1、示波器功能扩展电路设计实验报告电子电路综合实验实验报告实验名称：示波器功能扩展电路的设计学院：信息与通信工程学院班级：姓名：学号：课题名称：示波器功能扩展电路的设计摘要： 示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。在示波器的具体应用中，常常需要同时观测多路信号，或需要比较同一电路中不同点之间信号的频率、幅值和相位,以及观测电信号通过网络后的相移和失真等情况。为了对信号进行测量和比较研究,需要把不同信号或同一信号的不同部分同时显示在荧光屏上。这些都需要在荧光屏上能同时显示多路波形，本实验介绍的就是将单踪示波器转换为多踪示波器的装置。关键词：示波器，555定时器，计数器，模拟开关，集成运算放大器一、
2、 设计任务要求：设计制作一个示波器功能扩展电路，该电路能够实现将普通双踪示波器改装成多综示波器进行多路信号测试。1. 基本要求1) 能够实现用示波器的一路探头稳定显示四路被测信号波形；2) 被测输入信号幅度为0-10V,频率不低于500Hz；3) 系统电源为DC5V,设计该电路的电源部分。2. 提高要求1） 四路被测信号波形的大小可分别调整；2） 用CPLD设计示波器功能扩展电路的数字系统部分；3） 其他示波器功能扩展的设计和解决方案。3. 注意事项1） 被测信号的频率应较低，而用作多路选择器和阶梯波地址的信号频率应较高，最终实现类似于示波器的断续方式，即先显示一路信号的一部分，再显示下一电路
3、的一部分，每一路信号实际上是不完整的，但视觉上的效果是连续的。2） 阶梯波与选通后的被测信号叠加时，应调节各路信号的分压比使各路信号不重叠。3） 在电路正常工作的前提下，应尽量提高振荡器的频率以提高被测信号的频率范围。4） 设计与调测时，需用示波器观察555定时器的输出波形是否正确，其频率值与计算值是否相同，然后用示波器观测计数器的QA、QB端的波形是否为555时基信号的二分频、四分频，最后观察第一路开关的输出是否为阶梯波信号，台阶数值分别为0V、1V、2V、3V。然后分别接入四路不同信号，用示波器观察其最终输入波形是否在示波器水平位置显示出来，改变波段开关即可改变其幅值大小。二、设计思路：在
4、示波器功能扩展电路的设计中，首先需要把四路输入信号的基线拉开，均匀合理地分布在示波器荧光屏上；其次，输入的四路基线要分别加载在四路已分开的基线上。考虑到双踪示波器设计原理的局限，不能同时在任一瞬间有多个电子束射出并在不同的区域呈现不同的波形，所以采用四路信号分时在示波器上显示的方法，利用人眼的视觉暂留现象，在信号之间切换频率足够高的情况下，呈现出四路波形“同时”显示在示波器上的视觉效果。三、系统框图：四、分块电路设计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。电路组成：2、地址产生电路：74LS169是模16
5、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。电路组成：3、阶梯波产生电路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。电路组成：4、加法器与放大电路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。电路组成: 五、 参数测试：电路搭建完毕
6、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。1、测试环境：1 测试仪器1）双踪模拟示波器2）函数信号发生器3）数字晶体管毫伏表4）直流稳压电源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：R1R2Ct1t2输出频率f1k6.3421000pF4.93159.209108
7、.65kHz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=105.45kHz，D=0.5365，与实验测得信号输出震荡频率f=108.65kHz，输出占空比D=4.9315/9.209=0.5355相符。实验波形图如下：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。二分频信号频率四分频信号频率54.233kHz27.133kHz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
8、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。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，且其差幅为1V，满足本实验要求。5、放大器的测试：6、加法电路的测试：7、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
9、分别调到+5.78V和-5.14V输入输出峰峰值与频率值如下表所示：输入信号正弦波峰峰值2V频率500Hz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：六、 故障分析：故障1：测试第一级时，波形正常，但频率为正常值的十分之一；原因分析：由于f=1.443/(R1+R2)C，应是电容大了十倍；
10、解决方法：发现果然是电容C选成错了，换了电容后频率正常。故障2：测试阶梯波发生电路时，产生的阶梯波差幅分布不均；原因分析：由于阶梯波由四个电阻（阻值分别为1k，1k，1k，2k）将5V电压分压得到；解决方法：因而，我重新测了一下四个分压电阻的阻值，发现其中一个电阻的阻值不正确，换了正确阻值的电阻后，得到正确波形。故障3：测试最后一级时，输出波形失真；原因分析：输入波形幅值过大，超过放大器允许范围；解决方法：适当减小输入信号的幅值。七、 实验总结及结论：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
11、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。通过本次实验，我对电路设计实验有了深刻的理解，它与之前的实验不同，需要自主设计实验，计算电路参数，对我们的实验能力提出了更高的要求。本次实验用到了LM555CN定时器，74LS169计时器，CD40
12、52模拟开关及LF353N。为了做好这次实验，我从网上搜集了关于这些器件的资料，对它们的工作电压，引脚接法都了解的很是透彻。这次实验历时四个星期，不仅锻炼了我们的动手能力，更让我们了解了很多集成器件的使用。开始时，波形显示不出，电路查不出错，确实让人很恼火，但实验成功后的巨大的欣喜也是难以言喻的。总的来说，我对自己的实验成果还是很满意的。如果有机会进行下一次设计实验，我有充足的信心把它做好。附录：1、元件清单：芯片个数说明参数备注NE5551片定时器构成振荡器74LS1691片计数器产生地址信号CD40521片模拟开关选通各路信号LF3531片双集成运放加大/加法器电位器1个2k调节震荡频率电阻14个4个1k1个2k3个39k2个10k1个12k1个22k2个51k电容4个1个1000pF1个0.01uF2个10uF2、总体电路图：3、参考书目：1 数字电路与逻辑设计：北京邮电大学出版社，20092 电子电路基础：高等教育出版社，20063 电子测量与电子电路实践: 科学出版社，2009
