测控电路设计课程设计将普通示波器改装成为四踪示波器的电路.doc

中 北 大 学课程设计任务书学 院（系）：专 业：测控技术与仪器学 生 姓 名：学 号：设计题目：普通示波器改装成四踪示波器的电路起 迄 日 期:2011年12月19日 2012年1月4 日设计地点:中北大学主楼1409、1417、1418指 导 教 师:专业负责人:发任务书日期: 2011 年 12 月 19日课 程 设 计 任 务 书1课程设计课题的任务和要求：将一个普通的示波器改装成四踪示波器。设计四踪示波器的位移电路；设计时钟电路；输入信号为010V，设计衰减和放大电路。2课程设计课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1. 查阅相关资料2. 设计原理电路3. 绘制原理电路图4. 写设计报告 课 程 设 计 任 务 书3对课程设计课题成果的要求：任务书和报告各一份4课程设计课题工作时间及评分依据：时 间 安 排评 分 依 据1 6号下午3点（1409）交设计思路；2 11号下午3点 （1409）交原理说明和电路图，3. 13号上午9点 （1409）交设计报告并答辩。4. 14号修改设计报告设计思路，单元电路正确与否，整体电路是否完整，电路原理说明是否正确，报告是否清晰，答辩过程中回答问题是否正确。所在专业审查意见：负责人： 靳鸿 年 月 日测控电路设计专 业：测控技术与仪器班 级：08050342姓 名：学 号： 将普通示波器改装成为四踪示波器的电路1. 设计思路 将普通示波器改为四踪示波器，应该由NE555时基振荡器做为时钟电路，由74LS161组成的计数器为四双向模拟开关CD4066提供地址；CD4066的四路节拍矩形波控制脉冲由时基电路NE555P产生，矩形波信号发生器产生频率足够高的脉冲信号送到两位二进制计数器中，由计数器输出产00到01到10到11再返回00 四组循环编码送至译码器。经译码器译码后，其Y0、Y1、Y2、Y3依次循环输出一个矩形脉冲，用它来控制四模拟开关A、B、C、D，使其依次接通。这样就使yl、y2、y3、y4四路被测信号通过运算放大器放大后送到示波器的Y轴输入端子，示波器荧光屏上就会分别独立显示出四路被测信号的波形。运算放大器LM324的作用是对选通的被测信号进行放大或衰减，以显示在示波器荧光屏不同的位置，这样就实现了用一个通道看四路波形的功能。2. 设计方案 一台单踪示波器, 欲要同时观察四路的波形则可在被测信号与示波器之间接一个接口电路，达到扩展输入通道的效果。 接口电路由可调振荡器、计数器、译码器、模拟开关、直流补偿、幅度衰减以及放大器等七部分组成。核心部分是模拟开关, 该开关将待测的多路信号经过分时扫描送入示波器的输入端, 经幅度衰减, 直流补偿, 最后在示波器的显示屏上显示出多路波形。 接口原理框图如下图所示：直流补偿 幅度 衰减多路输入 放 大 器示波器模拟 开关译码 器计数 器振荡 器 图1 接口原理框图3. 单元电路设计3.1时钟电路设计 本电路采用由定时器NE555 集成电路作为振荡器, 其3脚输出的方波作为切换电路的控制信号，控制信号直接接在16进制的计数器上作为译码器74LS138上的输入信号。根据题设外部电源仅需要10V的电源电压，所有的VCC皆是给予10V的电压对多路开关芯片与运放进行供电。NE555接成多谐振荡器的形式，产生20kHz的方波作为16进制计数器74LS161的时基信号。取74LS161的低两位Q0、Q1，连接到译码器74LS138上的输入端。而74LS138 的输入端仅用A1 、A0 , A1 、A0 有四种组合即00 、01 、10 、11 , 输出端仅用Y0 、Y1 、Y2 、Y3 ,去控制模拟开关4 路信号的选通。具体电路图如下：图2 时钟电路1. 振荡器（时钟电路） 振荡器由NE555 集成电路组成, NE555时基振荡器输出频率的精度对由74LS161所组成计数器的可靠性影响较大，因此，必须给予重视。如图2所示，NE555组成的时基振荡器产生的振荡周期T = 0.693（R2+2R1）C,振荡频率f=1/T，即f=1.443/(R1+2R2)·C，设计频率范围为200Hz20KHz，输出振荡频率波形的占空比D=t1/T=(R1+R2)/(R1+2R2) 在图2 中, 调节NE555 集成电路7 号引脚的外接电阻R2 即可改变振荡器的频率。注：t1为输出脉冲的持续时间 t1=0.693(R1+R2)·C当R2>>R1时，则D约等于50%，即输出振荡波形为方波。由上述有关公式的推导，得出以下结论。 振荡周期与电源电压Vcc无关，主要取决于充电放电的总时间常数，即仅与R1、R2和C的数值有关。 振荡信号的占空比与电容C的大小无关，而仅与R1、R2的大小比值有关。 2. 计数器计数器用一片4 位同步二进制计数器74LS161 芯片组成。采用置数法构成四进制计数,74LS161 的输出端仅用了Q1 、Q0 , 这样就有4 种状态的组合00、01、10、11。3. 译码器译码器用一片三线八线优先译码器74LS138 芯片组成。74LS138 的输入端仅用A1 、A0 , A1 、A0 有四种组合即00 、01 、10 、11 , 输出端仅用Y0 、Y1 、Y2 、Y3 ,去控制模拟开关4 路信号的选通。3.2放大衰减电路的设计根据设计思路，我采用LM324作为我的运算放大器，由运算放大器LM324 构成反相比例放大电路。在各个LM324的输入端加入待测信号。而衰减电路是由电阻、电容搭接而成, 用于保证不失真的传输待测信号波形。具体电路图如下：图3 放大衰减电路Auf 1 = -R30/R20,Auf 2 = -R31/R21, Auf 3 = -R32/R22,Auf 4 = -R33/R23。调节各个LM324的反馈电阻R30 、R31 、R32 、R33的阻值即可改变各运算放大器的增益A uf 。3.3模拟开关电路的设计模拟开关的作用主要用于信号的切换，与以往的机械触点式电子开关相比，集成电子开关有许多优点，例如，切换速率快、无抖动、耗电省、体积小、工作可靠且容易控制等。但它也有若干缺点，如导通电阻较大，输入电流容量有限，动态范围小等。因而集成模拟开关主要使用在高速切换，要求系统体积小的场合。选择开关时需要重点注意以下指标： 通道数量 泄漏电流 导通电阻 开关速度。除上述指标外，芯片的电源电压范围也是一个重要参数，它与开关的导通电阻和切换速度等有直接关系，电源电压越高，切换速度越快，导通电阻越小，反之，导通电阻越大。根据上述要求我的模拟开关采用4 路模拟开关CD4066 图4 模拟开关四双向模拟开关CD4066每个封装内部有4 个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时，开关导通；当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时，导通电阻为几十欧姆；模拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信号，可传输的模拟信号的上限频率为40MHz。各开关间的串扰很小，典型值为5 0dB。模拟开关1 路至4 路的接通由译码器的输出Y3 、Y2 、Y1 、Y0 控制, 从而送至示波器输入端,这样就可以在显示屏上显示多路波形。4. 小结电子开关数字电路组装需要注意的问题（1）四双向模拟开关CD4066的四路节拍矩形波控制脉冲由时基电路NE555P产生。所以一定要用示波器观察到时基电路起振产生出矩形波，要求频率足够高，使显示波形无闪烁感。(2)四双向模拟开关CD4066容易将15V电压里的交流干扰波从RP12.RP22.RP32.RP42窜入示波器产生干扰，所以要求直流电源的稳定度要高，纹波要小。实际应用中,常常需要用示波器同时观测多个信号,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几个波形。为了实现这一目的,通常采用双扫描示波显示、多线显示或多踪显示。但是由于价格问题我们一般配备的都是单踪示波器，将单踪示波器改为四踪显示的一种电路,制作简单,与原有的示波器一起使用,既节约了开支,又提高了实验技术水平附录一