簡(jiǎn)易函數信號發(fā)生器與計數器設計

1 引言

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

2儀器設計

圖1是具有函數信號發(fā)生器和計數器的儀器電路結構框圖，它是由ICL8038函數發(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)單穩態(tài)開(kāi)關(guān)電路、1 Hz振蕩器、十進(jìn)制計數器、微分器、單穩態(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C2允電積分，當積分到E1的6引腳復位電平時(shí)，振蕩器復位，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3引腳放電，當C2電壓放電到2引腳的閾值電壓時(shí)，E1翻轉使7引腳和3引腳變?yōu)楦唠娖?，這樣完成了一次振蕩。該振蕩器輸出脈沖通過(guò)K1波段開(kāi)關(guān)的1檔送給計數電路計數，發(fā)光二極管D1和R3用于指示振蕩信號輸出。

2.2十進(jìn)制計數器 十進(jìn)制計數器電路由BCD碼可預置數、可逆計數，BCD七段鎖定譯碼驅動(dòng)和LED七段顯示數碼管組成5位十進(jìn)制計數器，如圖2所示。BCD碼可預置數、可逆計數，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；計數脈沖信號山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，高電平為加法計數，低電平為減法計數，第5引腳是進(jìn)位輸入，第7引腳是進(jìn)位輸出，當低位計滿(mǎn)10后向高位計數器輸入一個(gè)進(jìn)位數脈沖信號。CD4510B的1引腳接預置數選擇開(kāi)關(guān)K3，當其為高電平時(shí)，可以用BCD碼通過(guò)第3、4、12、13引腳輸入預置數，K3置低后，由15引腳CLK輸入的脈沖數，存該預置數上進(jìn)行加減。

CD4511B的BCD七段鎖定譯碼和驅動(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，并驅動(dòng)FR105七段LED數碼管，顯示記錄的十進(jìn)制數值。設置一個(gè)預置數，該數為1～99 999，然后存此數基礎上倒計數。如果不沒(méi)預置數，可用復位開(kāi)關(guān)清零，從99 999倒計數。AN2是復位開(kāi)關(guān)．高電平時(shí)復位CD4510B的9引腳。該計數器采用5V供電，其VSS端與公共地相連。該計數器有3個(gè)輸入信號端，第一個(gè)輸入信號通過(guò)K1波段開(kāi)關(guān)的1檔接入E1的脈沖信號；第二個(gè)信號通過(guò)K1波段開(kāi)關(guān)的2檔，接收來(lái)自ICL8038的脈沖信號；第三個(gè)輸入信號通過(guò)K1波段開(kāi)關(guān)的3檔接入外部脈沖信號。

2.3微分電路

計數器從0開(kāi)始計數，當計數到100時(shí)，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(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，正向微分信號對E2單穩態(tài)的2引腳觸發(fā)無(wú)效，輸入變化的負向微分信號觸發(fā)E2單穩態(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(kāi)路和短接。

2.4單穩態(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引腳處于強行復位狀態(tài)，E2的3引腳輸出0 V，同時(shí)E2的7引腳內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單穩態(tài)2引腳時(shí)，C4電壓積分至高電平，已為觸發(fā)作好準備，這時(shí)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(kāi)路狀態(tài)。電源電壓通過(guò)R7和VR2對C6積分，當積分電壓達到E2的復位電壓時(shí)，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(shí)現單穩態(tài)電路延時(shí)功能，輸出一個(gè)脈沖，并等待F一個(gè)微分信號觸發(fā)。脈沖信號的寬度由時(shí)間常數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C8充電積分，當積分到E3的6引腳復位電平時(shí)，振蕩器復位，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3引腳放電，當C8電壓放電到2引腳的閾值電壓時(shí)，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(kāi)關(guān)的第8引腳，當E2的單穩態(tài)脈沖加到CD4066模擬開(kāi)關(guān)的第6引腳時(shí)，音頻信號才能從模擬開(kāi)關(guān)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(cháng)短由E2輸出的脈沖寬度決定。也就是每計100個(gè)脈沖，便發(fā)出響聲。

2.6 1秒閘門(mén)單穩態(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引腳處于強行復位狀態(tài)，所以E4的3引腳輸出0 V，同時(shí)E4的7引腳內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單穩態(tài)，這時(shí)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(kāi)路狀態(tài)，由于7引腳內部的三極管處于開(kāi)路狀態(tài)，電源電壓通過(guò)R12和VR4對C10積分，當積分電壓達到E4的復位電壓時(shí)，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(shí)現了單穩態(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，以控制函數信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖能否通過(guò)與非門(mén)的第4引腳到達與非門(mén)的第6引腳。閾門(mén)脈沖信號的寬度由時(shí)間常數C10(R12+VR4)決定，即t=1.098612 3(R12+VR4)C10決定，選取C10、R12和調節VR4值，調節脈沖寬度t為1 s。向十進(jìn)制計數器輸入計數脈沖時(shí)，計數脈沖信號范圍從1～99 999；當閾門(mén)單穩態(tài)處于測量頻率狀態(tài)時(shí)，可以測量函數發(fā)生器所產(chǎn)生的頻率，從而監控函數信號發(fā)生器輸出給計數器的信號頻率。

2.7 ICL8038函數發(fā)生器

ICL8038函數發(fā)生器是一種以同時(shí)產(chǎn)生方波、三角波和正弦波的專(zhuān)用集成電路。當涮節外部電路參數時(shí)，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，輸出正弦波的失真度小于1％，三角波輸出的線(xiàn)性度優(yōu)于0.1％。脈沖輸出的占空比的調節范圍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(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，用示波器探頭測量2、3、9引腳，并調節VR10，即可看到各種波形的變化頻率。為滿(mǎn)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，該緩沖器起到負載與信號源之間的隔離，以滿(mǎn)足測量的準確性；第二路經(jīng)計數電路(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，對計數器進(jìn)行頻率測量：ICL8038函數發(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電位器調節，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(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，給計數器復位后，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起作用，這時(shí)5位數碼管在秒脈沖的作用下正向計數，然后K3置于高電平，任意給M1、M2、M3、M4、M5的8421編碼開(kāi)關(guān)設置數值，設置好后，K3置與低電平，此時(shí)可以看到，計數器在設置數的基礎上累加計數，接著(zhù)K4置于低電平，進(jìn)行減法計數；再把K1置于第2檔，然后復位，按下AN1按鈕，此時(shí)顯示的值就是函數發(fā)生器產(chǎn)生的頻率值；把K1置于第3檔，用一導線(xiàn)從方波的接線(xiàn)柱(圖3)連接到K1外接輸入接線(xiàn)柱端(圖2)，這時(shí)計數器快速計數，全部自檢完畢，整個(gè)儀器即可正常使用。

4結語(yǔ)

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