电子技术课程设计-函数信号发生器.docx

函数发生器摘要2一 绪论31.1课题背景31.2国内外现状31.3含义及作用意义41.4函数发生器概述51.5电路仿真平台简介61.6研究内容72课程设计的目标与设计任务72.1设计的目标72.2设计的要求73方案比较与论证83.1方案的选择83.2设计思路83.3本设计的实现84 系统硬件设置94.1 正弦波产生电路94.1.1正弦波振荡器的基本结构与工作原理94.1.2产生振荡的条件94.1.3 RC文氏电桥振荡器的制作104.2 方波产生电路114.2.1集成运算放大电路介绍114.2.2电压比较器（方波产生电路）的设计114.2.3 方波发生器的制作125 系统仿真145.1 函数信号发生器总电路图145.2 函数信号发生器的仿真155.2.1正弦波振荡器的调试155.2.2 方波发生器的调试166 系统的调试组装176.1系统PCB图177参考文献188附录：19附录一总电路原理图19附录二 元器件清单198总结体会2010 致谢21函数信号发生器全套设计加扣3012250582 摘要： 这一学期刚学习了模电课程，为进一步掌握模电的基本理论及实验调试技术，本小组进行了这次课程设计，主要说明采用运算放大器与独立的模拟器件共同组成的正弦波方波三角波函数发生器的设计方法与调试。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，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；也可以首先产生三角波方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课设采用先产生正弦波，再将正弦波变换成方波，然后由积分电路把方波变成三角波。关键字：模拟电子技术基础，正弦波，方波,仿真。 一 绪论1.1课题背景随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。信号发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。1.2国内外现状函数发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，既能构成独立的信号源，也可以是高性能网络分析仪、频谱仪及其他自动测试设备的组成部分，函数发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术，因为它是能够提高质量的精密信号源及扫频源，可使相应系统的检测过程大大简化，降低检测费比并且提高了检测精度。美国安捷伦生产的33250A型函数/任意波形发生器可以产生稳定、精准度和低失真的任意波形。国产S1000型数字合成扫描信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源，同时应用DDS和锁相技术。目前市场上的信号发生器多种多样。1.3含义及作用意义函数信号发生器是指能产生某些特定的周期性时间函数波形信号的信号发生器，要求能够长生形状良好的方波，三角波，正弦波等波形，函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途，常用于科研，生产。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。本次毕业设计旨在设计一函数信号发生器，并使用软件进行电路仿真，要求电路简单波形良好。函数信号发生器的设计方案有很多，本文采用纯硬件设计，以多谐振荡器产生方波，经过积分电路转变为三角波，再经过积分网络转变为正弦波，最后以软件MultiSim进行仿真。本文介绍了555定时器的参数，工作原理，及利用555定时器联接而成的多谐振荡器，介绍了总电路的联接方法及电路相关参数的设定，介绍了MultiSim的使用方法及对本文所介绍函数信号发生器的仿真情况。在仿真过程中，记录波形参数，研究其失真度。在设计完毕初步进行仿真之后，发现得到的波形存在较大失真，通过调节电路的电阻电容值，波形得以改善，最终得到了令人较为满意的波形。凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。函数信号发生器是指能产生某些特定的周期性时间函数波形信号的信号发生器，常用于科研，生产，维修和实验中。例如在教学实验中，常使用函数发生器的输出波形作为标准输入信号，接至放大器的输入端，配合测试仪器，例如用示波器定性观察放大器的输出端，判断放大器是否工作正常，否则，通过调整放大器的电路参数，使之工作在放大状态；然后，通过测试仪器，获得该放大器的性能指标。函数信号发生器产生信号频率的范围可从几个微赫到几十兆赫。而在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。因此函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。另外除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。1.4函数发生器概述函数信号发生器是一种比较常见信号源，它广泛应用于产品开发、工业生产、自动控制系统、电子技术实等科学研究等领域中。它产生的锯齿波和正弦波、矩形波是常用的基本测试信号。根据函数信号运用的领域不同，有输出为方波、正弦波两种或更多种类型波形的函数发生器，组成函数信号发生器的电路有的是由分立元器件构成，也可以由集成器件构成。比如说利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的频率，但成本相对来说较高。对于方波、正弦波这三种函数信号波形的函数信号发生器设计的方案有多种，可以产生正弦波，根据周期性的正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过电压比较器电路，输出函数信号波形为方波。随着用户对函数信号发生器的要求而不断提高，作为基础测量仪器的函数信号发生器也日新月异，功能上也不断强大。上世纪六十年代以来的函数信号发生器多采用模拟电子电路构成。正比如说正弦波、方波等几种简单的函数信号波形可采用分立元件或模拟集成电路构成。现在是数字化时代，也出现了数字合成式函数信号源，其有频率准确，幅度稳定的特点，而且相位抖动及频率漂移均能达到相当稳定的状态。现在也有专用的芯片能产生函数信号的信号发生器，功能更丰富，使用也更灵活。如精度高、工作频带宽、误差小等。能够满足不同层次用户的测试要求。最近几年来，数字化仪器在迅速发展，我国也在不断研究推出各种新型数字化仪器。但这毕竟是数字式信号源，数字电路与模拟电路之间的干扰，很难加以消除，对于小信号的函数信号发生器模拟电路就显得更加优越。现在使用的函数信号发生器多是采取AT89S51单片机构成的方法设计的。在本次设计中，采用的是用分立元件设计产生正弦波、方波。电路的原理部分的设计，本文首先采用分立元件，设计能产生正弦波、方波信号的各单元电路，并利用multisim仿真对其中各参数进行调试是否符合设计要求，在各单元电路完成之后，在将他们连接起来。本次设计就是按照这样的思路进行的：首先根据设计的方案选择合适的元器件，然后对元器件的参数进行分析，画出电子电路设计图，并在仿真软件multisim上进行仿真与调试，观察数据结果并与课题要求的性能指标作对比，最后得出结论并进行适当的改进。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。1.5电路仿真平台简介随着计算机技术和电子技术的飞速发展，促进了电子电路设计方法及其应用系统越来越先进。计算机辅助设计CAD和电子设计自动化EDA也越来越得到了广泛的应用。EDA有电路的设计、仿真、系统的分析三个方面的功能、其中利用电子电路仿真功能可以开展虚拟实验室和建设虚拟电子电路实验室。电子电路仿真是利用EDA系统的模拟功能对电路环境和电路过程进行仿真，这项工作对应着传统电子电路设计的电路搭接和性能调试。由于不需要真实电路环境的介入，因此花费少、效率高，而且数据结果快捷、形象、准确。采用EDA设计电子电路系统的方法具有高可靠性，经济，快捷，容易实现，修改方法便利等特点。相比于传统的方法，其材料消耗多，周期长，效率低，很难满足电子技术的飞速发展的要求。EDA的发展，对电子电路和系统的设计产生了划时代的变化。大大提高设计质量和效率。EWB完全兼容于电子电路分析软件“SPICE”，而且界面生动、有好、形象，操作简便，还可以使用图形产生电路等优点。EWB具有大量的组件库和相对完整的仪器仪表库。Multisim是EWB的升级版，具有齐全的仪器仪表库和更庞大的元器件模型参数库；除了具有普通电子电路仿真软件全部分析功能之外，信号发生器、频谱分析仪、还包括万用表、示波器、频率计、网络分析仪、失真分析仪、波特图仪、逻辑分析仪、瓦特表等虚拟仪器分析，可以进行电子电路实验室内的各种实验和操作，具有丰富的电子电路仿真分析能力。1.6研究内容本文首先采用分立元件，设计出能产生正弦波、方波信号的各单元电路，并利用multisim仿真对其中各参数进行调试，在各单元电路设计完成之后，再将他们连接起来。最后通过变阻器的作用，选择不同的参数值，从而可以实现输出函数信号种类的可选择性，以及输出函数信号的频率可调、幅度可调。2课程设计的目标与设计任务2.1设计的目标1) 培养综合应用所学知识来指导实践的能力；2) 了解集成电路和集成运放的基本知识；3) 学会使用仿真软件对电路进行仿真；4) 理解函数信号发生器的组成框图及工作流程；5) 会制作函数信号发生器；6) 能用仪器、仪表调试、测量函数信号发生器的主要指标。2.2设计的要求1) 设计电路原理图并画出；2) 能同时输出一定频率一定幅度的2种波形：正弦波和方形波；3) 输出正弦波时，输出电压峰峰值为3V，输出波形频率为10Hz10KHz可调；4) 输出方波时，输出波形峰峰值14V，输出波形频率为10Hz10KHz可调；5) 对电路进行仿真和调试；6) 在制作过程中发现问题并能解决问题3方案比较与论证3.1方案的选择设计函数信号发生器方法常见的有以下几种：（1）可以由集成运放、晶体管等专门元器件设计，大多情况下则是采用专门的函数信号发生器芯片产生。以前的函数信号发生器芯片，如BA205、L8038、XR2207/2209等，调节方式比较繁琐，占空比和频率不能单独进行调节，二者之间有时相互影响。（2）用分立元器件设计的函数发生器：结构简单，价格比芯片实惠，容易实现。本方案采用（2）的方法，使用分立元件设计多功能函数信号发生器。3.2设计思路用分立元件设计产生正弦波、方波、输出信号的电子电路方法也是多种多样的。比如说可以由555定时器接成多谐振荡电路产生方波信号，方波信号经积分电路输出三角波信号，三角波信号作为差分放大电路的输入端，可以输出为正弦波信号。3.3本设计的实现模拟电路中常见的正弦波振荡电路有RC正弦波振荡电路和LC正弦波振荡电路，RC振荡电路的振荡频率一般来说比LC振荡电路振荡频率低。本设计首先利用RC正弦波振荡电路产生正弦波信号，输出的正弦波信号接到电压比较器的输入端，可以输出方波信号。4 系统硬件设置4.1 正弦波产生电路4.1.1正弦波振荡器的基本结构与工作原理正弦波振荡器是一个没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波输出信号的电路，它由一个基本放大器和一个带有选频功能的正反馈网络组成。电路接通电源的一瞬间，由于电路中电流从零突变到某一值，它包含着很多的交流谐波，经选频网络选出频率为fo的信号，一方面由输出端输出，另一方面经正反馈网络传送回到输入端，经放大和选频，这样周而复始，不断地反复，只要反馈信号大于初始信号，振荡逐渐变强起来。 4.1.2产生振荡的条件(1)振荡平衡条件要使振荡器输出信号维持稳定的输出，必须使再次反馈回输入端信号和原来输入端的信号相等，即: 又有 得 由于 所以振荡平衡条件为:设, 则 即： 幅度平衡条件）相位平衡条件一个振荡器只有同时满足这两个条件，才能振荡。(2)振荡起振条件振荡器满足平衡条件时，输出信号幅度保持不变。但在振荡器刚开始振荡时，信号非常微弱，如仅是振荡器将不能起振。必须使每次反馈回来的信号大于原来的输入信号，即。振荡才能由弱到强建立起来。所以振荡起振条件应为1。4.1.3 RC文氏电桥振荡器的制作由于RC文氏电桥振荡器具有电路简单、易起振、频率可调等特点被大量应用与低频振荡电路，所以我们采用RC文氏电桥振荡器产生正弦波。如下图如图所示，根据设计要求可选择电阻R1，R2均为15kW，R4为100kW的可调电位器。电容C1和C2为0.22mF，D1，D2为1N4001，采用的集成运放为MC4558。R1、C1、R2、C2组成RC串并联网络形成正反馈，运放、R4、R5、D1、D2组成同相比例放大器，D1，D2具有稳幅作用。在此电路中，由RC串、并联网络组成正反馈支路和选频网络，这部分电路决定了电路的振荡频率；由R4、D1、D2和R5组成负反馈支路和稳幅环节。负反馈电路控制运算放大器的增益。反馈过深，不易起振，反馈过小，容易造成波形失真。调节R4为适当值，电路即能起振，输出正弦波，并利用D1、D2的非线性实现稳幅。并联电阻R5有改善二极管非线形引起波形失真的作用。在实际应用中，常选取文氏电桥两个支路中的R、C相同，当R选用同轴双连电位器，即可以实现振荡频率的连续可调，输出正弦波的频率为:4.2 方波产生电路 4.2.1集成运算放大电路介绍集成运算放大器是一种十分理想的增益器件，常简称为运放。其放大倍数大，输出电阻小，输入电阻大的特点被广泛应用。在实际电路应用中，通常结合于反馈网络共同组成某种功能模块。在集成运放电路内部，相邻元器件的参数具有良好的一致性；纵向晶体管的放大倍数非常大，横向晶体管的耐压性能高；电阻的阻值和电容的容量均有一定的限制；为了偏于制作互补电路的特点。这些就使得集成运算放大电路与分立元件放大电路在结构上有很大的差别。由于其性能高，价位低，大多数情况下，已经取代了分立元件放大电路。4.2.2电压比较器（方波产生电路）的设计在本设计中，方波信号的产生是利用电压比较器的原理进行设计的。RC振荡电路输出的正弦波信号作为电压比较器的输入端，输出即为方波信号。下面简单介绍电压比较器的有关原理。电压比较器的作用是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高、低两个电平的电压，电压比较器中的集成运放的工作特点:（1）工作在开环或正反馈状态（2）大多数情况下工作在非线性区域,输出与输入不成线性关系,只有在临界情况下才能使用虚短,虚断概念（3）输出高电平或者低电平,呈现为开关状态电压比较器是将一个模拟输入信号ui的电压值与一个固定的参考电压UR进行比较和鉴别的电路。参考电压为零的比较器称为零电平电压比较器。按输入方式的不同可分为反相输入和同相输入两种零电位比较器，如图11(a)、(b)所示。通常用阈值电压和传输特性来描述比较器的工作特性。阈值电压(又称门槛电平)是使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值，简称为阈值，用符号UTH表示。估算阈值主要应抓住输入信号使输出电压发生跳变时的临界条件。这个临界条件是集成运放两个输入端的电位相等(两个输入端的电流也视为零)，即U+=U。对于图1(a)电路，U=Ui,U+=0,UTH=0。传输特性是比较器的输出电压uo与输入电压ui在平面直角坐标上的关系。4.2.3 方波发生器的制作电子电路如图2-3所示，根据设计要求运算放大器为LM324，R1、R2、Rf为10kW的电阻， RP为100kW的电位器，C的容量为1uF。D1,D1为1N750。图2-3方波发生器5 系统仿真 5.1 函数信号发生器总电路图根据上述独立单元电路的设计，可以设计总的电路图如图3-1所示图3-1 函数信号发生器总原理图通过看示波器波形，可得出正弦波发生器中电位器调到R4调到40K时开始起振，调大R4则不能起振，而调到30K时波形出现失真，起振是由弱变强的。总电路的频率有R1，C1，R2，C2决定，令R1=R2，C1=C2，如图R为15K，C为0.22uF，可算出频率为50Hz,所有可通过减小电容值来增大频率，如C为0.001uF时，频率为10.6kHz，满足要求。5.2 函数信号发生器的仿真5.2.1正弦波振荡器的调试按上述电路图接好电路图在仿真仿真软件中仿真. 用Multisim11.0对电路进行仿真得到图2-2仿真波形图2-2仿真得出的数据与理论计算一样，电路正确。5.2.2 方波发生器的调试按上述电子电路图接好电路在仿真软件中仿真。用Multisim11.0对其进行仿真得到如下2-4波形图：图2-4与理论一样，可得出电路是正确的。6 系统的调试组装6.1系统PCB图7参考文献1童诗白主编模拟电子技术基础（第三版）北京：高教出版社， 20012李万臣主编模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，20013胡宴如主编. 模拟电子技术. 北京. 高等教育出版社，20004赵雅兴主编. PSpice与电子器件模型. 北京邮电大学出版社,20065Rayender Goyal. High-frepuency Analog Integrated Circuit Design. NewYork:JohnWiley &Sons.Inc,1995.8附录： 附录一总电路原理图附录二 元器件清单标 号元器件名称规格与型号D1整流二极管1N4001D2整流二极管1N4001D3稳压二极管1N4734D4稳压二极管1N4734A1集成运算放大器MC4558A2集成运算放大器MC4558R1电阻15kW1/8WR2电阻15kW1/8WR3电阻330W1/8WR4滑动电阻100kW1/8WR5电阻10kW1/8WR6电阻10kW1/8WR7电阻330W1/8WR8电阻5.6kW1/8WC1电容0.22mFC2电容0.022uF8总结体会模拟电子技术是非常重要的专业基础课，课程设计是在学完这门课程之后对所学知识的一次检测。通过这次课程设计不仅加深了对电子电路的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。 通过这段时间不懈的努力与切实追求，我做完了课程设计。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；学会了使用仿真软件对原理电路进行仿真；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。 其次，这次课程设计让我懂得了坚持就是胜利，在困难面前不要轻言放弃，要勇于面对问题，并想法设法解决问题。在实验过程中，遇到了不少的问题。比如：波形失真严重，甚至不出波形这样的问题。还有就是焊接实物的问题，一开始以为很简单，但其实很复杂，要对焊板上的元件进行布置和焊接电路元件连线，这有很大的难度。在此期间，除了对元件较好的焊接外，还要考虑元件之间信号的干扰，还要考虑元件连线的不相交以及焊板面积的大小、元件摆放和连线的美观性等，所以我们怕不够用，就买了一块比较大的板子，结果花两天焊好板子后却发现电路才占板子的很少部分，很不协调。所有说，想要焊出一块实用又美观的板子，是要经过一番考虑和布置的。但是最后在老师和同学的帮助以及自己的不断努力下，把问题一一解决了，那种心情别提有多高兴啊。实验中暴露出我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，通过课程设计加深了我对所学知识的理解。期末考试也临近了，顺便也复习。作为一个电信专业的学生，我深知课程设计的重要性。这次课程设计我从刚开始的什么都不懂不会不敢不碰，到现在的基本了解了一个电路元件是如何构成的，还有以前看的集成板上让人难琢磨的电路焊接图我都可以看懂一些了，其中的电路仿真也让我对以前学习的电路知识有了详细地了解。我顺利完成了模电的课程设计。这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。10 致谢在做课程设计的这一段时间里，在老师的指导和帮助下，自己也耐心的去查阅资料，翻查以前模拟电子技术和数字电子技术基础的课本，重新学习二极管三极管的相关特性和工作原理，对以前的知识又有了新的认识和理解。以前的学习一切都只是基于基础理论知识的学习，直到现在自己去亲身体验了设计一个电路的艰辛才深刻的认识到自