毕业设计（论文）波形发生器

摘要波形发生器是电子技术领域中常见的信号源之一，在测量、自动控制、通信、广播和热处理等许多技术领域有着广泛的应用。波形发生器有产生三种或多种波形的波形发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。本次毕业设计所制作的波形发生器可以产生方波、三角波、正弦波、负向锯齿波和正向锯齿波。在电路中，我们采用了集成运放，从而使波形的质量、幅值和频率的稳定性等性能指标有了很大的提高。电路的振荡频率在014.7KHZ之间连续可调，并且通过改变电路中的电位器，可以改变方波信号发生器的频率。 关键字：波形发生器 直流稳压电源 运算放大器Abstract The profile generator is in the electronic technology domain one of common supply oscillators, in the survey, the automatic control, the correspondence, the broadcast and the heat treatment and so on many areas of technology has the widespread application. The profile generator has produces three kind or the many kinds of profiles profile generator, the use component may establish separately the component, also may use the integrated circuit. This graduation project manufactures the profile generator may have the square-wave, the triangle wave, the sine wave, the negative-going saw tooth wave and to the saw-tooth wave. In the electric circuit, we used the integration to transport put, thus caused the profile quality, peak-to-peak value and frequency performance index and so instability had the very big enhancement. The electric circuit oscillation frequency continuously may move between 0 14.7KHZ, and through changes in the electric circuit the potentiometer, may change the square-wave signal generating device the frequency.Key Words: Profile generator、Direct current voltage-stabilized、source Operational amplifier目录前言41 方案设计51.1 设计要求51.1.1 设计任务51.1.2 技术要求51.2 电路设计的思路52 直流稳压电源62.1 直流稳压电源简介62.2 具体电路73 波形发生电路93.1 LM324低功耗四运算放大器简介93.2 方波三角波发生电路103.3 正弦波发生器123.4 负向锯齿波发生器133.5 正向锯齿波发生器144 PCB板的制作154.1 建立设计154.2 PCB板的制作164.3 PCB板制作注意事项174.3.1 原理图常见错误174.3.2 PCB中常见错误174.3.3 布线174.4 PCB板图18附录19谢辞21参考文献22前言近年来，自动控制技术的发展十分迅速，自动控制的普及率越来越高，在各行各业中得到了广泛的应用。在自动控制系统中，经常需要进行性能的测试以及信息的传送。这些都离不开一定的波形作为测试和传送的依据。而在模拟系统中，经常用到的波形除了正弦波振荡电路外，还有矩形波，锯齿波和三角波等。在本波形发生器中用到的电源是直流稳压电源电路。采用了三端集成稳压器7812和7912，分别产生+12V和12V的电压。在波形发生电路中，使用了LM324的四个运算放大电路，能够产生方波、三角波、正弦波、负向锯齿波以及正向锯齿波。本文共分为四个部分：第一部分介绍设计的基本思路；第二部分主要介绍直流稳压电源部分的设计；第三部分具体说明了波形发生电路，包括：方波三角波发生器、正弦波发生器、负向锯齿波发生器、正向锯齿波发生器，第四部分介绍了本电路PCB板的绘制。通过毕业设计，加深了我们对所学知识的了解，提高了我们的动手能力，理论与实际相结合。1 方案设计1.1 设计要求1.1.1 设计任务设计一个常用波形发生器。1.1.2 技术要求基本要求:1、 波形的频率可以调节。2、 3种以上波形（正弦波、矩形波、三角波等）。3、 采用中规模集成电路也可采用大规模集成电路。1.2 电路设计的思路 电路利用了LM324集成运算放大器中的四个运算放大器，两个运算放大器构成了方波-三角波发生器。三角波通过二次积分电路处理，产生近似的正弦波。一个运算放大器组成锯齿波发生器，产生负向锯齿波。一个运算放大器组成反相比例运算放大器，将负向锯齿波倒相，输出正向的锯齿波。2 直流稳压电源2.1 直流稳压电源简介各种电子电路和系统都需要稳定的直流电源供电，但电网提供的是50Hz的正弦交流电，这就需要把电网的交流电转换成稳定的直流电，直流稳压电源就是实现这种转换的电子设备。单相小功率直流稳压电源是常用的小型电子设备，它的电路结构框图如图所示，主要包括电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路4个基本部分。 电源变压 器 整流电 路 滤波电 路 稳压电 路 电网电 压1、电源变压器：其作用是将交流电源的电压变换为符合整流需要的数值。2、整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件，将正弦波电压变为单向脉动电压。该电压为非正弦周期电压，含有直流成分和各种频率的交流成分。3、滤波电路：利用电容、电感等电路元件的频率特性，将直流脉动电压中的谐波成分滤掉，使输出电压成为比较光滑的直流电压。4、稳压电路：将滤波输出的直流电压进行调节,以维持输出电压的基本稳定.由于滤波后输出直流电压受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，所以要设置稳压电路。 在我们的电路中，需要一个直流稳压电源，能够产生+12V和12V的电压。这里用到了三端集成稳压器。首先，需要了解三端集成稳压器的具体知识。三端固定输出集成稳压器是一种串联调整式稳压器。它将全部电路集成在单块硅片上，整个集成稳压电路只有输入，输出和公共三个引出端，使用非常方便。典型产品有78XX正电压输出系列和79XX负电压输出系列。本次设计采用的是7812K和7912K。 78XX/79XX系列中的型号XX表示集成稳压器的输出电压的数值，以V为单位。每类稳压器电路输出电压有5V、6V、7V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多档。能满足大多数电子设备所需的电源电压。输出电流一般分为三个等级100A（78XX/79XX）、500（78XX/79XX）、1.5A（78XX/79XX）。后缀英文字母表示输出电压容差与封装形式等。内部电路由恒流源、基准电压源、取样电阻、比较放大、调整管、保护电路、温度补偿电路等组成。输出电压值取决于内部取样电阻的数值，最大输出电压为40V。三端固定输出电压集成稳压器，因内部有过热、过流保护电路，因此它的性能优良，可靠性高。又因这种稳压器具有体积小、使用方便、价格低廉等优点，所以得到广泛应用。2.2 具体电路 直流稳压电源原理图如下:图2.2 直流稳压电源在电路中,我们使用了7812和7912，分别产生+12V和12V的固定电压，电源电路具体由以下几个部分组成：1、 电源变压器。将220V的交流电压变为2*12V的交流电。2、桥式整流电路。四个二极管组成了桥式整流电路，将交流电变成了脉动的直流电。3、电容滤波电路。将脉动的直流电变成稳定的直流电。4、稳压电路。W7812、W7912构成了稳压电路，可以将比较平滑的直流电变成稳定的直流电。为了得到更加稳定的电压，在三端集成稳压器的输出端再并联一个电容。3 波形发生电路3.1 LM324低功耗四运算放大器简介在波形发生电路中，我们使用了LM324低功耗四运算放大器来实现各种波形的输出。首先，需要了解一下LM324的相关知识。LM324是由四个独立的高增益，内部频率补偿运放组成，不但能在双电源下工作，也可在宽电压范围的单电源下工作，它具有输出电压振幅大、电源功耗小等特点。LM324 是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图2.1.1 所示的符号来表示，它有5 个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。LM324 的引脚排列见图2.1.2。具体参数见表2-1。 3.1.1 运算放大器符号 3.1.2 LM324外引线排列图表3-1 LM324集成运算放大器参数名称符号/单位典型值输入失调电压UI0/mV2输入失调电流II0/nA5输入偏置电流IIB/nA45单电源电压范围us/V3-30双电源电压范围us/V1.5-15静态电流（单电源）Ia/A500差模电压增益Aud/(V/V)1053.2 方波三角波发生电路 图3.2.1 方波-三角波发生电路运放IC1b为同相输入的迟滞型比较电路，带有正反馈，在UO1端输出方波。方波的输出幅度应等于电源电压。通过R2引入正反馈，其作用是加速输出电压的跳变过程，并使传输特性具有滞缓。两个稳压管起限幅作用，使输出电压的正、负最大值为Uz。电阻R4的作用是限制稳压管的电流和保护集成运放不至于过流。迟滞型比较电路与简单比较电路相比，有较强的抗干扰能力，不易产生误跳变，工作精度比较差。运放IC1c为积分电路。比较电路的输出uO1，经电位器P1分压后作为积分电路的输入信号，而积分电路输出信号uO2又反馈回去，作为比较电路的输入信号，它们共同构成闭合回路。假定接通电源时，比较电路的输出uO1=+Uz。经P1分压后，IC1c反相端的输入电压使电容C2充电，uO2线性下降，从而使IC1b的同相端电位下降。ub+=Uz*R1/(R1+R2)+uO2R2/(R1+R2)u02的下降必然使ub+下降，当u02下降到一定的负值，使A1的略小于ub-（=0）时，使u01从+Uz跳变到-Uz，ub+则随之变为Ub+，即ub+ =-Uz*R1/(R1+R2)+uO2*R2/(R1+R2)与此同时,u01=-Uz经RP分压后使电容器C放电，u02按线性规律逐渐上升，ub+也同时上升。当ub+上升到略大于ub-（=0）时，U01再次发生跳变，从-Uz变为+Uz。如此周而复始，就产生了振荡。图中下半部分为三角波发生器电路的波形。u02（t1）=-R1/R2*Uzu02（t2）=+R1/R2*Uzu02（t3）=-R1/R2*Uz在tt3，输出波形重复t1t3时间段的情况。如此周而复始，在比较电路的输出端得到方波（uO1），而在积分电路的输出端得到三角波（uO2）。方波和三角波的周期相等。设P1的上半部分电阻为RP1，n= RP1/RP1当t=T/4时，u02（T/4）= R1/R2*Uz=nUzT/R6C2*4,由积分电路的工作可知,当t=T/4时,有UO2(T/4)=R1*Uz/R2=nUzT/(4*R4C),从而求出T=4R6C/n*(R1/R2),式中,T=T1+T2,且T1=T2,所以T1=2*R4C/n*(R1/R2) 图3.2.2 方波三角波发生电路的工作波形3.3 正弦波发生器在电路中用到了积分电路。输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。积分电路的原理：从图3.3.1中得，Uo=Uc=(1/C)icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时，Uc=Uo.随后C充电，由于RCTk,充电很慢，所以认为Ui=UR=R*ic,即ic=Ui/R,故 Uo=(1/c)icdt=(1/RC)icdt 这就是输出Uo正比于输入Ui的积分（icdt） RC电路的积分条件：RCTk 图3.3.1 积分电路图3.3.2 正弦波发生器在电路中,IC1c积分输出的三角波经过由R8、R9及C3、C4组成的二次积分电路处理，最后从UO3端输出近似的正弦波。3.4 负向锯齿波发生器图3.4.1 负向锯齿波发生电路UO1输出的方波输入到三极管T1的基极。当方波发生器输出为高电平时，三极管T1、二极管D3均截止，IC1d构成了积分电路，12v电压通过R10向电容C5充电，电容电压线性上升， IC1d输出电压为-uC5，所以输出电压表现为线性下降。当方波发生器输出为低电平时，三极管T1、二极管D3均导通，IC1d组成了比例运算放大器，IC1d输出电压立即跳为高电平。所以，在UO4端输出负向锯齿波。3.5 正向锯齿波发生器图3.5.1正向锯齿波发生器IC1a和R15、R16、R17组成了反相比例运算放大器。在电路中，IC1a的同相输入端通过电阻R16接地，负向锯齿波信号在A端通过R15送到反相输入端，输出端与反相输入端间跨接反馈电阻R17。根据集成运算电路的“虚断”和“虚短”可得uO5=-（R17/R15）*uO4 =-uO4由UO5 输出正向的锯齿波信号。图中R16为平衡电阻，R16=R16/R15，其作用是消除静态电流对输出电压的影响。4 PCB板的制作4.1 建立设计建立一个设计,单击File/New命令,系统出现New Design Database的文件路径设置对话框,单击Desing Storage Type内的下拉列表框按钮,将出现MS ACCESS DATABASE和Windows File system两个选项,选择前一个选项.在Database File Name文本框中输入数据库名称.Database Location框为数据库的路径,它不能直接输入路径名.如果需要更改其默认的路径,单击Browse按钮即可设置路径.打开数据库,开设设计电路图,电路图的设计步骤为: 开始设置图纸的大小放置元器件进行原理图布线调整布线存盘打印图纸图纸的设置:设置图纸的方向可以单击Sheet Options区域内的Orientation右侧的下拉式按钮,出现下拉式选择按钮,有两个选择项,即Landscape选择项和portrait选择项. Landscape表示图纸水平放置, portrait表示图纸垂直放置.图纸颜色的设置包括对图纸边框(Borde)和图纸底色(Sheet)的设置.Borde选择项默认为黑色.单击Borde右边的颜色框,系统将弹出一个要求选择边框颜色的对话框,即可设置.图纸标题栏的设置选择Title Block项后,单击Title Block右边的下拉式按钮,将出现一个下拉式列表即可选择Standard选择项或ANSI选择项.边框的设置主要涉及Show Reference Zone和Show Borde两个选项.原理图设计:打开前面建立的设计数据库Mydesign.ddb,打开Documents文件夹,然后执行菜单命令File/New,在弹出的对话框中单击Schematic Document(原理图文档),单击OK.打开原理图文档,熟悉原理图的界面,详细了解各种功能按钮的作用,然后开始正式画各种元器件放置元器件:1.先单击Browse选项区域下Add/Remove按钮,增加所要使用的元件库. 2.单击电路绘图工具栏Place Part(放置元件)按钮,或执行菜单命令Place/Part或按下Alt+P+P键,即进入放置元件状态.3.系统弹出Place Part属性对话框,就可以Lib Ref文本框中输入确切的元件名(不能包含通配符,如星号”*”和问号”?”). 4.如果元件的属性参数都不知道,可单击Browse按钮,系统将弹出Browse Librarise对话框,选择相关的库.5.设置好元件属性后,此时的光标也从箭头变成了十字光标,并附带有浮动元件,按下空格键使浮动元件以光标为90旋转.6.移动鼠标到适当的位置,单击鼠标左键或按Enter键,确定元件放置位置.元件属性的设置:当元件处于浮动状态时,按下Tab键将弹出Part 属性对话框,元件属性对话框包含4个选项卡,可单击选项卡上的标签切换到相应的选项卡.熟悉了Protel 99se的界面操作之后,我们在软件上画出如上图的原理图.在画完了原理图之后,然后进行ERC检查,生成网络表及报表的生成和原理图的打印.4.2 PCB板的制作PCB板的制作流程:开始规划电路板设置参数装入网络表及元件封装元件布局布线手动调整保存及打印结束.规划电路板:设计印刷电路板,第一步是合理地规划电路板,即根据自己的制作要求确定采用单面板还是双面板.如果电路太复杂,则需要使用多面板,然后确定电路板的尺寸,元件的封装形式和放置位置等.设置参数:设置参数是指设置工作层面参数,PCB编辑器的工作参数,布线参数等.装入网络表及元件封装形式:网络表由电路原理图生成,包含了原理图中元件之间的连线关系和元件封装形式的说明,是创建PCB文件所必须的信息.元件的布局:元件的布局包括自动布局和手工调整两种.自动布局是指在规划完电路板和装入网络表后,启用PCB编辑器的自动布局功能,其程序是根据网络表中的信息自动地将元件排布在电路板上.自动布局完后,应对不符合要求或不尽如人意之处进行手工调整,以便于以后好进行布线工作.布线:设置适当的布线参数后,程序就能根据网络表的信息和设置的参数要求自动布线.4.3 PCB板制作注意事项4.3.1 原理图常见错误ERC报告管脚没有接入信号：a.封装时给管脚定义了I/O属性;b.创建元件或放置元件时修改了不一致的grid属性，管脚与线没有连上;c. 创建元件时pin方向反向，必须非pin name端连线。图纸界外：没有在元件库图表纸中心创建元件。程文件网络表只能部分调入pcb：生成netlist时没有选择为global。己创建的多部分组成的元件时，千万不要使用annotate.4.3.2 PCB中常见错误网络载入时报告NODE没有找到：a. 图中的元件使用了pcb库中没有的封装;b. 图中的元件使用了pcb库中名称不一致的封装;c. 图中的元件使用了pcb库中pin number不一致的封装(如三极管：sch中pinnumber 为e,b,c, 而pcb中为1，2，3).4.3.3 布线在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做