波形发生器(课程设计).doc

《波形发生器(课程设计).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《波形发生器(课程设计).doc（26页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、波形发生器的设计1设计目的（1）掌握用集成运算放大器构成正弦波、方波和三角波函数发生器的设计方法。（2）学会安装与调试由分立器件与集成电路组成的多级电子电路小系统。2设计任务设计一台波形信号发生器，具体要求如下： （1）输出波形：正弦波、方波、三角波。（2）频率范围：3Hz30Hz，30Hz300Hz，300Hz3KHz，3KHz 30KHz等4个波段。 （3）频率控制方式：通过改变RC时间常数手控信号频率。（4）输出电压：方波峰峰值；三角波峰-峰值，正弦波峰-峰。3.设计要求 （1）完成全电路的理论设计 （2）参数的计算和有关器件的选择 （3）PCB电路的设计 （4）撰写设计报告书一份；A3

2、 图纸2张。报告书要求写明以下主要内容：总体方案的选择和设计 ；各个单元电路的选择和设计；PCB电路的设计4、参考资料（l）李立主编. 电工学实验指导. 北京：高等教育出版社，2005（2）高吉祥主编. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2004（3）谢云，等编著.现代电子技术实践课程指导.北京：机械工业出版社，2003目录一. 设计的方案的选择与论证（3）1. 1 设计方案（3）1.1.1 设计方案1（3）1.1.2 设计方案2（4）1.1.3 设计方案3（5）1.2 方案选择 （6）二. 单元电路的设计（6）2.1 方案设计 （6）2.1.1 正弦波电路（6）2.1.2

3、方波电路（11）2.1.3 三角波电路（12）2.2 参数的选择 （13）3、 仿真（14）3.1 软件介绍（14）3.2 仿真的过程与结果（15）4、 PCB制版 （15）4.1 软件简介 （15）4.2 PCB电路板设计步骤 （20）五、总结与心得（21）六、附录 （22）6.1 材料清单（22）6.2 原理图（23）6.3 PCB板图（24）七、参考文献 （25）一设计方案的选择与论证产生正弦波、三角波、方波的电路方案有多种。由于本次设计要求频率并未超过1MHz，因此正弦波的产生可以通过RC桥式正弦波振荡电路产生，也可以通过滤波法或折线法对三角波进行变换来产生，或者利用差分放大电路实现三

4、角波-正弦波变换。三角波一般通过积分电路对方波进行变换来获得。方波一般通过电压比较器来产生。综上可以得出两种设计方案：（1） 设计方案1.1.1 设计方案1由三角波，方波发生器产生三角波和方波信号，然后通过转换电路将三角波转换成正弦波信号，其电路框图如下所示： 正弦波变换器积分器比较器图一、方案一原理框图差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。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。图二、差分放大电路但是相对于正弦波振荡电路来说，此方案较为复杂，且对器件要求较高。1.1.2 设计

5、方案2首先产生正弦波，再由过零比较器产生方波，最后由积分电路产生三角波。正弦波通过RC串并联振荡电路（文氏桥振荡电路）产生，利用集成运放工作在非线性区的特点，由最简单的过零比较器将正弦波转换为方波，然后将方波经过积分运算变换成三角波。其电路框图如下图所示： 积分器过零比较器正弦波变换器图三、方案二原理框图1.1.3设计方案3利用ICL8038单片集成电路来产生高精度正弦,方形,三角, 锯齿波和脉冲波形，其原理框图如下图所示图四、方案三原理框图1.2方案选择最终整体方案选择方案2，主要是由于方案中的正弦波变换器多为差分电路，然而差分电路较为复杂，而且对器件要求较高，方案三中的ICL8038单片集

6、成电路造价较高，因此，综合考虑之后选择方案2。2 单元电路设计2.1方案设计2.1.1 正弦波发生电路(1)方案一、RC振荡电路采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于产生1Hz1MHz的低频信号。因为对于RC振荡电路来说，增大电阻R即可降低振荡频率，而增大电阻是无需增加成本的。RC串并联网络的频率特性可以表示为：令 ，则上式可简化为 以上频率特性可分别用幅频特性和相频特性的表达式表示如下：| | 根据上式可以分别画出RC串并联网络的幅频特性和相频特性。 RC正弦波振荡电路示意图：图五、RC正弦波振荡电路根据RC串并联网络的选频特性及上述平衡条件容易得到RC正

7、弦波振荡电路的振荡频率为：；振荡的幅度平衡条件| |是表示振荡电路已达到稳幅振荡时的情况。若要振荡电路能够自行起振，开始时必须满足的幅度条件。 已知当时，由此可求得振荡电路的起振条件为：同相比例运算电路输出电压与输入电压之间的比例系数为： （即 RF=2R）因此，根据RC振荡电路的频率计算公式可知，只需改变R或C的值即可。本方案选用了最简单有效的电阻分压的方式调幅，在输出端通过电阻接地，输出信号的幅值取决于电阻分得的电压多少，其最大幅值为电路的输出电压峰值，最小值为0。（2） 方案二、LC振荡电路LC振荡电路主要用来产生高频正弦波信号，电路中的选频网络由电感和电容组成。常见的LC正弦波振荡电路

8、有变压器反馈式LC振荡电路、电感三点式LC振荡电路和电容三点式LC振荡电路，它们的选频网络采用LC并联谐振回路。LC振荡电路运用了电容跟电感的储能特性，让电磁两种能量交替转化，也就是说电能跟磁能都会有一个最大最小值，也就有了振荡。不过这只是理想情况，实际上所有电子元件都会有损耗，能量在电容跟电感之间互相转化的过程中要么被损耗，要么泄漏出外部，能量会不断减小，所以实际上的LC振荡电路都需要一个放大元件，要么是三极管，要么是集成运放等数电IC，利用这个放大元件，通过各种信号反馈方法使得这个不断被消耗的振荡信号被反馈放大，从而最终输出一个幅值跟频率比较稳定的信号。频率计算公式f=1/2LC开机瞬间产

9、生的电扰动经三极管V组成的放大器放大，然后由LC选频回路从众多的频率中选出谐振频率F0。并通过线圈L1和L2之间的互感耦合把信号反馈至三极管基极。设基极的瞬间电压极性为正。经倒相集电压瞬时极性为负，按变压器同名端的符号可以看出，L2的上端电压极性为负，反馈回基极的电压极性为正，满足相位平衡条件，偏离F0的其它频率的信号因为附加相移而不满足相位平衡条件，只要三极管电流放大系数B和L1与L2的匝数比合适，满足振幅条件，就能产生频率F0的振荡信号。常用LC振荡电路产生的正弦波频率较高，若要产生频率较低的正弦振荡，势必要求振荡回路要有较大的电感和电容，这样不但元件体积大、笨重、安装不便，而且制造困难、

10、成本高。因此，200kHz以下的正弦振荡电路，一般采用振荡频率较低的RC振荡电路。（3） 方案三、石英晶体正弦波振荡电路并联型石英晶体正弦波振荡电路如果用石英晶体取代LC振荡电路中的电感, 就得到并联型石英晶体正弦波振荡电路, 如左下图所示, 电路的振荡频率等于石英晶体的并联谐振频率。图六、并联型石英晶体振荡电路 图七、串联型石英晶体振荡电路 串联型石英晶体振荡电路如右上图所示为串联型石英晶体振荡电路。 电容Cb为旁路电容, 对交流信号可视为短路。 电路的第一级为共基放大电路, 第二级为共集放大电路。 若断开反馈, 给放大电路加输入电压是, 极性上“+”下“-”；则T1管集电极动态电位为“+”

11、, T2管的发射极动态电位也为“+”。 只有在石英晶体呈纯阻性, 即产生串联谐振时, 反馈电压才与输入电压同相, 电路才满足正弦波振荡的相位平衡条件。 所以电路的振荡频率为石英晶体的串联谐振频率fS。 调整Rf的阻值, 可使电路满足正弦波振荡的幅值平衡条件。但是石英晶体正弦波振荡电路常用于替换LC振荡电路，常应用于高频电路，低频电路一般选择RC振荡电路2.1.2 方波电路：（1）方案一、滞回比较器电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。图八、滞回比较器RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+Ut。

12、Uo通过Rf对电容C正向充电。反相输入端电位Un随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过Rf对电容C反向充电，Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz。但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。（2） 方案二、一般单限比较器可以将其接在正弦振荡电路的输出端，也可以将其接在三角波输出电路的输出端。图九、一般单限比较器其中6管脚输入环节一产生的正弦信号，

13、其中方框内决定方波的振幅，振幅为限压管电压+24伏。方案一可以自己产生自激振荡，可以作为总电路的输入，方案二并不能产生自己震荡，但是两个方案大体思路相同由于第一部分电路选择了正弦波自激震荡，从简化电路的角度来考虑，因此第二部分电路无需其自己产生自激震荡。2.1.3 三角波电路（1）方案1、积分电路三角波的产生是由积分电路实现的，积分电路将方波转换成三角波。在方波发生电路中，当阈值电压数值较小时，可将电容两端的电压看成为近似三角波。所以只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在其输出就得到三角波电压。积分电路的原理图如下： 原理图：图十、三角波发生电路由于集成运放的反相输入端“虚地”，故 ；又由于

14、“虚断”，运放反相输入端的电流为零，则，故,由以上几个表达式可得积分电路输入电压和输出电压的关系为：由于输入的是方波，所以 Ur的值为两个状态，当Ur0时，输出波形以的斜率上升，当 uI0时，输出波形以的斜率下降。上升和下降的斜率相等所以波形对称，形成三角波。当方波发生电路的输出电压u01=-Uz时，积分运算电路的输出电压u0将线性下降；而当u01=Uz时，将线性上升。输出波形频率为： 2.2参数的选择 2.2.1 正弦波振荡电路：选频：同相比例运算电路输出电压与输入电压之间的比例系数为： （即 RF=2R）R5=2R4，R4=5.23k，R5=12K，2.2.2 过零比较器：Upp24VDz

15、24VD2=24v，D1=24vUT1=R10*Uz/（R10+R8）2.2.3 三角波由积分电路：（-）+U0=8V,U1=24V,T方波=f方波RC=-3T方波/2RC=-3/2f方波3、 仿真3.1软件介绍Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型

16、设计和测试这样一个完整的综合设计流程。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。3.2仿真的过程与结果在仿真过程中常常会遇到难以得出自己预计的结果，这时需要我们根据相应的公式估算出相应的值，再

17、在计算值附近选用大小不同的器件来确定实际值。R1=25k,R2=25k,C1=10nf，C2=10nf，R5=2R4，时有正弦波产生R6=50K*50%，C3=50nf，R7=10K，T=1.5ms，时有三角波产生4、 PCB制版4.1 软件简介PROTEL是Altium公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。PCB（Pr

18、intedCircuitBoard）-中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。4.2 PCB电路板设计步骤：1、按照原理图绘制波形发生器电路原理图，并对该原理图进行编译确保电路原理图制作正确。2、在绘制好原理图后利用封装管理器执行【工具】【封装管理器】查看各元器件的封装是否符合要求，检查线路有无错误。3、 检查无错误后，生成网络表。C1RAD-0.3CapC2RAD-0.3CapC3RAD-0.3CapD1DIO7.1-3.9x1.9Diode 1N4148D2

19、DIODE-0.724vD3DIO7.1-3.9x1.9Diode 1N4148D4DIODE-0.724vD5DIO10.46-5.3x2.8Diode 1N4007D6DIO10.46-5.3x2.8Diode 1N4007R1AXIAL-0.4Res2R2AXIAL-0.4Res2R4AXIAL-0.4Res2R5AXIAL-0.4Res2R6AXIAL-0.4Res2R7AXIAL-0.4Res2R8AXIAL-0.4Res2R9AXIAL-0.4Res2U1DIP14LM324ANU2SO14LM324ADU3SO14LM324AD(VCCU1-4U1-11U2-4U2-11U3-4

20、U3-11)(NetC1_1C1-1R1-2)(NetC1_2C1-2D1-2D3-1R8-2U1-1)(NetC2_2C2-2R2-2U1-3)(NetC3_1C3-1R6-1R7-1U3-2)(NetC3_2C3-2R7-2U3-1)(NetD1_1D1-1D3-2R5-2)(NetD2_2D2-2D4-2)(NetD4_1D4-1R6-2R9-2)(NetD5_2D5-2D6-1R8-1U2-2)(NetR4_2R4-2R5-1U1-2)(NetR9_1R9-1U2-1)(GNDC2-1D2-1D5-1D6-2R1-1R2-1R4-1U2-3U3-3)4、 生成工程变化订单ECO，检查是

21、否有错误5、启动PCB编辑器并设置PCB工作层面和PCB工作参数，利用向导或直接设置电路板的几何尺寸并设置电路板禁止布线层，利用设计同步器装入网络与元件封装执行【设计】【Update PCB Document PCB1.PcbDoc 】 6、调整元器件布局，修改元器件标注 7、设置自动布线设计规则 8、设置自动布线器参数 9、选择自动布线方式进行自动布线 10、手动调整布线和布线宽度。11、保存文件五、总结与心得经过本次课程设计，我对Protel软件有了更为深入的了解和熟悉，通过对电路的仿真和理论计算，我大致了解到如何提高电路的性能等等。虽然这次课程设计使得我纠结了近两周，但收获的确很多。在这

22、次实验中，总结了很多感触体会，我们不能盲目的图快，一定要在心里有个具体的方案，这样能让我们少走弯路，更加节省时间。在实验过程中，我也遇到了不少的问题，如波形失真，仿真时时甚至不出波形这样的问题。在老师和同学的帮助下，自己的总结思索下，把问题一一解决。实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，这次实验让我对过去未理解的很多知识有了明了的认识。这次课程设计让我体会到了在接好电路后测试出波形的喜悦与如重释负的轻松。此课程的设计，真的让我认识到了实践能力的的重要性与真实性。这让我们很好的加深对不知道的理论知识的理解，同时也巩固了以前知道的知识。明白老师为什么要求我们做好这个

23、课程设计的原因。这次课程设计让我意识到运用所学的知识去解决实际的问题的重要性，我们学理工科的同学应更多的锻炼提高我们的动手能力。六、附录6.1 材料清单器件标注型号滑动变阻器R150k滑动变阻器R250k滑动变阻器R650k电阻R45.23k电阻R512k电阻R710k电阻R824k电阻R940k运算器U1LM324AN运算器U2aLM325AD运算器U3aLM326AD二极管D1Diode 1N4148二极管D3Diode 1N4148二极管D5Diode 1N4007二极管D6Diode 1N4007稳压管D224V稳压管D424V电容C110nf电容C210nf电容C350nf6.2 原理图6.3 PCB板图七、参考文献1. 刘霞 侯传教 孟涛 杨智敏.电子设计与实践.北京：电子工业出版社，20092. 童诗白 华成英.模拟电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社，2006