簡易函數(shù)信號發(fā)生器與計數(shù)器設計

1 引言

工廠計量部門、科研院所、大學物理實驗室使用函數(shù)信號發(fā)生器和計數(shù)器計量、維修、實驗和教學，但大多是把函數(shù)信號發(fā)生器和計數(shù)器作為兩種儀器，為了方便科研教學，合二為一，把函數(shù)信號發(fā)生器與計數(shù)器設計成一臺儀器。

2儀器設計

圖1是具有函數(shù)信號發(fā)生器和計數(shù)器的儀器電路結構框圖，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秒閘門單穩(wěn)態(tài)開關電路、1 Hz振蕩器、十進制計數(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R1和VR1對C2允電積分，當積分到E1的6引腳復位電平時，振蕩器復位，使7引腳和3引腳電壓處于低電平，這時電容C2上的電壓通過VR1和R1對3引腳放電，當C2電壓放電到2引腳的閾值電壓時，E1翻轉使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K1波段開關的1檔送給計數(shù)電路計數(shù)，發(fā)光二極管D1和R3用于指示振蕩信號輸出。

2.2十進制計數(shù)器 十進制計數(shù)器電路由BCD碼可預置數(shù)、可逆計數(shù)，BCD七段鎖定譯碼驅動和LED七段顯示數(shù)碼管組成5位十進制計數(shù)器，如圖2所示。BCD碼可預置數(shù)、可逆計數(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；計數(shù)脈沖信號山15引腳通過E1和K1的一檔輸人，CD4510B的10引腳接加、減選擇開關K4，高電平為加法計數(shù)，低電平為減法計數(shù)，第5引腳是進位輸入，第7引腳是進位輸出，當?shù)臀挥嫕M10后向高位計數(shù)器輸入一個進位數(shù)脈沖信號。CD4510B的1引腳接預置數(shù)選擇開關K3，當其為高電平時，可以用BCD碼通過第3、4、12、13引腳輸入預置數(shù)，K3置低后，由15引腳CLK輸入的脈沖數(shù)，存該預置數(shù)上進行加減。

CD4511B的BCD七段鎖定譯碼和驅動器的7、1、2、6引腳接收CD4510B輸出的BCD碼，經該電路譯成七段顯示碼，并驅動FR105七段LED數(shù)碼管，顯示記錄的十進制數(shù)值。設置一個預置數(shù)，該數(shù)為1～99 999，然后存此數(shù)基礎上倒計數(shù)。如果不沒預置數(shù)，可用復位開關清零，從99 999倒計數(shù)。AN2是復位開關．高電平時復位CD4510B的9引腳。該計數(shù)器采用5V供電，其VSS端與公共地相連。該計數(shù)器有3個輸入信號端，第一個輸入信號通過K1波段開關的1檔接入E1的脈沖信號；第二個信號通過K1波段開關的2檔，接收來自ICL8038的脈沖信號；第三個輸入信號通過K1波段開關的3檔接入外部脈沖信號。

2.3微分電路

計數(shù)器從0開始計數(shù)，當計數(shù)到100時，CD4510B的11引腳和2引腳輸出高電平，兩信號的高電平反饋到74LS38與非門輸入端的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，正向微分信號對E2單穩(wěn)態(tài)的2引腳觸發(fā)無效，輸入變化的負向微分信號觸發(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，達到CD4066的8引腳和9引腳開路和短接。

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引腳處于強行復位狀態(tài)，E2的3引腳輸出0 V，同時E2的7引腳內部的三極管處于灌電流狀態(tài)，所以C6無電壓，等待2引腳的負向微分信號觸發(fā)，當輸入變化的負向微分信號觸發(fā)E2單穩(wěn)態(tài)2引腳時，C4電壓積分至高電平，已為觸發(fā)作好準備，這時E2的3引腳和7引腳為高電平，7引腳內部的三極管處于開路狀態(tài)。電源電壓通過R7和VR2對C6積分，當積分電壓達到E2的復位電壓時，E2翻轉為復位狀態(tài)，即3引腳和7引腳處于低電平，C6電壓瞬間對7引腳放電，實現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)電路延時功能，輸出一個脈沖，并等待F一個微分信號觸發(fā)。脈沖信號的寬度由時間常數(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R10和VR3對C8充電積分，當積分到E3的6引腳復位電平時，振蕩器復位，使7引腳和3引腳電壓處于低電平，這時電容C8上的電壓通過VR3和R10對3引腳放電，當C8電壓放電到2引腳的閾值電壓時，E3翻轉使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加到集成電路CD4066模擬開關的第8引腳，當E2的單穩(wěn)態(tài)脈沖加到CD4066模擬開關的第6引腳時，音頻信號才能從模擬開關的8引腳送到9引腳輸出給揚聲器發(fā)出聲響。發(fā)出聲響的長短由E2輸出的脈沖寬度決定。也就是每計100個脈沖，便發(fā)出響聲。

2.6 1秒閘門單穩(wěn)態(tài)開關電路

集成電路E4是由NE555、C9、C10、C11、C12、R12、R13、R14、R15、VR4以及按鈕開關AN1組成的閘門開關電路，實際上是一個開關電路。在電源接通瞬間，由于C10電容上的電壓不突變，E4的4引腳處于強行復位狀態(tài)，所以E4的3引腳輸出0 V，同時E4的7引腳內部的三極管處于灌電流狀態(tài)，所以C10無電壓，等待按下按鈕AN1來觸發(fā)。按下AN1按鈕時，由于C11電壓不突變，E4的2引腳獲得0 V電壓，這時電源電壓通過R14對C11充電，充電電壓快速上升，形成負向微分信號觸發(fā)E4單穩(wěn)態(tài)，這時E4的3引腳和7引腳為高電平，7引腳內部的三極管處于開路狀態(tài)，由于7引腳內部的三極管處于開路狀態(tài)，電源電壓通過R12和VR4對C10積分，當積分電壓達到E4的復位電壓時，E4翻轉為復位狀態(tài)，即3引腳和7引腳處于低電平，C10上的電壓瞬間對7引腳放電，實現(xiàn)了單穩(wěn)態(tài)電路的延時功能，輸出一個脈沖，并等待下一個微分信號的觸發(fā)，該輸出脈沖用于控制集成電路74LS38與非門的第5引腳，以控制函數(shù)信號發(fā)生器產生的脈沖能否通過與非門的第4引腳到達與非門的第6引腳。閾門脈沖信號的寬度由時間常數(shù)C10(R12+VR4)決定，即t=1.098612 3(R12+VR4)C10決定，選取C10、R12和調節(jié)VR4值，調節(jié)脈沖寬度t為1 s。向十進制計數(shù)器輸入計數(shù)脈沖時，計數(shù)脈沖信號范圍從1～99 999；當閾門單穩(wěn)態(tài)處于測量頻率狀態(tài)時，可以測量函數(shù)發(fā)生器所產生的頻率，從而監(jiān)控函數(shù)信號發(fā)生器輸出給計數(shù)器的信號頻率。

2.7 ICL8038函數(shù)發(fā)生器

ICL8038函數(shù)發(fā)生器是一種以同時產生方波、三角波和正弦波的專用集成電路。當涮節(jié)外部電路參數(shù)時，可獲得占空比可調的矩形波和鋸齒波，廣泛應用于儀器儀表。該器件的工作頻率可在0.001～300 kHz范圍內調節(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，適應性強。

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為內部正弦波轉換網絡的偏置電阻，采用82 kΩ；R18是開路集電極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，用示波器探頭測量2、3、9引腳，并調節(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載能力，輸出信號采用集成電路LM324運算放大器。

ICL8038函數(shù)發(fā)生器的9引腳輸出方波分成兩路，第一路經分壓器、波段開關K6、LM324的3引腳，由1引腳緩沖輸出，該緩沖器起到負載與信號源之間的隔離，以滿足測量的準確性；第二路經計數(shù)電路(見圖2)，經與非門74LS38的4引腳，5引腳為高電平時，經過6引腳和波段開關K1的第2檔，對計數(shù)器進行頻率測量：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LM324放大器輸出，通過VR5、VR6、VR8、VR9電位器調節(jié)，輸出不同幅值的正弦波和三角波電壓信號，如圖3所示。

3儀器調試

儀器在使用前應進行電路自檢，首先把波段開關K1打在1檔，K3置于低電平，K4置于高電平，啟動電源，按動AN2按鈕，給計數(shù)器復位后，這時發(fā)光二極管D1閃動發(fā)亮，說明E1多諧振蕩器7引腳輸出的秒脈沖信號起作用，這時5位數(shù)碼管在秒脈沖的作用下正向計數(shù)，然后K3置于高電平，任意給M1、M2、M3、M4、M5的8421編碼開關設置數(shù)值，設置好后，K3置與低電平，此時可以看到，計數(shù)器在設置數(shù)的基礎上累加計數(shù)，接著K4置于低電平，進行減法計數(shù)；再把K1置于第2檔，然后復位，按下AN1按鈕，此時顯示的值就是函數(shù)發(fā)生器產生的頻率值；把K1置于第3檔，用一導線從方波的接線柱(圖3)連接到K1外接輸入接線柱端(圖2)，這時計數(shù)器快速計數(shù)，全部自檢完畢，整個儀器即可正常使用。

4結語

函數(shù)信號發(fā)生器與計數(shù)器在工廠自動生產線、科研院所和大學物理實驗室得以廣泛使用，本儀器函數(shù)信號發(fā)生器與計數(shù)器既可以單獨使用，也可整體使用，計數(shù)器反饋支路可接成任何計數(shù)值報警音響系統(tǒng)，還可根據需要加以擴展，從而控制設備。此儀器通過多年實驗教學，效果良好。