电子技术课程设计-多功能函数信号发生器.doc

多功能函数信号发生器+课 程 设 计 设计名称 多功能函数信号发生器 全套设计加扣3012250582 学年学期 2013-2014（上） 课程名称 电子技术课程设计 专业年级 电气112 姓 名 学 号 提交日期 2014.01.06 成 绩 指导教师 水利与建筑工程学院 目录 摘要和关键字.11. 设计任务与要求.2 1.1设计任务.2 1.2技术指标.2 1.3题目评析.32. 方案比较与论证.3 2.1各种方案比较与选择 .3 2.2方案选择.5 2.3方案论证.53. 系统硬件设计.6 3.1系统的总体设计.6 3.2单元电路的设计.6 3.2.1 741运算放大器的动作方式和原理.6 3.2.2 RC正弦波振荡电路的设计.7 3.2.3 频率可调的正弦波振荡电路的设计.8 3.2.4 方波产生电路的设计.9 3.2.5 三角波产生电路的设计.10 3.3 总电路图.114.系统仿真.11 4.1仿真原理图.11 4.2仿真结果.145.系统的调试组装.19 5.1 PCB板图.19 5.2面板图.196结论.20参考文献.21附录.22致谢.25 多功能函数信号发生器 摘 要：本论文主要论述了基于 Multisim 多功能函数信号发生器的设计与仿真。函数信号发生器是一种广泛应用于工业生产、产品开发、科学研究等领域中比较常见的信号源。1 函数信号发生器的设计方法有很多，可以由专门的集成芯片设计产生，也可以由分立元件设计产生，本文主要采用模拟电路分立元件的方法进行设计。首先，在 RC 文氏电桥正弦波振荡电路的基础上设计出频率可调的正弦波振荡电路。其次，将正弦波信号连接 至过零电压比较器，输出信号为方波波形。最后，利用积分电路原理，对方波信号进行 积分即可产生三角波信号。输出函数信号的频率和幅度与 R、C 的参数有关，因此可以通过多路开关控制器来选择不同 R、C 的参数值，从而实现输出函数信号的频率可调和幅度可调。本文是利用 Multisim 仿真工具进行电子电路设计和仿真的，完成了多功能函数信号发生器的设计。 关键词multisim；函数信号；多功能；振荡电路 1 设计任务与要求1.1设计任务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、三角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、三角波、正弦波三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。对于三角波、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，比如说先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。也可以产生正弦波，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，最后经过积分电路后输出函数信号波形为三角波。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。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、三角波。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、三角波、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2，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。1.2 技术指标 （1）本设计利用多路开关控制的选择的作用实现不同的功能。多路开关 选择不同 类型信号的输出。 当打开 第一个键时，输出为正弦波信号；当打开 第二个键时，输出为方波信号；当打开 第三个键时，输出为三角波信号。 （2）多路开关 控制的是不同输出幅度的调节。控制选择五种不同电容的值，五种不同电容值可以任意组合，实现了输出幅度的多样性。(3)多路开关 实现了电路对输出信号不同频率的选择，可变电阻 R5、R8 对频率进行微调。（4）可变电阻 对输出信号幅度取多少进行调节。1.3 题目评析 本课题首先采用分立元件，设计出能产生正弦波、三角波、方波信号的各单元电路3，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。最后通过多路开关控制器的作用，拨动开关不同键，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。简单实用，可用性高。另外本课题中由于采用的都是些较为常见的芯片及其他一些电子元器件，而且电路亦不是很复杂，所以价格低廉，而且设计简单，使用方便，适合推广于大部分民众。2 方案比较与论证2.1各种方案比较与选择 设计函数信号发生器方法常见的有以下几种：方案一： 利用ICL8038芯片构成8038集成函数发生器。方案二： 由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波。 一、利用ICL8038芯片构成8038集成函数发生器设计思路由ICL8038引脚图和功能表可以知道，使用ICL8038制作函数发生器，只需在外围搭建简单的电路，并且电路的组成不同可以实现不同的功能，如在4、5号脚上用分压式连接一个滑动变阻器，就可以实现对方波的脉宽、占空比的调节。同样在7、8号脚上连接可变电阻就可以调节正弦波的频率，在1、12号脚上连接可变电阻可以对正弦波失真进行调节。 ICL8038供电电压，如采用单电源供电时，V+GND的电压范围+10-+30V；采用双电源供电时，V+ V-的电压可在5-15V内选取。所以要使其工作，需要一个整流电路来获得其工作的电压。 综上分析，有如下的方框图如下：正弦失真调节电路方波1/12 94/5 2 LCL80387/8 36/11正弦波方波脉宽/占空比调节电路波形频率调节电路三角波整流电路 图1 电路方框图 二、利用文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波设计思路 用分立元件设计产生正弦波、方波、三角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。本设计是用下面的思路进行设计的。 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4，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。方波信号又可以作为积分电路的输入，最后产生出三角波信号。电路组成方框如下图 1 所示： 正弦波正当电路、 比较器 积分电路 图 2 电路组成方框图 论述优缺点： 方案一，8038集成函数发生器是一种多用途的波形发生器，可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波，其振荡频率可通过外加的直流电压进行调节，所以是压控集成信号产生器。由于外接电容C的充、放电电流由两个电流源控制，所以电容C两端电压uc的变化与时间成线形关系，从而可以获得理想的三角波输出。8038电路中含有正弦波变换器，故可以直接将三角波变成正弦波输出。另外还可以将三角波通过触发器变成方波输出。该方案的特点是十分明显的： 线性良好、稳定性好； 频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便地连续地改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变； 不存在如文氏电桥那样的过渡过程，接通电源后会立即产生稳定的波形； 三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。缺点：成本高，输出波形的幅值没法控制，减少了多样性。方案二，由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小。该方案的特点是：结构简单，价格比芯片实惠，容易实现。本设计实现功能 （1）本设计利用多路开关控制的选择的作用实现不同的功能。多路开关 S4 选择不同 类型信号的输出。当打开 S4 的第一个键时，输出为正弦波信号；当打开 S4 的第二个键时，输出为方波信号；当打开 S4 的第三个键时，输出为三角波信号。 （2）多路开关 S3 控制的是不同输出幅度的调节。S4 控制选择五种不同电容的值，五种不同电容值可以任意组合，实现了输出幅度的多样性。(3)多路开关 S1、S2 实现了电路对输出信号不同频率的选择，可变电阻 R5、R8 对频率进行微调。（4）可变电阻 R16 对输出信号幅度取多少进行调节。2.2 方案选择由上述优缺点，我选择方案二！原因一：方案一是直接通过8038集成函数发生器，不便于输出波形幅值的调节，减少了波形的多样性。而方案二是先生成正弦波，然后通过正弦波转化为方波，再由方波转化为三角波，方案二实现了开关的控制，可对输出的波形信号进行调节，实现了幅度的多样性。原因二：方案二所需的原件为741运算放大器、电阻、开关、二极管，而方案一需要利用ICL8038芯片构成8038集成函数发生器，方案二的性价比更高。原因三：方案二设计出的函数信号发生器性能指标更高。2.3 方案论证工作原理：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。方波信号又可以作为积分电路的输入，最后产生出三角波信号。特点：结构简单，所涉及的芯片只有741运算放大器，可以调节输出波的幅值，易控制。流程图如下：RC正弦波振荡电路 正弦波信号 电压比较器 方波信号 积分电路 三角波 图3 工作流程图3 系统硬件设计3.1 系统的总体设计用分立元件设计产生正弦波、方波、三角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。本设计是用下面的思路进行设计的。 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。方波信号又可以作为积分电路的输入，最后产生出三角波信号。3.2 单元电路的设计3.21 741运算放大器的动作方式和原理 图4 MC4458G运算放大器MC4558G放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有反相向与非反相两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后由输出端输出。放大器作动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源，其值由12Vdc至18Vdc不等，而一般使用15Vdc的电压。MC4558G运算放大器若在非反相输入端输入电压，会于输出端得到被放大的同极性输出；若以相同电压信号在反相输入端输入，则会在输出端获得放大相同倍率后但呈逆极性之信号输出。而当对放大器两输入端同时输入电压时，则是以非反相输入端电压值(V1)减去反相输入端电压值(V2)，可于输出端得到(V1V2)经过倍率放大后之输出。3.2.2 RC正弦波振荡电路的设计正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自己振荡而产生正弦波 输出信号的电路。它广泛地应用于测量、通讯、遥控、自动控制、热处理和超声波电焊等加工设备之中，也作为模拟电子电路的测试信号。正弦波产生电路即为正弦波振荡器。 受集成运放带宽所限，振荡频率均不高，一般为 1Hz1MHz。在正弦波振荡电路中，首先反馈信号要能取代输入信号，要达到这一点，电路中必 须引入正反馈；其次要有外加的选频网络，用以确定振荡频率。模拟电路中正弦波振荡电路可分为 RC 正弦波振荡电路和 LC 正弦波振荡电路两种， 一般来说 LC 振荡电路的振荡频率比 RC 振荡电路的振荡频率要高。常用的 RC 正弦波振 荡电路的结构形式有文氏电桥振荡器、移相式正弦波振荡器以及积分式正弦波振荡器等。1、 正弦波振荡产生的条件正弦波振荡电路是在没有输入信号的条件下依靠电路自身的结构而产生的振荡，根 据正弦波振荡电路的特点，要使振荡电路能够起振，电路中必须满足以下两个条件:(1)振荡平衡条件 (2)振荡起振条件 2、 RC文氏电桥正弦波振荡电路的设计文氏电桥又称文氏电桥振荡电路,是利用 RC 串并联回路实现的振荡电路5。文氏电桥振荡电路由两部分组成：即放大电路和选频网络。由集成运算放大电路组成的电压串联负反馈放大电路，因其输出电阻小、输入电阻接近无穷大的特点。而且 RC 文氏电桥振荡器还具有电路结构简单、容易起振、频率可调等特点被大量应用于低频正弦波振荡电路中，所以这里我们采用 RC 文氏电桥振荡器产生正弦波信号。RC 文氏电桥正弦波振荡器电路原理图如下图 5 所示。如图5所示的 RC 文氏电桥正弦波振荡电路，根据设计要求采用电阻值均为 15k的 R1，R2，可调电位器 R4 的总阻值为 100k。电容 C1 和 C2 为 0.22F，D1，D2 是型号 1N4001 的二极管，用来保护电路，采用的集成运放为 OPAMP_5T_VIRTUAL。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。适当调节可变电阻 R4 的值，使电路能够起振，并输出为正弦波信号，其中 D1、D2 的非线性作用可实现电 路稳幅。并联电阻 R5 有改善二极管非线形引起波形失真的作用。3、 RC文氏电桥正弦波振荡电路的仿真按上节所论述的 RC 文氏电桥正弦波振荡电路，在仿真软件 multisim 中进行仿真， 仿真步骤如下： （1）调节可变电阻 R4 的值，用示波器观察输出信号的波形，直到出现正弦波，记录之，并测量输出信号的振幅和周期。 （2）调节电位器 RP，观察其对输出波形的影响。 （3）测量频率。 用 Multisim1 1对电路进行仿真得到图 6 所示仿真波形。 （1）在仿真软件 Multisim1 2 中运行电路图，打开示波器，发现示波器中有微弱波形， 近似直流信号，振荡电路开始起振，上述微弱波形慢慢明显，振荡逐渐增强，这时可观察到有如下波形，如图6 所示。 （2）再过一段时间，这种振荡波形信号逐渐增强，并趋于稳定，有固定的振荡频率与幅度值，如下图 7所示。3.2.3 频率可调的正弦波振荡电路的设计 根据上一节 RC 正弦波振荡电路的基本原理与仿真结果，在这原理上可以设计出频率可调正弦波振荡电路。 由于信号的频率与时间函数 R,C 有关，因此电路中可用多开关控制 R,C 的参数值来起到调节频率的作用6。根据这个设计思想，设计出多路开关控制的频率可调正弦波产生的电路，如下图 8 在RC文氏电桥正弦波振荡器电路上改装成上图所示的频率可调的正弦波振荡电路。 在上图中，R1，R2，R3，R 组成反馈网络，D1，D2 起稳定的作用。电路的反馈电压 Uf 等效于同相比例运算电路的输入电压，因而要把同相比例运算电路作为整体看成电压放大电路，它的比例系数就是电压放大倍数，根据振荡电路的幅值条件和起震条件可得。 多路开关器 S1 控制的 C1、C2、C3、C4、C5 的五个不同电容，可分别对应命名为开关 A1、A2、A3、A4、A5，多路开关器 S2 控制的 C6、C7、C8、C9、C10 的五个不同电容，可分别对应命名为开关 B1、B2、B3、B4、B5。1、 频率可调的正弦波振荡电路的仿真(1) 打开多路开关 S1，S2 中的 A5，B5，即将串并联回路中的电容值选择为 100PF，将可变电阻 R7 调至 70%，R8 调至 80%，则可以得到如下图 9 （2)开关 S1，S2 中的 A4，B4，即将串并联回路中的电容值选择为 1nF，将可变电阻 R7 调至 70%，R8 调至 80%，使输出波形失真最小，则可以得到如下图10 波形。3.2.4方波产生电路的设计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7，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。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 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 A + A +图 11过零比较器 (a)反相输入；(b)同相输入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)，。 传输特性是比较器的输出电压 与输入电压 在平面直角坐标上的关系。本文 采用如下如图12所示的零电平电压比较器。 当输入正弦波信号时，输出会产生相对应的方波信号，如图13所示3.2.5 三角波产生电路的设计在本设计中，三角波信号的产生是利用积分电路的原理进行设计的的。电压比较器 输出的方波信号作为积分电路输入端，积分电路对输入的方波信号进行积分，输出即为方 波信号。下面介绍积分电路的有关原理。积分电路是信号调 理器，实现加速度信号转 变为速度和位移的变换电路 。积分电路的输出电压 与输入电压成积分关系。积分电路 可以实现积分运算，它在模拟计算机、 积分型数模 转换以及产 生矩形波、 三角波等电 路中有广泛 的应用。 基本积分电路如下图14所示 方案一的优点是结构简单，只需运用一个放大器，而方案二结构复杂，需要多次用放大器，容易产生失真。因此，我选择方案一。 在 multisim 仿真中，当输入方波信号时，输出为三角波信号，如图15所示。 1、 幅度可调的三角波产生电路设计 根据 所论述的基本积分电路原理，在这基础上设计出幅度可调的三角波产生电路。由积分基本公式 可得,输出函数信号的幅度与 R,C 的参数有关，于是可以改变电路中积分变量 C 的值来实现输出函数信号幅值的可调。本文是利用 多路开关控制不同的电容参数实现幅度可调的，如下电路图 16 所示。根据 multisim 的仿真与调试，集成运算放大芯片采用 LM324AD，电阻 R1 取值为 2.5K , 电阻 R2 取值为 10K,电阻 R3 取值为 10K, 电阻 R5 取值为 9K,五个不同的电容 值分别为 50nF,100nF,200nf,300nF,400nF。他们作为积分回路并联在 R2 中。多路开关控 制器控制五个不同的电容值，从而实现输出信号幅度的可调，如图16所示，仿真如图17所示。3.3 总电路设计图 把各环节连接起来，构成中电路图，如附录一所示。4. 系统仿真4.1仿真原理图 图 5 RC 文氏电桥正弦波振荡电路 图 8 频率可调的正弦波振荡电路 图12 过零电压比较器方案一： 方案二： 图14 方波转换为三角波积分电路 图 16 幅度可调的三角波产生电路4.2仿真结果 图 6 RC 文氏桥正弦波振荡器电路的仿真 图 7基本 RC 文氏桥正弦波振荡器电路的仿真 图 9频率可调的正弦波振荡电路的仿真 图 10频率可调的正弦波振荡电路的仿真 图 13 正弦波信号输入-方波信号输出的电压比较器仿真图 15 方波信号输入-三角波信号输出的基本积分电路仿真 图17 幅度可调的三角波仿真5 系统的调试与组装5.1 PCB板图根据所设计的总电路图 ，利用 软件设计出 PCB 板，如附录二所示 5.2 面板图 图18 3D面板6 结论经过这段时间的努力，已经成功完成了正弦波、方波、三角波的设计与调试。首先， 在老师的指导下选课题，并阅读了与本领域有关国内外最新科学前沿信息。然后对这些信 息进行分析、比较，得出自己的设计思路。本文是在仿真软件 multisim 上对多功能函数 信号发生器进行电路设计与仿真调试的。在本次设计中，完成了课题中“多功能”的设计 任务，所谓“多功能”即输出函数信号种类可选择，输出函数信号频率可调，输出函数信号幅度可调。输出信号可选择、频率幅度的可调都是通过多路开关控制选择的。比如多路开关 S4 打开第一个键时，输出的是正弦波信号。这时可以通过 S1、S2 选择不同对应的电容值来选择不同的频率输出。当输出三角波时，可通过 S3 选择不同的幅度输出。通过设计，学到了很多知识，包括很多方面的。一开始时，对课题的设计任务一筹莫 展，在老师的指导与鼓励下，静下心来仔细研读国内外函数信号发生器的相关文献，然后根据本课题的要求，逐步分析功能如何实现，如何设计各单元电路，各单元电路如何连接，以及每个元器件参数如何选取，到最后的总电路设计。这个过程中，我清楚理解了函数信号发生器的工作原理、用途、发展前景以及国内外设计函数信号发生器的方法。同时，我也培养了独立思考、设计电子电路的能力。对于我的实践设计能力，也是一个很大的提高。但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的 能力，对材料的不了解等等。对于电量的定量分析也应进一步深入。本次设计，收获颇多， 学会了很多。首先，选课题，并在老师的指导下了解设计中的要求；其次，借来了相关的资料，进行分析，理论计算；再次，撰写论文，用 multisim 作模拟仿真，并对原先的电子电路进行改进，使输出信号达到最佳效果。参考文献1王春波. 数字电子技术基础. 湖北 ：武汉大学出版社，2008.11. 2刘名胜，基于 multisim 完整函数信号发生器的设计武汉大学学位论文，2012.3庄海军. 数字函数信号发生器的设计与实现D. 江南大学硕士论文，2008. 4童诗白. 模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006.5徐阳.基于单