简易函数信号发生器与计数器设计

1 引言

工厂计量部门、科研院所、大学物理实验室使用函数信号发生器和计数器计量、维修、实验和教学，但大多是把函数信号发生器和计数器作为两种仪器，为了方便科研教学，合二为一，把函数信号发生器与计数器设计成一台仪器。

2仪器设计

图1是具有函数信号发生器和计数器的仪器电路结构框图，它是由ICL8038函数发生器、方波输出接口、三角波输出接口、正弦波输出接口、1秒闸门单稳态开关电路、1 Hz振荡器、十进制计数器、微分器、单稳态控制音频电路、音频振荡器、电源电路组成。

2.1 1 Hz振荡器

振荡器E1是由NE555、VR1、R1、R2、C1、C2组成的自激多谐振荡器，在电源接通的瞬间，C2电容电压未突变，E1的2引脚处于低电平，使E1的3引脚和7引脚电压处于高电平，3引脚的高电平电压通过R1和VR1对C2允电积分，当积分到E1的6引脚复位电平时，振荡器复位，使7引脚和3引脚电压处于低电平，这时电容C2上的电压通过VR1和R1对3引脚放电，当C2电压放电到2引脚的阈值电压时，E1翻转使7引脚和3引脚变为高电平，这样完成了一次振荡。该振荡器输出脉冲通过K1波段开关的1档送给计数电路计数，发光二极管D1和R3用于指示振荡信号输出。

2.2十进制计数器 十进制计数器电路由BCD码可预置数、可逆计数，BCD七段锁定译码驱动和LED七段显示数码管组成5位十进制计数器，如图2所示。BCD码可预置数、可逆计数，采用CD4510和CD4511集成电路，CD4510B的6、11、14、2引脚作为BCD码(8421码)输出到CD4511B的7、1、2、6引脚；计数脉冲信号山15引脚通过E1和K1的一档输人，CD4510B的10引脚接加、减选择开关K4，高电平为加法计数，低电平为减法计数，第5引脚是进位输入，第7引脚是进位输出，当低位计满10后向高位计数器输入一个进位数脉冲信号。CD4510B的1引脚接预置数选择开关K3，当其为高电平时，可以用BCD码通过第3、4、12、13引脚输入预置数，K3置低后，由15引脚CLK输入的脉冲数，存该预置数上进行加减。

CD4511B的BCD七段锁定译码和驱动器的7、1、2、6引脚接收CD4510B输出的BCD码，经该电路译成七段显示码，并驱动FR105七段LED数码管，显示记录的十进制数值。设置一个预置数，该数为1～99 999，然后存此数基础上倒计数。如果不没预置数，可用复位开关清零，从99 999倒计数。AN2是复位开关．高电平时复位CD4510B的9引脚。该计数器采用5V供电，其VSS端与公共地相连。该计数器有3个输入信号端，第一个输入信号通过K1波段开关的1档接入E1的脉冲信号；第二个信号通过K1波段开关的2档，接收来自ICL8038的脉冲信号；第三个输入信号通过K1波段开关的3档接入外部脉冲信号。

2.3微分电路

计数器从0开始计数，当计数到100时，CD4510B的11引脚和2引脚输出高电平，两信号的高电平反馈到74LS38与非门输入端的1引脚和2引脚，输出低电平，C3和R6组成微分电路，由于C3电容电压不突变，正向微分信号对E2单稳态的2引脚触发无效，输入变化的负向微分信号触发E2单稳态的2引脚，使E2的3引脚输出高电平，以控制CD4066的6引脚，达到CD4066的8引脚和9引脚开路和短接。

2.4单稳态控制音频电路

集成电路E2是由NE555、C4、C5、C6、C7、VR7、R5、D2组成单稳态延时电路，在电源接通的瞬间，由于C4电容上的电压不突变，E2的4引脚处于强行复位状态，E2的3引脚输出0 V，同时E2的7引脚内部的三极管处于灌电流状态，所以C6无电压，等待2引脚的负向微分信号触发，当输入变化的负向微分信号触发E2单稳态2引脚时，C4电压积分至高电平，已为触发作好准备，这时E2的3引脚和7引脚为高电平，7引脚内部的三极管处于开路状态。电源电压通过R7和VR2对C6积分，当积分电压达到E2的复位电压时，E2翻转为复位状态，即3引脚和7引脚处于低电平，C6电压瞬间对7引脚放电，实现单稳态电路延时功能，输出一个脉冲，并等待F一个微分信号触发。脉冲信号的宽度由时间常数C6(R7+VR2)决定。

2.5音频振荡器

集成电路E3是由NE555、C7、C8、R10、R11、VR3组成音频多谐振荡器。电源接通瞬间，C8电容电压不突变，E3的2引脚处于低电平，使E3的3引脚和7引脚电压都处于高电平，3引脚的高电平电压通过R10和VR3对C8充电积分，当积分到E3的6引脚复位电平时，振荡器复位，使7引脚和3引脚电压处于低电平，这时电容C8上的电压通过VR3和R10对3引脚放电，当C8电压放电到2引脚的阈值电压时，E3翻转使7脚和3引脚变为高电平，这样完成一次振荡。该音频振荡器输出的咏冲信号加到集成电路CD4066模拟开关的第8引脚，当E2的单稳态脉冲加到CD4066模拟开关的第6引脚时，音频信号才能从模拟开关的8引脚送到9引脚输出给扬声器发出声响。发出声响的长短由E2输出的脉冲宽度决定。也就是每计100个脉冲，便发出响声。

2.6 1秒闸门单稳态开关电路

集成电路E4是由NE555、C9、C10、C11、C12、R12、R13、R14、R15、VR4以及按钮开关AN1组成的闸门开关电路，实际上是一个开关电路。在电源接通瞬间，由于C10电容上的电压不突变，E4的4引脚处于强行复位状态，所以E4的3引脚输出0 V，同时E4的7引脚内部的三极管处于灌电流状态，所以C10无电压，等待按下按钮AN1来触发。按下AN1按钮时，由于C11电压不突变，E4的2引脚获得0 V电压，这时电源电压通过R14对C11充电，充电电压快速上升，形成负向微分信号触发E4单稳态，这时E4的3引脚和7引脚为高电平，7引脚内部的三极管处于开路状态，由于7引脚内部的三极管处于开路状态，电源电压通过R12和VR4对C10积分，当积分电压达到E4的复位电压时，E4翻转为复位状态，即3引脚和7引脚处于低电平，C10上的电压瞬间对7引脚放电，实现了单稳态电路的延时功能，输出一个脉冲，并等待下一个微分信号的触发，该输出脉冲用于控制集成电路74LS38与非门的第5引脚，以控制函数信号发生器产生的脉冲能否通过与非门的第4引脚到达与非门的第6引脚。阈门脉冲信号的宽度由时间常数C10(R12+VR4)决定，即t=1.098612 3(R12+VR4)C10决定，选取C10、R12和调节VR4值，调节脉冲宽度t为1 s。向十进制计数器输入计数脉冲时，计数脉冲信号范围从1～99 999；当阈门单稳态处于测量频率状态时，可以测量函数发生器所产生的频率，从而监控函数信号发生器输出给计数器的信号频率。

2.7 ICL8038函数发生器

ICL8038函数发生器是一种以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路。当涮节外部电路参数时，可获得占空比可调的矩形波和锯齿波，广泛应用于仪器仪表。该器件的工作频率可在0.001～300 kHz范围内调节，输出正弦波的失真度小于1％，三角波输出的线性度优于0.1％。脉冲输出的占空比的调节范围1～99％，输出方波的电平为4.2～28 V，外接较少元件就能完成要求功能，使用灵活，适应性强。

本电路的电源电压采用+15 V，输出的振荡频率f=0.15／[(R17+VR10)C]；R19为内部正弦波转换网络的偏置电阻，采用82 kΩ；R18是开路集电极9引脚的推拉电阻；2引脚输出正弦波电压，3引脚输出三角波电压，9引脚输出方波电压，11引脚接地，7引脚和8引脚短接，6引脚接+15 V。按上述正确的接法，用示波器探头测量2、3、9引脚，并调节VR10，即可看到各种波形的变化频率。为满足不同频率和不同电压幅度的要求和带负载能力，输出信号采用集成电路LM324运算放大器。

ICL8038函数发生器的9引脚输出方波分成两路，第一路经分压器、波段开关K6、LM324的3引脚，由1引脚缓冲输出，该缓冲器起到负载与信号源之间的隔离，以满足测量的准确性；第二路经计数电路(见图2)，经与非门74LS38的4引脚，5引脚为高电平时，经过6引脚和波段开关K1的第2档，对计数器进行频率测量：ICL8038函数发生器的2引脚和3引脚分别输出正弦波和三角波，通过LM324放大器输出，通过VR5、VR6、VR8、VR9电位器调节，输出不同幅值的正弦波和三角波电压信号，如图3所示。

3仪器调试

仪器在使用前应进行电路自检，首先把波段开关K1打在1档，K3置于低电平，K4置于高电平，启动电源，按动AN2按钮，给计数器复位后，这时发光二极管D1闪动发亮，说明E1多谐振荡器7引脚输出的秒脉冲信号起作用，这时5位数码管在秒脉冲的作用下正向计数，然后K3置于高电平，任意给M1、M2、M3、M4、M5的8421编码开关设置数值，设置好后，K3置与低电平，此时可以看到，计数器在设置数的基础上累加计数，接着K4置于低电平，进行减法计数；再把K1置于第2档，然后复位，按下AN1按钮，此时显示的值就是函数发生器产生的频率值；把K1置于第3档，用一导线从方波的接线柱(图3)连接到K1外接输入接线柱端(图2)，这时计数器快速计数，全部自检完毕，整个仪器即可正常使用。

4结语

函数信号发生器与计数器在工厂自动生产线、科研院所和大学物理实验室得以广泛使用，本仪器函数信号发生器与计数器既可以单独使用，也可整体使用，计数器反馈支路可接成任何计数值报警音响系统，还可根据需要加以扩展，从而控制设备。此仪器通过多年实验教学，效果良好。