课程设计I总结报告-幅值可调的正弦信号发生器.doc

课程设计i总结报告题 目：幅值可调的正弦信号发生器 院 （系）：电子工程与自动化学院 专 业：测控技术与仪器 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2012年 1月 11 日摘要信号发生器被广泛的应用于各种教育和科研场所，且随着科技的进步和社会的发展，信号发生器的重要性将会日益凸显。本次课程设计所设计的正弦信号发生器所使用的方法是由方波经滤波器产生正弦信号。方波信号由555数字芯片所组成的多谐振荡器所产生，其中调节多谐振荡器中的滑动变阻器便可产生出所需要的信号的频率，经过带通滤波器滤除杂波成分，再经过放大倍数可调的运算放大器，便可产生出所需的幅值可调的正弦波。本次设计的信号发生器制作成本不高，电路简单，可以节约人力物力资源，还具有实际的应用价值。关键字：多谢振荡器，带通滤波器，运算放大器ne5532目录一设计任务及要求。.2二方案论证和选择，系统框图。.2三单元电路的设计、参数计算和器件选择。.3四完整的电路图，以及电路的工作原理。.4五组装调试的内容：.91.使用的主要仪器和仪表 .92调试电路的方法和技巧；.93测试的数据和波形；94调试中出现的故障原因及排除方法。.12六电路设计总结。.12七收获、体会。.12八参考文献。.13附录一：.131.所用元器件.132.电路原理图.143.pcb图。.154.电路实物图.16附录二：.161. 用谐振滤波电路产生7khz正弦波的实物电路图.162. 用谐振滤波电路产生7khz正弦波的仿真结果.17一、设计任务及要求: 1、利用555振荡器产生1khz-10khz 的方波信号； 2、利用滤波电路或调谐电路产生1khz-10khz 的正弦波信号； 3、设计增益可调的放大器使输出信号幅值在5v10v之间可调。 4、通过课程设计，加深对电路分析、模拟电路、数字逻辑等课程知识的理解。5、进一步训练和提高同学们的实际应用能力。6、 要求同学们能够综合运用基础课程所学知识，设计并制作出一个实际应用电路或整机。7、撰写课程设计报告。二、方案的论证和选择，系统框图（一）方案论证方波信号的产生由555多谐振荡器经过周期性的振荡产生，滤波电路部分有三种方案：第一种是用低通滤波器产生正弦波，第二种是利用带通滤波器产生正弦波，第三种是利用调谐滤波电路来产生正弦波。1. 低通滤波器法：滤波电路由两节rc滤波电路和同相比例放大电路组成，它的功能是通过从零到某一截止角频率的低频信号，而对大于截止频率的的所有频率给予衰减。其电路特点是输入阻抗高，输出阻抗低。2. 带通滤波器法：带通电路可以由低通电路和高通电路经串联组成，而高通滤波器可由低通滤波器中的r和c的位置互换而得到。只要低通滤波器的截止角频率大于高通滤波器的截止角频率，两者覆盖的带同就提供了一个带带通响应。3. 利用调谐电路来产生正弦波信号，调谐电路中设计好lc振荡电路的振荡频率，当外加的频率和振荡电路的频率相同的时候，电路由于谐振，就可以通过lc振荡来把方波滤波成正弦波。 其中，由555多谐振荡器产生基频为1khz10khz的 方波信号的信号，经过截止频率为1khz的低通滤波器或带通滤波器可以得到1khz的正弦波信号，而如果需要其它频率成分的分量，则需要经过带通滤波器或者谐振电路来产生。现在利用带通滤波器来产生3khz 的正弦波，利用谐振电路来产生7khz 的正弦波。用谐振产生滤波电路只在论文最后面附上相关的图片，电路的原理及设计的具体内容不进行介绍，下面着重介绍用带通电路产生3khz的正弦波。 （二）系统框图带通滤波器 振荡电路放大电路输出显示 图（1） 总的设计思路框图 如图（1）所示，由振荡电路产生3khz的方波信号，经过带通滤波器得到3khz的正弦波信号，再经过放大电路使输出的正弦波信号幅值在5v10v之间可调，最后在示波器上显示出来。三单元电路的设计、参数计算和器件选择 图（2）振荡电路部分图（3）滤波电路部分图（4）运算放大电路部分1. 振荡电路如图（2）所示，由555定时器和外接电阻r1、r8和c1构成多谐振荡器，利用电源通过r1、r8向c1充电，以及c1通过r8向放电端dis放电，使电路产生振荡。555电路要求r1和r8均应大于或等于1khz，且r1+r8应小于或等于3.3m。所接的电源电压为5v，放光二极管的作用是显示电源的工作与否，r11的作用是保护发光二极管不被烧坏，c9作为电源交流成分的旁路，通过调节r1、r8以及c1可以调节振荡器的输出频率。电阻r1和r8、电容c1的具体数值计算如下：因为所需的振荡频率为3khz，所以振荡器的周期为t333.3us,而t=t1+t2，t1=0.7*(r1+r8)*c1，t2=0.7*r8*c1。令c1=0.01uf，且t1t2，令r1=5.1k,则r8=24k。2.滤波电路 如图（3）所示，r9和c6构成低通电路，c7和r10构成高通电路，且为了计算方面令r9=2* r10，c6= c7，由运放ne5532和r5和r12构成同相比例放大电路。各参数的计算过程如下：因为通带频率为f=3khz，周期t333.3us，可设高通和低通电路的截止频率均为3khz。而r9*c6=1/（2*f），因为运放电路中的电阻不宜选择过大或过小，故令c6=0.01uf，可算出r95.305k，则r10=10.61 k。为了使同相比例放大电路得品质因数q最大，而q=1/(3-a)且a3，故令放大器的放大倍数为a=2.9，令r5=10 k，则r12=(a-1)*r5=19 k。为了使输出波形变的更好，现采用两个带通滤波器串联作为整个设计的滤波电路。3.放大电路 如图（4）所示，因为信号经过前面的滤波电路后，经同相比例放大电路进行了放大，故本放大电路采用反向比例放大电路，降低输出电压的幅度，并且通过调节r14和r15，使输出信号幅度在5v10v之间可调。四完整的电路图，以及电路的工作原理(一)完整的电路图图（5）完整的电路图（二）电路工作原理为了更好的理解电路的工作原理，首先得对电路图中用到的芯片进行介绍一下：1、 555定时器：芯片管脚如下图（6） 555定时器的管脚图表61 555定时器的功能表 清零端高触发端th低触发端q放电管t功能00导通直接清零101x保持上一状态保持上一状态110x保持上一状态保持上一状态10 10 11 0导通截止置1 清零图（7） 555定时器的功能表555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 rs 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 c1 的同相输入端的电压为 2vcc /3，c2 的反相输入端的电压为vcc /3。若触发输入端 tr 的电压小于vcc /3，则比较器 c2 的输出为 0，可使 rs 触发器置 1，使输出端 out=1。如果阈值输入端 th 的电压大于 2vcc/3，同时 tr 端的电压大于vcc /3，则 c1 的输出为 0，c2 的输出为 1，可将 rs 触发器置 0，使输出为 0 电平。现在，因为本次课设是要用555来接成多谐振荡器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。图（8） 多谐振荡电路接通电源后，假定是高电平，则t截止，电容c充电。充电回路是vccr1r2c地，按指数规律上升，当上升到时（th、端电平大于），输出翻转为低电平。是低电平，t导通，c放电，放电回路为cr2t地，按指数规律下降，当下降到时（th、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管t截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡。2、运放ne5532。芯片管脚如下图（9）运放ne5532的管脚图芯片8脚和4脚分别接正负电源,一块集成芯片内包含有两片运放，即有两个输出脚，分别为1脚和7脚，两个同相输入端3脚和5脚和两个反向输入端2脚和6脚。其极限参数如下：工作电压min.(v):3；工作电压max.(v):20；带宽gbw(典型值)(mhz):10；转换速率(典型值)(v/us):9；输入失调电压(25,max.)(mv):4.015 v；最大工作电流id(ma):8；共模抑制比(min.)(db):100；电源供电方式:双 本次利用ne5532接成带通滤波器里面的同相放大器和放大电路里面的反向放大器，可以只用两片ne5532，接电路时正负电源端公用，一个电路接1,2,3脚，另一个电路接5,6,7脚，这样可以节约成本。带通滤波器由低通与高通滤波电路串联而成，当低通滤波器的截止频率大于高通滤波器的截止频率时，低通和高通覆盖的带宽就提供了一个带通响应。通过调节同相比例放大电路部分的反向输入电阻可以调节输出电压的幅度以及输出波形的品质因数，进而调节输出波形的带宽，品质因数与带宽之间的关系是：bw=f/q,其中，f为基波频率。最后一级的运算放大电路用反向比例放大电路构成，输出端通过滑动变阻器反馈到图（10） 反向比例放大电路输入端，通过调节滑动变阻器r15可以实现对放大倍数的调节。五组装调试的内容：1.使用的主要仪器和仪表 ： 数字万用表，函数信号发生器，数字示波器，稳压电源，multisim11仿真软件，altium designer winter 09 dxp画图软件。2.调试电路的方法和技巧： 调试电路的成功与否，很大程度上取决于电路原理图的绘画合理与否，特别是对于模拟电路来说，如果电路原理图绘画得不合理，再加上电路板的质量不好以及画线与画线之间的干扰，会导致整个电路上的干扰比较大，最后波形会出不来。在画电路原理图之前，首先用仿真软件multisim11 对电路进行仿真，观察在理想情况输入理想参数的到的波形，这样再画电路原理图，就可以减少一些错误。画pcb图最好要用手动布线，因为自动布线会有很多不合理的地方，或者自动布线后在手动调整，布线时尽量避免过多的平行线，线长要最短，这样可以减少干扰。在芯片的位置，最好不要过孔，否则会造成焊接困难，线宽不宜太细，焊盘可适当调整大小，最重要的是要注意各元件的封装。在制作完电路板之后，通电测试前，仔细检查电路板有无存在短路现象，检查芯片，极性电容等元件是否装反或漏装。3.测试的数据和波形；用multisim11仿真软件进行仿真的效果如下：（1）方波波形 图（11） 仿真的方波波形（2）正弦波波形：图（12） 仿真的正弦波波形进行实物测试时的波形如下：（1）方波波形图（13）实测的方波波形（2）正弦波波形图（14）实测的正弦波波形，由信号源提供信号图（15）由自制的555电路产生方波，经滤波电路到示波器显示结果以上的实测波形是在基波为3khz时产生的，信号源的幅度为5v。实测波形与仿真波形较吻合，误差较小。4调试中出现的故障原因及排除方法 本次课程设计的过程，由于平时很少做板，导致第一次画pcb图时线的大小及焊盘的大小都设置得太小，最后做出来的板子质量不好，焊板时的难度很大，调试时可能由于线与线之间的距离太小而导致干扰太大，最后调试不出波形来，而且555定时器的管脚封装画错了，这又增加了调试及制版的难度，最后导致第一块板作废，但是总的思想及电路的接法并没有错误。第二次画图制版时，为了尽量避免电路板上的干扰，故采用分部分制板的方法，即把方波信号产生电路独立出来做，滤波电路和放大电路在另外一块电路板上做，并且指导老师也建议这样做。画 pcb板的线的大小及焊盘的大小都已经改得加合理，线宽1.0mm,焊盘大小2.0mm，并且为了避免线绕的太长而采取了跳线的方法，最后做的板质量比较好。但是由于再次画图时在电路中两级带通之间增加了分压电路，增加分压电路的原因是：为了增大滤波电路的品质因数从而降低带宽，而把滤波电路的同向放大电路的放大倍数设置的较大，使输出的波形进行了放大，因此后面需要增加分压电路来把输出电压的幅度降下来。这样一来产生的新问题是导致前后级滤波电路的阻抗不匹配，波形还是出不来。后面请教过科协的同学后，找出来了电路出现的问题，把分压电路去掉调试时也调试出波形了，而且波形较好。另外调试过程中由于最初时加的信号源信号的幅度为12v，经过滤波电路放大后的波形失真了。经过检查，把信号源输出的信号幅度降低后，输出波形变好了。且第二次调试时采用分级调试的方法，这样有利于发现问题和解决问题。六设计电路的特点和方案的优缺点，课题核心价值，以及改进意见1. 设计电路的优点：两块电路板的布局都比较合理，布线的线长也比较短，印制电路板和腐蚀电路板以及钻孔都做得比较好。电路的参数设计也比较好，误差较小。2. 设计电路的缺点：焊接的技术不太好，可能是由于平时没怎么做过电路板，缺乏经验。另外，带通滤波电路的设计采用了四阶滤波电路，即用了两个带通电路，这样虽然滤除出来的正弦波比较好，但是增加了电路的复杂性，也增加了电路中线与线之间以及电容的干扰。3. 改进意见：做电路板时最好可以分开几部分来做，特别是在做模拟电路的时候，分开来做有利于减少干扰，也有利于对电路的调试。另外，画pcb 图时应该先把参数设置合理。4. 课题核心价值：通过本次幅值可调的正弦信号发生器的制作，我对与电路分析、数字电路，特别是模拟电路的掌握更深了一层，懂得了如何将课本所学的知识应用于实践中。对于一些同类电子产品有一定的了解，对555定时器的应用由理论上升到实际操作，即能增强动手能力对于制作电路板也更加有经验了。七收获、体会这次课程设计的制作时我巩固了这个学期电子电路cad的内容，电路板的制作过程中我从同学和老师那里学习了不小制作和调试电路板的方法和经验。首先是实践必须要有相关的理论知识作为支撑，做设计之前必须要把相关的理论搞清楚，要有总体的