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1、 目 录 1 设计任务和要求.12 电路原理及主要元器件介绍.1 2.1 电路原理.1 2.2 555芯片介绍.13 波形信号发生器的具体设计步骤.23.1 方波的设计.23.2 三家波的设计. 33.3 正弦波的设计. 43.4 总原理图43.5 多谐振荡器电路53.6 积分电路64 电路仿真及数据计算.7 4.1 电路仿真图.7 4.2 电路仿真结果图.8 4.3 电路数据的计算与分析.85 实物图的焊接与调试96 经验总结12参考文献.13附录14波形信号发生器的设计1 设计任务和要求设计任务：波形信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、方波、正弦波的电路。波形信号发生器在电路实验和
2、设备检测中具有十分广泛的用途。通过对波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的波形波形发生器。本课题采用由集成运算放大器组成的正弦波方波三角波正弦波波形发生器的设计方法，如首先先通过RC正弦波振荡电路形成正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。经过仿真得出了方波、三角波、正弦波、方波三角波转换及三角波正弦波转换的波形图。设计要求：设计一个频率可调（10010KHz）产生正弦波、方波、三角波的电路 2电路原理及主要元器件介绍 2.1 电路原理本次设计采用555定时器组成多谐振荡器，在
3、接通电源后自行产生矩形波，通过积分电路将矩形波转变为三角波，再经积分网络转变为正弦波。具体示意图如图1所示。方波正弦波三角波多谐振荡器 积分电路 积分电路 图1 波形转换示意图 2.2 555芯片介绍 555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，可以将输入的模拟信号变化为一定的数字信号输出，因而广泛应用于生产实践的各个领域。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制和检测电路中。555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、由两个与非门G1和G2组成的基本RS触发器（低电平触发）、放电三极管T以及输出反相缓冲器G3组成，其内部结构图如图2所示。图2 555定时器内部结构图 表1
4、 555定时器控制功能表输 入输 出THVODisLL导通VCCVCCHH截止VCCH不变不变VCCHL导通 3波形信号发生器的具体设计步骤 3.1 方波的设计方波输出图3 产生方波原理图其中555定时器接成多谐振荡器工作形式，C2为定时电容，C2的充电回路是R2R3RPC2；C2的放电回路是C2RPR3IC的7脚(放电管)。由于R3+RPR2，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数，其频率为1kHz左右，调节电位器RP可改变振荡器的频率。3.2 三角波的设计方波信号经R4、C5积分网络后，输出三角波。输出三角波输入方波图4 积分产生三角波原
5、理图3.3 正弦波的设计三角波经R5、C6和R6、C7积分网络，输出正弦波。输出三角波输入方波 图5 积分产生正弦波原理图3.4 总原理图图6 函数信号发生器总电路原理图 3.5 多谐振荡器电路 用555定时器组成的多谐振荡器及工作波形如图5所示。 图7（a）555定时器组成的多谐振荡器 图7（b）多谐振荡器工作波形 接通电源后，电容C被充电，当1上升到VCC时，使为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2 和T放电，当1下降到VCC 时，翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为 T1 =0.7R2 C (2) 当放电结束时，T截止，VCC将通过R1和R2向电容器C充电，1由VCC上升到
6、VCC所需的时间为 T2 =0.7( R1 + R2)C (3） 当1上升到VCC时，电路又翻为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如下 其振荡频率为 f =1.43/( R1 + 2R2)C （4） 占空比 q%= T2/(T1+T2) （5） 3.6 积分电路 积分电路结构及波形如图8所示。UiUitTtkE输入电压波形tUo R UoRCtkC积分电路输出电压波形 图8（a）积分电路结构图 图8（b）积分电路输入输出波形由积分电路得： 积分电路原理： RC积分电路如图所示，是脉冲技术中常用的电路之一，该电路的时间常数t较大，一般取t=10tk
7、。当输入信号Ui在t1时刻U0(ti)=0 ，此后Ui向C 充电，U0按指数规律上升；在t1t3其间，Ui=0,电容C处于放电状态，U0下降，在t3t4其间U0又按指数规律上升，如此周而复始，就得到了近似锯齿波的输出电压，如图U0的波形，矩形脉冲的占空比不同，输出电压的幅度也不同。显然，占空比越大，输出电压的幅度也就越接近输入信号的幅度E.4 电路的仿真及数据计算 4.1电路仿真图 图9 4.2 电路仿真结果图 图104.3 电路数据的计算与分析 根据图9，由555定时器组成的振荡电路分析得：图11多谐振荡器图 电容C1的放电时间由（2）式可得：T1=(R3+Rp)C1ln20.7(R3+Rp
8、)C1 代入数据可得434us T1574us 电容C充电时间由（3）式可得：T2=(R2+R3+Rp)C1ln20.7(R2+R3+Rp)C1 代入数据可得441us T2581us 故电路的振荡周期由（4）式可得： f=1/(T1+T2)0.7/(R1+2R2+2Rp)C1 代入数据可得866HZ f1144HZ输出波形占空比由（5)式可得：q(%)= T2/(T1+T2) 100%50%仿真完成时通过观察Proteus示波器查看波形，记录一定时间内波形数据，如表3，在一定时间内频率变化如表4所示。表3 示波器测量数据记录表电位器R周期T频率f三角波峰值Vp正弦波峰值Vp方波峰值Vp三角波
9、峰峰值Vp-p正弦波峰峰值Vp-p方波峰峰值Vp-p0%1.006ms977.2HZ118mv7.2 mv2.04v228mv12.6mv3.76v100%1.153ms863.3HZ122mv6.8 mv2.04v234mv13mv3.76v 表4 频率变化数据（5分钟内）Rpfmaxfmin0%1009Hz993.7Hz100%863.3Hz786Hz 占空比： q(%)=T2/(T1+T2)=50%频率稳定度： Rp取0%时 =(fmax-fmin)/f0100%=（1009-993.7)/1144=1.34%1% Rp取100%时 =(fmax-fmin)/f0100%=（863.3-
10、786）/866=8.89%1% 5 实物图的焊接与调试焊接：按照电路图焊接好电路板。调试前:将电路板接入6伏电压，地线与电源处公共地线连接.调试与测试:实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。调试的常用仪器有：万用表、示波器、信号发生器。（1）调试前的检查 在电子元器件安装完毕后，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔
11、细检查。其检查内容包括：检查连线是否正确检查的方法通常有两种方法：a、按照电路图检查安装的线路。这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序安装好的线路，这样比较容易查出哪里有错误。b、按照实际线路来对照原理图电路进行查线。这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件引脚的连线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量，可直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。检查元器件的安装情况检查元器件引脚之间有无短路和接触
12、不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。（2）调试方法与原则a、通电观察把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。b、静态调试交流和直流并存是电子电路工作的一个重要组成部分。一般情况下，直流为交流服务，直流是电路工作的基础。因此，电子电路的调试有静态和动态调试之分。静态调试过程：如，通过静态测试模拟电路的静态工作点，数字电路和各输入端和输出端的高低电平值及逻辑关系等，可以及时发现已损坏的元器件，判断电路工作情况，并及时调整电路参数，使电路工作状态符合设计要求。c、动态
13、调试调试的方法是在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号，并循着信号流向来检测各有关点的波形，参数和性能指标。发现故障应采取各种方法来排除。通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标是否满足设计要求，如必要再进一步对电路参数提出合理的修正。(3)调试中注意的事项我们在调试时，为了保证效果，必须尽量减小测量误差，提高测量精度。调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。为此，需注意以下几点：a、正确使用测量仪器的接地端。b、测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为， 若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大误差。c、测量仪器的带宽必须大于被测电路
14、的带宽。d、要正确选择测量点，用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。e、调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。f、调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。我们应该认真检查.(4)电路测试: 在对电路调试完后我们将对电路进行测试，在测试中我们主要是看能否实现其功能；如果能说明成功，不能要重新检查电路是否有问题。6 经验总结通过
15、这次波形信号发生器的设计，让我感触最深的是自己第一次将模拟电路和数字电路的理论知识运用到了实际之中。首先在设计电路图的时候，由于自己的考虑不周全，并没有将考虑到原件参数对电路的影响，也并没有实现三个波形同时产生。所以看到了自己的专业知识并不扎实，还不能举一反三，灵活运用到实践之中。通过设计电路原理图，让我在一定程度上巩固了所学的知识，也明白了学以致用的真谛。在焊接电路的过程中，首先由于原件焊接得比较近，以至于不好焊接导线。另外，也发现导线的铜丝不应该露出太多，容易与其他旁边的线接触产生短路。当然，感受最深的还是：要做好一件事，就必须得静下心来，不能一蹴即成。特别是对于这种细致的活，更不能浮躁，
16、需要有高度的耐心，不怕麻烦。在调试的过程中，我更是需要耐心。由于电路和原件本身存在的一些缺陷，要产生出完美的波形是很难的，另外，计算得出的理论值在实际中有时并不是最佳的参数，又加上测了仪器的误差，所以调出正确不失真的波形是很需要耐心的。另外，在自己不懂的时候，可以请教其他同学和老师，这样可以让你豁然开朗。总之，这次波形信号发生器的设计，教了我们怎样运用所学知识去解决实际的问题，提高了我们思考和动手的能力，让我受益匪浅。参考文献1 阎石.数字电子技术基础第四版M. 北京：高等教育出版社，1998：308-3572 杨志忠.电子技术课程设计M.北京：机械工业出版社，2008:91-933 陈尚松，
17、郭庆，雷加.电子测量与仪器M.北京：电子工业出版社，2009:75-774 张同怀, 张庆玲. 输出幅度可控制的信号发生器J. 科学技术与工程 , 2010,(13)5 许文斌. 单片机实现智能信号发生器J. 中国新技术新产品 , 2008,(17)6 郭淑珍, 吕秋芬, 李志华, 李秀玲. 555定时器应用中的问题探讨J. 河北师范大学学报(自然科学版) , 2002,(02)李健. 555定时器及其应用J. 经营管理者 , 2009,(04)7 任晓光. 集成555定时器及其应用J. 电大理工 , 2004,(03)8 颜恒斌, 张玉洁. 探讨MultiSim仿真软件在电工实验中的应用J. 科技信息(学术研究) , 2008,(26)9 吴孝谦, 赵勇. “555”集成芯片及应用实例简介J. 中国无线电 , 2007,(05)10 林春方电子线路学习指导与实训M北京，电子工业出版社，2004：179.11 高吉祥电子技术基础实验与课程设计M北京，电子工业出版社，2002：187附录元件清单二极管 1个555触发器 1个直流电源 +6V 1个电阻 500 1个，60k 1个，1k 1个，10k 3个滑动变阻器 100k 1个电容 100uF 1个，0.01uF 2个，0.1uF 2个，10uF 1个万能板 1块导线若干 14