方波-三角波-正弦波函數(shù)信號發(fā)生器

PAGEPAGE18課程設(shè)計(jì)說明書 課程設(shè)計(jì)名稱：電子課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)制作一個(gè)產(chǎn)生方波-三角波-正弦波函數(shù)轉(zhuǎn)換器學(xué)院名稱：信息工程學(xué)院 專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)班級：xxxxxxxx 學(xué)號：xxxxxxx姓名：xxxxx 評分：教師：xxxxxx2013年10月電子課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2013－2014學(xué)年第1學(xué)期第1周－3周題目設(shè)計(jì)制作一個(gè)方波-三角波-正弦波函數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)容及要求①輸出波形頻率范圍為0.02Hz～20KHz且連續(xù)可調(diào)；②正弦波幅值為±2v；③方波幅值為±2v；④三角波峰－峰值為2v，占空比可調(diào)。進(jìn)度安排1．.根據(jù)任務(wù)要求，查閱相關(guān)資料，完成設(shè)計(jì)前的前期工作：2天；2．根據(jù)資料，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)并對比論證，完成參數(shù)計(jì)算：2.5天；3．領(lǐng)取元器件，連接電路完成電路調(diào)試：3天；4．提交報(bào)告：12周學(xué)生姓名：xxx指導(dǎo)時(shí)間：第1-3周指導(dǎo)地點(diǎn)：綜合樓中506室任務(wù)下達(dá)2013年9月2日任務(wù)完成2013年9考核方式1.評閱eq\o\ac(□,√)2.答辯□3.實(shí)際操作eq\o\ac(□,√)4.其它□指導(dǎo)教師xxx系（部）主任賈杰注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計(jì)小組組長一份；任課教師授課時(shí)自帶一份備查。2、課程設(shè)計(jì)結(jié)束后與“課程設(shè)計(jì)小結(jié)”、“學(xué)生成績單”一并交院教務(wù)存檔。摘要當(dāng)今世界在以電子信息技術(shù)為前提下推動了社會跨越式的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展日新月異帶動了各國生產(chǎn)力的大規(guī)模提高。由此可見科技已成為各國競爭的核心，尤其是電子通信方面更顯得尤為重要，在國民生產(chǎn)各部門都得到了廣泛的應(yīng)用，而各種儀器在科技的作用性也非常重要，如信號發(fā)生器、單片機(jī)、集成電路等。信號發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛地應(yīng)用于電子電路、自動控制系統(tǒng)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。常用超低頻信號發(fā)生器的輸出只有幾種固定的波形，有方波、三角波、正弦波、鋸齒波等，不能更改信號發(fā)生器作為一種常見的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的可以完全由硬件電路搭接而成，如采用LM324振蕩電路發(fā)生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路徑之一，不用依靠單片機(jī)。本系統(tǒng)本課題將介紹由LM324集成電路組成的方波——三角波——正弦波函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，了解多功能函數(shù)信號發(fā)生器的功能及特點(diǎn)，進(jìn)一步掌握波形參數(shù)的測試方法，制作這種低頻的函數(shù)信號發(fā)生器成本較低，適合學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)測量使用。制作時(shí)只需要個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生正弦波、三角波、方波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。關(guān)鍵字：信號發(fā)生器、波形轉(zhuǎn)換、LM324目錄目錄 1前言 2第一章設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 31.1、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 31.2、設(shè)計(jì)目的 3第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 42.1本系統(tǒng)方案包括三個(gè)部分 42.2硬件電路方案設(shè)計(jì) 4第三章各單元電路的工作原理 63.1方波發(fā)生電路 63.2方波三角波轉(zhuǎn)換電路 83.3三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路 9第四章安裝、調(diào)試與結(jié)果分析 114.1軟件仿真 114.2安裝電路 114.3實(shí)物調(diào)試及故障分析與排除 12實(shí)驗(yàn)小結(jié) 13參考文獻(xiàn) 14附錄 151.總原理圖 152..電路元器件清單 163.芯片簡介 17

前言隨著社會的發(fā)展與科技的進(jìn)步，各式各樣的電子產(chǎn)品涌向市場，人們對電子產(chǎn)品的需求量也越來越大，對產(chǎn)品的性能要求也越高。作為一名電子類的大學(xué)生，在學(xué)習(xí)理論知識的同時(shí)也應(yīng)增強(qiáng)學(xué)生的動手能力，電子課程設(shè)計(jì)為大學(xué)生提供了一個(gè)大的平臺，將理論知識與實(shí)踐相結(jié)合。信號發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛地應(yīng)用于電子電路、自動控制系統(tǒng)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。本次實(shí)驗(yàn)是設(shè)計(jì)制作一個(gè)方波-三角波-正弦波函數(shù)信號發(fā)生器。通過各個(gè)途徑查找資料，從而設(shè)計(jì)出理想的電路圖并仿真；方案通過后開始制作電路板，需進(jìn)行排版、焊接、布線等操作；電路板制作完后就進(jìn)行調(diào)試，通過調(diào)試可檢查電路板是否合格。其中方案設(shè)計(jì)及電路分析思路值得學(xué)生學(xué)習(xí)和研究，從而將該方案更好地應(yīng)用到課程設(shè)計(jì)中。

第一章設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.1、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求設(shè)計(jì)制作一個(gè)產(chǎn)生方波——三角波——正弦波函數(shù)轉(zhuǎn)換器要求：1．輸出波形頻率范圍為0.02Hz～20KHz且連續(xù)可調(diào)2．正弦波幅值為±2v3．方波幅值為±2v4．三角波峰－峰值為2v，占空比可調(diào)1.2、設(shè)計(jì)目的1． 鞏固和加深對電子電路基本知識的理解，提高綜合運(yùn)用本課程所學(xué)知識的能力。2． 培養(yǎng)根據(jù)課題需要選學(xué)參考書籍，查閱手冊、圖表和文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力。通過獨(dú)立思考，深入鉆研有關(guān)問題，學(xué)會自己分析并解決問題的方法。3． 通過電路方案的分析、論證和比較，設(shè)計(jì)計(jì)算和選取元器件;初步掌握簡單實(shí)用電路的分析方法和工程設(shè)計(jì)方法。4． 了解與課題有關(guān)的電子電路以及元器件的工程技術(shù)規(guī)范，能按設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，完成設(shè)計(jì)任務(wù)，編寫設(shè)計(jì)說明書，正確地反映設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)的成果，正確地繪制電路圖等。5．培養(yǎng)嚴(yán)肅、認(rèn)真的工作作風(fēng)和科學(xué)態(tài)度第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1本系統(tǒng)方案包括三個(gè)部分1、比較器電路2、積分器電路3、差分放大器電路2.2硬件電路方案設(shè)計(jì)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(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)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。由比較器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路如下圖2.1所示：圖2.1設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路總圖如圖2.2所示圖2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路總圖第三章各單元電路的工作原理3.1方波發(fā)生電路因?yàn)榉讲妷褐挥袃煞N狀態(tài)，不是高電平，就是低電平（如圖3.1所示），所以電壓比較器是它的重要組成部分；因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)維持的時(shí)間。方波電壓狀態(tài)如下圖3.1所示：圖3.1方波電壓狀態(tài)此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成（如圖3.2所示）。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R1對電容C正向充電。反相輸入端電位n隨時(shí)間t的增長而逐漸增高，當(dāng)t趨于無窮時(shí)，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R1對電容C反向充電。Un隨時(shí)間逐漸增長而減低，當(dāng)t趨于無窮大時(shí)，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。方波發(fā)生電路如下圖3.2所示：圖3.2方波發(fā)生電路欲改變輸出電壓的占空比，就必須使電容正向和反向充電的時(shí)間常數(shù)不同，即兩個(gè)充電回路的參數(shù)不同。利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢砸龑?dǎo)電流流經(jīng)不同的通路，從而實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)如下圖3.3所示：圖3.3占空比可調(diào)電路占空比的計(jì)算式為：。3.2方波三角波轉(zhuǎn)換電路將方波電壓作為積分運(yùn)算電路的輸入，在其輸出就得到三角波電壓（如圖3.4所示）。當(dāng)方波發(fā)生電路的輸出電壓Uo=+Uz時(shí)，積分運(yùn)算電路的輸出電壓Uo將線性下降；而當(dāng)Uo=-Uz時(shí)，Uo將線性上升。積分電路的輸入電壓是滯回比較器的輸出電壓Uo1，而且Uo1不是+Uz，就是-Uz。設(shè)初態(tài)時(shí)正好從-Uz躍變?yōu)?Uz，則積分電路反向積分，Uo隨時(shí)間的增長線形下降，一旦Uo=-Ut，再稍減小，Uo1將從+Uz躍變?yōu)?Uz。積分電路正向積分，Uo隨時(shí)間的增長線形增大，一旦Uo=+Ut，再稍增大，Uo1將從-Uz躍變?yōu)?Uz，回到初態(tài)，積分電路又開始反向積分。電路重復(fù)上述過程，因此產(chǎn)生自激振蕩，三角波發(fā)生電路如下圖3.5所示：圖3.4三角波發(fā)生電路方波-三角波波形圖如下圖3.5所示：圖3.5方波-三角波波形3.3三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點(diǎn)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。正弦波電路如下圖3.6所示：圖3.6正弦波發(fā)生電路為使輸出波形更接近正弦波：傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。圖為實(shí)現(xiàn)三角波——正弦波變換的電路。其中R4和R12調(diào)節(jié)三角波的幅度，R13調(diào)整電路的對稱性。電容C1為隔直電容，C2和C3為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。第四章安裝、調(diào)試與結(jié)果分析4.1軟件仿真將上述設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真得到如下結(jié)果：（1）方波-三角波-正弦波仿真圖如下圖4.1所示：圖4.1方波-三角波-正弦波仿真圖仿真是對電路可行性的理論分析，是檢驗(yàn)電路正確性的輔助手段。設(shè)計(jì)時(shí)按照理論計(jì)算選取的電路參數(shù)，帶入進(jìn)行仿真后，基本得到設(shè)計(jì)的參數(shù)要求，即方波幅值為±2v，三角波峰－峰值為2v，正弦波幅值為±2v。4.2安裝電路1.將LM324裝上電路板，設(shè)計(jì)并排版，使各元件易于焊接且美觀；2.分別把各電阻及電容放入適當(dāng)位置，尤其注意電位器和穩(wěn)壓管的接法，由于本電路用到了三個(gè)LM324，所以應(yīng)明確各管腳的接線位置，并將電阻電容等焊在易于連線的位置，避免短路、少焊、虛焊等問題，也使電路易于檢查；3.按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。4.3實(shí)物調(diào)試及故障分析與排除將LM324的4腳和11腳分別接正負(fù)電壓，接上示波器觀察波形。首先分別調(diào)試各電路，在調(diào)試方波發(fā)生電路時(shí)，發(fā)現(xiàn)雖然有波形產(chǎn)生，但幅值偏小，達(dá)不到要求，多次檢查后發(fā)現(xiàn)，LM324所接的是5V電壓，當(dāng)調(diào)整至15V電壓后，幅值增大，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。之后調(diào)試三角波發(fā)生電路，發(fā)現(xiàn)也是幅值達(dá)不到要求，并且波形部分失真，又進(jìn)行了仿真，并在電路板上插線連接模擬了真實(shí)電路，改變了電路參數(shù)，之后達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。最后調(diào)試正弦波發(fā)生電路，起初沒有波形產(chǎn)生，后將萬用表打至蜂鳴檔檢查電路各連接點(diǎn)是否短路和電路焊接是否正確，找到了問題，發(fā)現(xiàn)有一處出現(xiàn)了少焊，重新焊接后，有波形產(chǎn)生，但發(fā)生了嚴(yán)重失真，于是又進(jìn)行仿真，再次用電路板插線連接模擬真是電路，改變電路參數(shù)，使波形達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但是頻率范圍比較窄，改變了圖中某些元件的參數(shù)（變換了電容）后，重新調(diào)試，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。各波幅值達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，又對參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，使其頻率在0.02Hz～20KHz且連續(xù)可調(diào)。實(shí)驗(yàn)小結(jié)經(jīng)過兩個(gè)星期的課設(shè)實(shí)驗(yàn)，收獲了挺多的。前一個(gè)星期大都是在圖書館或是電腦上花費(fèi)的，主要是查找實(shí)驗(yàn)相關(guān)的資料并設(shè)計(jì)出合理的實(shí)驗(yàn)方案，單就方案設(shè)計(jì)就讓人頭疼，不過依靠現(xiàn)在發(fā)達(dá)的科技以及圖書館的豐富的資料，終于設(shè)計(jì)出了合理的方案。方案設(shè)計(jì)以及仿真都還是挺順利的，在老師的檢查下，方案得到了老師的認(rèn)可，接下來便是制作轉(zhuǎn)換器電路板。在這方面，存在挺多問題的，象是電路排版，焊接，都挺難的，總之要細(xì)心加耐心。焊接是個(gè)技術(shù)活，要多次練習(xí)焊接，才能焊出好的作品，不會出現(xiàn)虛焊，焊盤脫落。做了兩個(gè)電路板，都出現(xiàn)了虛焊，在調(diào)試過程中都不理想，波形出不來，只有先檢查電路，再檢查焊的有沒問題，檢查多次才找出了問題，好多處都出現(xiàn)了虛焊以及電路設(shè)計(jì)方面還有待改進(jìn)，于是又重新調(diào)整了一下電路，并重新制作。通過和搭檔的不懈努力終于將第三塊板焊好了，調(diào)試波形也出來了，唯一一點(diǎn)不足就是頻率范圍窄了點(diǎn)，達(dá)不到要求，在張老師和歐老師的指導(dǎo)下，我們改變了電路中電容的值，經(jīng)過老師的多次指導(dǎo)，頻率范圍變寬了，基本達(dá)到了要求。這次課設(shè)實(shí)驗(yàn)感受挺多的，其實(shí)整個(gè)階段挺快樂，同時(shí)讓我明白了：只有實(shí)踐了，你才能得出正確的答案，而理論，你只能當(dāng)做參考，理論得到實(shí)踐才是真知。這次課程設(shè)計(jì)的經(jīng)歷將