实验题目：数显式波形发生器

1. 课程简要信息

课程名称： 电子技术实验总学时： 32H本实验课内学时数：8H适用专业及学生： 自动化，测控技术与仪器， 电子科学技术，电子信息工程，电气工程与自动化等大二学生。

2. 实验内容与任务

设计任务：设计一个能够产生三种基本波形(正弦波、方波、三角波)的电路，并且用数字的方式显示出波形的频率。

要求：

1. 波形频率调节部分技术要求：输出信号频率 $1 0 0 \mathrm { H z }$ 到 $1 0 \mathrm { k H z }$ 可调。

2. 输出波形部分技术要求

1）方波输出信号的峰峰值 $U p - p \leq 2 4 V$ ；
2）三角波输出信号幅度峰峰值 ； ；
3）正弦波输出信号的峰峰值 $U p - p \geq 1 V$
4）用4位数字的方式显示出波形的频率

3．实验过程及要求

1） 学习波形产生的多种方法（分立元件、单片集成电路、集成运放等）；
2） 尽可能多地查找产生各种波形产生的方案并进行比较分析；
3） 选择合适的方案实现三种波形发生器并进行相关参数的计算；
4） 学习频率测量的基本方法，并查阅各种方法的优缺点和实现的具体方案，并将频率以数字的形式显示出来；
5） 用 Multisim平台进行仿真预习；
6） 用面包板或万能板搭接各单元电路并调试，测量各波形技术指标、并将所测频率与示波器测量值进行对比，分析误差及寻找提高精度的方法；
7） 撰写总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

4. 相关知识及背景

这是一个运用模拟和数字电子技术解决实际问题的典型案例，需要运用模电中的集成运放应用、差动放大器应用、放大整形电路、数电中的时基电路、逻辑控制电路、闸门电路、计数锁存电路、译码显示电路、参数设定、元器件选取等相关知识与技术方法，并且先仿真后实作，锻炼和提高学生的实践能力。

5. 教学目标与目的

在较为完整的项目实现过程中引导学生了解波形产生的基本方法、信号频率的基本测量方法、数字显示的方法，各单元模块实现方法的多样性及根据任务需求比较选择技术方案；引导学生根据需要设计电路、选择元器件，并通过测试与分析对项目作出技术评价。

6. 教学设计与引导

本实验需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）通过查阅相关资料学习波形产生的基本方法。

2）学习频率测量的基本方法

3）波形发生电路中使用的器件可以是分立元件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。放大电路可用晶体管构成，也可以用集成运放放构成；整形电路可用门电路设计，也可以用 555构成施密特触发器完成；计数器最终要完成十进制计数，可用 16进制计数器进行设计，也可以直接用十进制计数器，当然用二五进制计数器组合也是可以完成的；译码显示电路可以用 LED 数码管、LCD 显示器，也可以用点阵LCD 完成等等。基准信号的产生方式也不只有一种，可以用门电路构成自激多谐振荡器、也可以用 555构成多谐振荡器、还可以用石英晶体振荡器构成方式。清零锁存信号的产生电路（即主控电路）可以用门电路构成单稳态触发器，也可以用74123等集成块构成单稳态触发器来实现等等。重点引导学生从多方面去学习。

4）实验要求的性能指标和测量精度并不高，引导学生提高性能指标和测量精度的思路等。

5）第一次课简略地介绍各功能模块电路的基本原理。

6）在电路设计、搭试、调试完成后，完整规范测量记录测试结果。

7）在实验完成后，组织学生以分组的方式演讲、答辩、评讲进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽学生知识面。

7. 实验原理及方案

a) 系统框图

b) 实现方案多样性

首先，波形发生电路中使用的器件可以是分立元件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。

其次，放大电路可用晶体管构成，也可以用集成运放放构成；整形电路可用门电路设计，也可以用555构成施密特触发器完成；计数器最终要完成十进制计数，可用 16进制计数器进行设计，也可以直接用十进制计数器，当然用二五进制计数器组合也是可以完成的；译码显示电路可以用 LED数码管、LCD显示器，也可以用点阵 LCD 完成等等

基准信号的产生方式也不只有一种，可以用门电路构成自激多谐振荡器、也可以用 555构成多谐振荡器、还可以用石英晶体振荡器构成方式，同学需要进行对比，分析优缺点进行合理的选择。

清零锁存信号的产生电路（即主控电路）可以用门电路构成单稳态触发器，也可以用 74123 等集成块构成单稳态触发器来实现等等。

8. 教学实施进程

a) 该教学案例的主要目的在于引导学生进行一个比较综合的系统电路的设计和制作调试，是对模数电知识的综合应用，通过该实验案例的完成，让学生提高查阅文献资料和阅读文献资料的能力、提高学生实际动手能力和分析解决问题的能力，也通过该案例让学生能够体会到从枯燥的理论学习到自己亲自完成一个实际的有一定功能的作品所体验到的喜悦和快乐， 从而进一步提高学生的学习兴趣

b) 课前准备阶段：a、任务安排：开课前2 周布置设计任务及进度安排说明；b、网上发布预习要求：查阅相关资料、完成各单元电路及整体电路的方案选择、计算、元件选取等，并在Multisim平台进行仿真，提交方案和元件清单

c) 课内实验阶段：8 学时分成 2 次 4 学时进行安排，并且中间间隔至少一周。第一次课发放元器件，讲解系统电路的安装调试方法、步骤、故障检测排除的基本方法，学生动手操作，并随时根据观察到的情况引导学生解决问题；两次课中间学生利用业余时间完成电路的搭接，必要时在开发时间内到实验室测试及调试；第二次课主要进行实物的验收和分组答辩；

d) 记录调试过程的相关问题及数据，完成实验报告的撰写。

9. 实验报告要求

a)b) 实验任务及要求实现方案对比及论证
c) 理论推导计算
d) 电路设计与元件参数选择
e) 仿真过程的记录
f) 电路测试方法及测试结果记录
g) 测试数据处理分析
h) 实验结果总结
i) 体会及其它

10.考核要求与方法

a) 仿真：电路图的规范及功能与性能指标的完成程度。
b) 实物验收：实物功能与性能指标的完成程度（如波形幅度、频率等），完成时间。
c) 实验质量：电路布局方案的合理性，组装工艺等。
d) 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
e) 实验数据：测试数据和测量误差。
f) 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11.项目特色或创新

项目的特色与创新在于：将模电、数电课程的重要知识点通过一个完整的项目整合教学，项目的各个单元模块都可以有不同的方案实现其功能，能够充分激发学生的能动性。项目还可以进行一些扩展：比如添加电源模块（只提供 220V交流电）的设计；也可以有提高要求：比如提高波形的参数指标，拓宽测量频率范围等，让学生有深入研究的可能。既让学生更体会到项目设计的快乐。

实验案例信息表