簡易信號發(fā)生器課程設計

1、 模擬電子技術課程設計任務書系：電氣與信息工程系 年級：大二 專業(yè)：自動化 指導教師姓名學生姓名課題名稱簡易函數(shù)信號發(fā)生器內(nèi)容及任務一、設計任務和要求（1）電路能輸出正弦波、方波和三角波等三種波形；（2）輸出信號的頻率要求可調(diào)；（3）擬定測試方案和設計步驟；（4）根據(jù)性能指標，計算元件參數(shù)，選好元件，設計電路并畫出電路圖；（5）在面包板上或萬能板或PCB板上安裝電路；（6）測量輸出信號的幅度和頻率；（7）撰寫設計報告。二、設計內(nèi)容 設計一個電路能夠產(chǎn)生正弦波、方波和三角波等三種波形。三、技術指標頻率范圍：100Hz1KHz 1KHz10KHz；輸出電壓：方波VP-P24V，三角波VP-P=6V

2、，正弦波VP-P=1V；方波tr小于1uS。進度安排起止日期設計內(nèi)容10年5月底認真理解相關電路知識10年6月初設計電路10年6月中制作pcb板等10年6月底制作文檔，調(diào)試主要參考資料1 康華光 電子技術基礎 5版 北京：高等教育出版社 20062 電路設計Protel 99及仿真 北京 中國鐵道出版社 曾祥富主編 20003 Protel 99 SE 原理圖與PCB及仿真 清源計算機工作室 編著 機械工業(yè)出版社 2004.14 Multisim電路仿真 王林根主編 高等教育出版社 2003答辯成績指導教師評閱意見目 錄第1章 函數(shù)發(fā)生器方案選擇及原理框圖 1.1 函數(shù)發(fā)生器方案選擇（4） 1

3、.2 總體框圖（4）第2章 各部分電路設計及總電路圖3.1 方波發(fā)生電路的工作原理（6）3.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 （6）3.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 （9） 3.4電路的參數(shù)選擇及計算 （10）第4章 EWB電路仿真及仿真結果 4.1 EWB軟件的簡單介紹 （14）4.2 方波-三角波發(fā)生電路的仿真（15） 4.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真（16）4.4 方波-三角波發(fā)生電路的仿真實驗結果（17）4.5 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真實驗結果 （18）第5章 protel的仿真與電路板的制作5.1 protel99 SE 軟件的簡單介紹 （19）5.2 protel

4、99中設計電路原理圖的繪制（19）5.3 protel99中PCB圖的設計與制作 （19）5.4 電路板的制作 （20）第6章 電路板的調(diào)試與誤差分析6.1 方波三角波發(fā)生電路的調(diào)試 （21）6.2 三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試 （21）6.3 總電路的調(diào)試 （21）6.4 調(diào)試中遇到的問題及解決方法 （22）6.5 誤差分析 （22）第7章 實驗總結（25）參考文獻 （26）附錄1 元器件清單（27）附錄2 EWB軟件簡要介紹（28）附錄3 RROTEL軟件簡要介紹（29）第一章 函數(shù)發(fā)生器總方案及原理框圖1.1 原理框圖1.2 函數(shù)發(fā)生器的總方案 函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、

5、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調(diào)試技術，本課題采用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設計方法。產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊?。本課題采用先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法

6、，本課題中函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖如上圖所示：由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。第二章 各部分電路設計及總電路圖3.1 方波發(fā)生電路的工作原理用遲滯比較器構成的方波產(chǎn)生電路如圖3-1所示，圖中，R和C為定時元件，構成積分電路它把輸出電壓反饋到集成運算放大器的反向端，RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡。通過RC

7、充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。比較器主要部件為uA741芯片（相關信息將在后續(xù)章節(jié)介紹）。當Uo=UoH=+Uz時,電容C充電，電流流向如圖3-1（a）所示，電容兩端電壓Uc不斷上升，而此時同相端電壓為上限門UT+。當Uc UT+時，輸出電壓變?yōu)榈碗娖経o=UoL=-Uz,使同向端電壓變?yōu)橄孪揲T電壓UT-，然后電容C開始放電，電流流向如圖3-1（b）所示，電容上的電壓不斷降低，當Uc降低到UcUT-時，Uo又變?yōu)楦唠娖経oH,電容又開始充電但是，上述過程周而復始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。 （a） （b） 圖3-1 方波產(chǎn)生電路3.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理如果用線性積分電路代替方波產(chǎn)生電

8、路的RC積分電路，則電容器兩端就可獲得理想的三角波輸出。其電路圖如3-2所示。波形如圖3-3所示。若反饋網(wǎng)絡斷開，運算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。運放的反相端接基準電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當比較器的U+=U-=0 圖3-2 方波三角波產(chǎn)生電路 圖3-3 電路輸出波形時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設Uo1=+Vcc,則 （3-2

9、-1） 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia-為 (3-2-2)若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為 (3-2-3)比較器的門限寬度 (3-2-4)反饋網(wǎng)絡斷開后，運放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為 (3-2-5) 時， (3-2-6)時， (3-2-7)可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關系如圖3-2所示。反饋網(wǎng)絡閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產(chǎn)生方波、三角波。三角波的幅度為 (3-2-8) 方波-三角波的頻率f為 (3-2-9) 3.3 三角波

10、-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理圖3-4 三角波正弦波電路圖三角波正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。分析表明，傳輸特性曲線的表達式為： （3-3-1）式中 ：差分放大器的恒定電流（約為1mA）。：溫度的電壓當量，當室溫為25時，UT26mV。如果Uid為三角波，設表達式為 （3-3-2）式中Um：三角波的幅度。 T：三角波的周期。3.4電路的參數(shù)選擇及計算1 差分放大器元件參數(shù)確定輸出電壓為0.5=1/2=0.5V,取,則IcQ=0.5V/1K=0.5mA，,取,則, 得 。2 三角波-正弦波部分比較器A1與積分器A2的元件計算如下：由式（3-2-8）得 即。取 ，則，取 ，RP1為47K的

11、點位器。區(qū)平衡電阻。由式（3-2-9）即 （3-3-3）當時，取，則，取，RP2為100K電位器。 當1KHzf10KHz時，取以實現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取圖3-5 波形變換值不變。平衡電阻取8.2 K。三角波>正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R確定。簡易信號發(fā)生器EWB總電路圖第三章 EWB電路仿真及

12、仿真結果4.1 方波-三角波發(fā)生電路的仿真 圖4-1 方波仿真圖圖4-2 三角波仿真圖圖4-3 方波三角波仿真圖4.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真圖4-4 正弦波仿真圖圖4-5 三角波正弦波仿真圖4.3 方波三角波發(fā)生電路的仿真結果表4-1 方波、三角波實驗數(shù)據(jù)表4-2 方波圖形結果分析要求數(shù)據(jù)仿真結果4.4 三角波正弦仿真測試結果表4-3 三角波、方波實驗數(shù)據(jù)表4-4 波形轉(zhuǎn)換電路的實驗結果模擬仿真Ic1=Ic2=0.5mA第四章 protel的仿真與電路板的制作 5.1 protel99中設計電路原理圖的繪制 1、電路原理圖設計的一般步驟 1） 啟動protel99SE電路原理圖編輯器。

13、 2) 設置電路圖圖紙大小及版面。 3） 在圖紙上放置需要的元器件。 4） 對所放置的元器件進行布局布線。 5） 對布局布線后的元器件進行調(diào)整。 6） 保存文檔并打印輸出。 2、本設計需用到的一般規(guī)則 該設計繪制的總原理圖已在附錄C中給出，在此不再贅附。在放置元器件時，如遇元器件找不到則需裝載相應的元器件庫。其基本步驟為：單擊設計管理器中的browse sch選項卡單擊add/remove按鈕，屏幕將出現(xiàn)“change library list”對話框。在design explorer 99/library/sch文件夾下選取元件庫文件，然后雙擊鼠標點擊“OK”按鈕即完成了添加。若再找不到該元

14、件，則需自己用元件繪圖工具制作。 5.2 protel99中PCB圖的設計與制作1、PCB圖設計的一般步驟 1） 按照相關步驟后，將網(wǎng)絡報表導入編輯器即產(chǎn)生PCB圖。 2） 手工編輯調(diào)整元件布局，并連線。 2、PCB布局需注意的問題排版應整齊美觀，布線不能相交，焊盤大小要合適（以免焊盤太小打孔時將焊盤打掉）?？紤]我們是初學者可先考慮布線的簡便性。其總PCB圖已附在附錄D中。5.3 電路板的制作考慮到時間的問題，我們在這里制作的是萬能板，并沒有用到前面制作的PCB圖。附在后面僅供參考。1 安裝方波三角波產(chǎn)生電路1） 把兩塊741集成塊插入面包板（或PCB板），注意布局；2） 分別把各電阻放入適當

15、位置，尤其注意電位器的接法；3） 按圖接線，注意直流源的正負及接地端；焊好各結點，注意焊接質(zhì)量與焊點的大小。2.按裝三角波正弦波變換電路1） 在面包板（PCB板）上接入差分放大電路，注意三極管的各管腳的接線；2）搭生成直流源電路，注意R的阻值選??；3）接入各電容及電位器，注意C6（0.1微法）的選取；4）按圖接線，注意直流源的正負及接地端；焊好相關結點。 按要求接入相應的插座供電源的接入，連接好各接地線路，電路板即制作完畢。 簡易信號發(fā)生器PCB總電路封裝圖 簡易信號發(fā)生器PCB總電路原理圖第五章 電路板的調(diào)試與誤差分析6.1 方波三角波發(fā)生電路的調(diào)試1. 接入電源后，用示波器進行雙蹤觀察。2

16、. 調(diào)節(jié)RP1，使三角波的幅值滿足指標要求。3. 調(diào)節(jié)RP2，微調(diào)波形的頻率。電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍。4. 方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可實現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波-三角波的頻率。5. 觀察示波器，各指標達到要求后進行下一步安裝。6.2 三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試1. 接入直流源后，把C4接地，利用萬用表測試差分放大電路的靜態(tài)工作點。2. 測試V1、V2的電壓值，當不相等時調(diào)節(jié)RP4使其相等。3. 測試V3、V4的電壓值，使其滿足實驗要求

17、。4. 在C4端接入信號源，利用示波器觀察，逐漸增大輸入電壓，當輸出波形剛好不失真時記入其最大不失真電壓。為使輸出波形更接近正弦波，由圖3-5可見：（1） 傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；（2） 三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)；（3） 圖為實現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中Rp3調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp4調(diào)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C3,C4,C5為隔直電容，C6為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。6.3 總電路的調(diào)試1. 把兩部分的電路接好，進行整體測試、觀察。2. 針對各階段出現(xiàn)的問題，逐各排查校驗，使其滿足實驗要求，即使正弦波

18、的峰峰值等于1V。6.4 調(diào)試中遇到的問題及解決方法方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級單元電路組成的,在裝調(diào)多級電路時通常按照單元電路的先后順序分級裝調(diào)與級聯(lián)。1、 方波-三角波發(fā)生器的裝調(diào)由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時輸出方波與三角波，這兩個單元電路可以同時安裝。需要注意的是，安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調(diào)整到設計值，應先使RP1=10K,RP2?。?.5-70）K內(nèi)的任一值,否則電路可能會不起振。電路接線正確，通電后，UO1的輸出為方波，UO2的輸出為三角波，微調(diào)RP1,使三角波的輸出幅度滿足設計指標要求有，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率在對應波段內(nèi)連續(xù)可變。

19、2、三角波-正弦波變換電路的裝調(diào)（1）經(jīng)電容C4輸入差模信號電壓Uid=1v，F(xiàn)i =100Hz正弦波。調(diào)節(jié)Rp4及電阻R,使傳輸特性曲線對稱。再將C4左端接地，測量差份放大器的靜態(tài)工作點I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.（2) Rp3與C4連接，調(diào)節(jié)Rp3使三角波輸出幅度經(jīng)Rp3等于Uidm值，這時Uo3的輸出波形應接近正弦波，調(diào)節(jié)C6大小可改善輸出波形。如果Uo3的波形出現(xiàn)幾種正弦波失真，則應調(diào)節(jié)和改善參數(shù)，產(chǎn)生失真的原因及采取的措施有：1）鐘形失真 傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬，應減小Re2。2）半波圓定或平頂失真 傳輸特性曲線對稱性差，工作點Q偏上或偏下，應調(diào)整電阻R。3）非線性失真

20、 三角波傳輸特性區(qū)線性度差引起的失真，主要是受到運放的影響?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡改善輸出波形。6.5 誤差分析1.方波的誤差分析 圖6-2所示的波形為改換0.01uF時候的方波信號失真圖（1） 方波輸出電壓，因為運放輸出級是由NPN型或者PNP型兩種晶體管組成的復合互補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止和飽和導通，導通時輸出電阻的影響，使方波輸出幅度小于電源電壓值。（2）方波的上升時間，主要受運放轉(zhuǎn)換數(shù)率的限制。如果輸出頻率較高，則可接加速電容，與,并聯(lián)。從而改變轉(zhuǎn)換數(shù)率?？山蛹铀匐娙軨1，一般取C1為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測量T 2.三角波的誤差分析圖6-3所示為三角波的信號圖。三角

21、波的幅值沒有達到穩(wěn)定的輸出值6V，通過調(diào)節(jié) 大小可以得到想要的波形幅值。 3.正弦波的誤差分析 圖6-1所示的波形為正弦波的平頂失真，通過調(diào)節(jié)R的值可以改善波形，減小誤差達到所要的標準。電容C5 、C6可以改變?yōu)V過的波形，從而改變輸出的電壓值。通過調(diào)節(jié)的值可以控制差分放大器的工作區(qū)域。圖6-1 圖6-2圖6-3第六章 實驗總結本學期我們開設了模擬電子技術課，這門學科屬于電子電路范疇，與我們的專業(yè)也都有聯(lián)系，且都是理論方面的指示。正所謂“紙上談兵終覺淺，覺知此事要躬行?！睂W習任何知識，僅從理論上去求知，而不去實踐、探索是不夠的，所以在本學期模電剛學完之際，緊接著來一次電子電路課程設計是很及時、很

22、必要的。這樣不僅能加深我們對電子電路的任職，而且還及時、真正的做到了學以致用。 通過這段時間不懈的努力與切實追求，我們小組終于做完了課程設計。通過這次課程設計，我掌握了常用元件的識別和測試；熟悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接、焊接方法；以及如何提高電路的性能等等。 其次，這次課程設計提高了我的團隊合作水平，使我們配合更加默契，體會了在接好電路后測試出波形的那種喜悅。在實驗過程中，我們也遇到了不少的問題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問題。還有就是焊接實物的問題，我們以為很簡單，但其實很復雜，要對焊板上的元件進行 布置和焊接電路元件連線，這有很大的難度。在此期間，除了對元件較好的焊接外，還要考慮電路元件間的影響（即元件之間信號的干擾等問題），還要考慮元件連線的不相交以及焊板面積的大小、元件擺放和連線的美觀性等，所以想要焊出一塊實用又美觀的板子，還要經(jīng)過一番考慮和布置。但是最后在老師和同學的幫助以及自己的不斷努力下，把問題一一解決了，那種心情別提有多高興啊。實驗中暴露出我們在理論學習中所存在的問題，有些理論知識還處于懵懂狀態(tài)。作為一個自動化專業(yè)的學生，我深知課程設計的重要性。這次實習我從剛開始的什么都不懂不會不敢不碰，到現(xiàn)在的基本了解了一個電路元件是如何構成的，還有以前看的集成板上讓人難琢磨的電路焊接圖我都可以看懂一些了，其中的電路仿真也讓我對以前學習的電路