5.00V输入输出峰峰值与频率值如下表所示：

  

  被测信号的频率越低，阶梯波信号的频率越高，输出的波形越好，这是由示波器的断续显示方式决定的：显示一路信号的一部分，然后显示下一路信号的一部分，每一路信号实际上是断续不完整的，但由于人眼的视觉暂留，我们感觉到波形是连续的。所以在电路正常的前提下，应尽量提高震荡的频率以提高被测信号的频率范围。调节阶梯波与被测信号叠加波形时应使各路信号不重叠。观测波形如下：

七、   故障及问题分析：

1.   输出的波形产生了相位差。由于输入的信号的频率太大，导致信号在经过运放后产生了相位差，调整振荡电路的R2，可以改变矩形波的频率，使最终的输入可以达到5KHz及以上。

2.   方波的正向出现较大失真（不平，呈现对数波形），通过调整电容值，减小充放电时间，使波形更准确，以满足最后输出波形清晰；

3.   放大器不完全理想，负反馈深度不够，通过调整开关调整接入电路的电阻大小，通过加深反馈深度增大放大倍数，以减小放大器不理想造成的影响；

4.   波形的噪声太大，是因为数字地与模拟地没有分开，分开后波形清晰，噪声明显减少。

5.   由于高频信号输出时较不稳定，并非电路问题，应该在调示波器时调整trig旋钮，以达到波形稳定输出的目的。

6.   当输入幅度变大时发生失真，改变反向放大器的顶调电位器，改变放大倍数，直至输入10V时不会发生失真。

7.   关于提高要求，在输入端加分压电路，由顶调电位器和接地电阻组成，根据接地电阻的阻值大小，可以改变该路信号的变化范围，实现分别可调。

八、实验结论：

本次实验完成了单到多踪示波器的转换，这其中主要包括以下几个模块：多谐振荡器产生时钟信号、计数器产生模拟开关的地址电路、模拟开关断续选通各路信号电路、放大电路、加法器电路。本次试验电路采用555定时器作为振荡器,输出的方波作为切换电路的控制信号。控制信号直接接在74LS169二进制计数器上作为多路开关的选通信号。CD4052为双回路模拟开关芯片,一路为直流通道,另一路为信号通道，模拟开关控制示波器断续显示各路信号，但由于人眼的视觉暂留，我们感觉到波形是连续的。两路信号通过LF353集成运算放大器相加后在示波器水平位置上同时显示四路不同的信号。

九、心得体会：

实验中让我知道了如何自主的去完成一项实验，也就是综合实验的教学目的，让我们能够自己在问题中寻找答案，通过不断地改进，使实验的结果更加明显，清晰。

实验的完成之后，我在实验上的认识和提高不仅体现在知识层面，同样我的信心和耐心也大大得到了提高。对示波器有了更深的感情，对面包板有了更清楚的了解，在搭建面包板的过程中，我从开始的无从下手，到后来，尤其是在和同学搭建的电路的对比后，一次次地修改美化，都使我增加了对它的珍爱。这些都是这次实验带给我的难得的回忆，通过此次实验，真的受益匪浅。希望以后有更多的机会，能够独自完成这样的实验，让自己得到锻炼。

十、原件清单：

第二篇：示波器的使用实验

《示波器的使用》实验示范报告

【实验目的】

1．了解示波器显示波形的原理，了解示波器各主要组成部分及它们之间的联系和配合；

2．熟悉使用示波器的基本方法，学会用示波器测量波形的电压幅度和频率；

3．观察李萨如图形。

【实验仪器】

1、双踪示波器           1台

2、函数信号发生器       1台

3、连接线               2根

示波器和信号发生器的使用说明请熟读常用仪器部分。

[实验原理]

示波器由示波管、扫描同步系统、Y轴和X轴放大系统和电源四部分组成，

1、示波管

如图所示，左端为一电子枪，电子枪加热后发出一束电子，电子经电场加速以高速打在右端的荧光屏上，屏上的荧光物发光形成一亮点。亮点在偏转板电压的作用下，位置也随之改变。在一定范围内，亮点的位移与偏转板上所加电压成正比。

    示波管结构简图                示波管内的偏转板

2、扫描与同步的作用

如果在X轴偏转板加上波形为锯齿形的电压，在荧光屏上看到的是一条水平线，如图

图扫描的作用及其显示

如果在Y轴偏转板上加正弦电压，而X轴偏转板不加任何电压，则电子束的亮点在纵方向随时间作正弦式振荡，在横方向不动。我们看到的将是一条垂直的亮线，如图

如果在Y轴偏转板上加正弦电压，又在X轴偏转板上加锯齿形电压，则荧光屏上的亮点将同时进行方向互相垂直的两种位移，其合成原理如图所示，描出了正弦图形。如果正弦波与锯齿波的周期（频率）相同，这个正弦图形将稳定地停在荧光屏上。但如果正弦波与锯齿波的周期稍有不同，则第二次所描出的曲线将和第一次的曲线位置稍微错开，在荧光屏上将看到不稳定的图形或不断地移动的图形，甚至很复杂的图形。由此可见：

（1）要想看到Y轴偏转板电压的图形，必须加上X轴偏转板电压把它展开，这个过程称为扫描。如果要显示的波形不畸变，扫描必须是线性的，即必须加锯齿波。

（2）要使显示的波形稳定，Y轴偏转板电压频率与X轴偏转板电压频率的比值必须是整数，即：

   n=1,2,3,               

示波器中的锯齿扫描电压的频率虽然可调，但要准确的满足上式，光靠人工调节还是不够的，待测电压的频率越高，越难满足上述条件。为此，在示波器内部加装了自动频率跟踪的装置，称为“同步”。在人工调节到接近满足式频率整数倍时的条件下，再加入“同步”的作用，扫描电压的周期就能准确地等于待测电压周期的整数倍，从而获得稳定的波形。

（1）如果Y轴加正弦电压，X轴也加正弦扫描电压，得出的图形将是李萨如图形，如表所示。李萨如图形可以用来测量未知频率。令f_y、f_x分别代表Y轴和X轴电压的频率，n_x代表X方向的切线和图形相切的切点数，n_y代表Y方向的切线和图形相切的切点数，则有

                              

李萨如图形举例表

如果已知f_x，则由李萨如图形可求出f_y。

【实验内容】

1．示波器的调整

（1）不接外信号，进入非X-Y方式

（2）调整扫描信号的位置和清晰度

（3）设置示波器工作方式

2．正弦波形的显示

（1）熟读示波器的使用说明，掌握示波器的性能及使用方法。

（2）把信号发生器输出接到示波器的Y轴输入上，接通电源开关，把示波器和信号发生器的各旋钮调到正常使用位置，使在荧光屏上显示便于观测的稳定波形。

3．示波器的定标和波形电压、周期的测量

（1）把Y轴偏转因数和扫描时间偏转因数旋钮都放在“校准”位置（指示灯“VAR”熄灭）。

（2）把校准信号输出端接到Y轴输入插座

（3）把信号发生器的正弦电压接到Y轴输入端，用示波器测量正弦电压的幅值和周期，并和信号发生器上显示的频率值比较。

（4）选择不同幅值和频率的5种正弦波，重复步骤（3），记下测量结果。

4．李莎如图形的观测

(1)       把信号发生器后面50Hz输出信号接到X通道，而Y通道接入可调的正弦信号

(2)       分别调节两个通道让他们能够正常显示波形

(3)       切换到X-Y模式，调整两个通道的偏转因子，使图形正常显示

(4)       调节Y信号的频率，观测不同频率比例下的李萨如图

数据记录

1、频率测量

2、电压测量

3、李莎如图形观察

4、示波器操作总结表格