函数信号发生器课程设计 作者刘广强.doc

设计课题：函数信号发生器课程设计班级：1101学号：11312223姓名：刘广强指导老师：董姣姣完成日期：2012年6月19摘 要此设计的信号发生器是有正弦波电路开始的，采用的是文氏桥正弦波振荡电路。他适用于产生低于1MHz的低频正弦振荡信号，振幅和频率稳定，而且频率调节方便。然后是方波产生电路，即让正弦信号通过电压比较器，就能产生良好的方波。而后是利用方波产生矩形波和锯齿波，采用RC积分电路。使方波通过积分电路，产生锯齿波。达到频率要求是由正弦电路的RC选频网络决定，f=1（2RC）。鉴于所要求得到频率跨度较大，选频网络采用两组不同容值的电容和同轴电位器构成来调节频率。关键词：变压 ；整流；滤波；稳压；RC桥式电路；电压比较电路；积分电路 目录1、概述52、技术性能指标52.1、设计内容及技术要求53、方案的选择53.1、方案一63.2、方案二73.3、方案三84、单元电路设计84.1、正弦波产生电路84.2、方波产生电路104.3、矩形波产生锯齿波电路115、总电路图126、波形仿真结果136.1正弦波仿真结果136.2矩形波仿真结果136.3锯齿波仿真结果146.4三种波形同时仿真结果147、电源电路157.1直流稳压电源的基本原理157.2电源电路图168、 PCB版制作与调试169、元件清单17结 论18总结与体会18参 考 文 献19致谢20 函数信号发生器1、 概述信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。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。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。2、技术性能指标2.1、设计内容及技术要求：设计并制作一个信号发生器，具体要求如下：1、能够输出正弦波、方波、三角波；2、输出信号频率范围为10Hz10KHz；3、输出信号幅值：正弦波3V，矩形波10V，锯齿波4V；4、输出矩形波占空比50%-95%可调，矩形波斜率可调。5、信号发生器用220V/50Hz的工频交流电供电；6、电源：220V/50Hz的工频交流电供电。按照以上技术完成要求设计出电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim进行必要的仿真，用PCB软件进行制板、焊接，然后对制作的电路完成调试，撰写设计报告测，通过答辩3、方案的选择根据实验任务的要求，对信号产生部分可采用多种方案：如模拟电路实现方案，数字电路实现方案，模数结合实现方案等。鉴于波形信号的产生和模拟联系紧密，我们用模拟电路实现方案。模拟电路的实现方案就是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。就此方案，也有几种电路方式。3.1、方案一 图1 方波和正弦波产生电路 用方波和三角波产生电路输出方波和三角波1，再通过三角波正弦波转换器产生正弦波。方波和三角波发生器的工作原理：A1构成迟滞比较器同相端电位Vp由VO1和VO2决定。利用叠加定理可得： 当 Vp0时，A1输出为正，即VO1 = +Vz；当 Vp0时，A1输出为负即VO1 =-Vz。A2构成反相积分器VO1为负时，VO2 向正向变化，VO1 为正时，VO2 向负向变化。假设电源接通时VO1=-Vz，线性增加。当： 时，可得： 当VO2上升到使Vp略高于0V时，A1的输出翻转到VO1=+Vz。同样： 时当VO2下降到使Vp略低于0时，VO1 =-Vz 。这样不断的重复，就可以得到方波VO1和三角波VO2。其输出波形如图2-6所示。输出方波的幅值由稳压管DZ决定，被限制在稳压值Vz之间。电路的振荡频率： 方波幅值： = 三角波幅值： = 调节 可改变振荡频率，但三角波的幅值也随之而变化。图2 方波和正弦波波形图3.2、方案二图3 信号发生器方框图用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用电压比较器产生方波，再经积分电路产生三角波，电路框图如图二。此电路结构简单，且有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生同步的三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波的输出幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。而且方波占空比2和锯齿波幅度改变会同时引起其它波形的变化。 3.3、方案三 在方案二的基础上，我们添加方波产生电路作为锯齿波产生的信号源，解决了课程设计中提出的对锯齿波和矩形波调节而互不影响的要求4、单元电路设计4.1、正弦波产生电路采用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。常用LC振荡电路3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、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。常用的RC振荡电路有相移式和桥式两种。(1) RC移相式振荡器，具有电路简单，经济方便等优点，但选频作用较差，振幅不够稳定，频率调节不便，因此一般用于频率固定、稳定性要求不高的场合。其振荡频率是 f0=1/（2RC） (2)RC桥式振荡器 将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC振荡电路，放大器件可采用集成运算放大器。 我们在方案选择中，正弦波电路是最重要的部分，正弦波不仅是所需输出信号，而且是方波电路的输入信号。此部分电路我们采用的是典型的RC乔氏正弦波振荡电路如下图，其中R1、R2、R5及二极管D1、D2构成负反馈网络和稳幅环节。调节Rw可改变负反馈的反馈系数，从而调整放大电路的电压增益，是满足振荡的复制条件。二极管D1、D2为自动振幅元件，其作用是：当u0幅值很小时。二极管D1、D2相当于开路，此时有D1、D2和R组成的并联支路等效电阻较大，设R2、和R5、D1、D2并联支路的总等效电阻为Rf，则Rf也较大，所以Auf=（1+Rf/R1）3,有利于起振;反之当u0幅值较大时，D1、D2导通，并联支路的等效电阻下降，Rf也下降，所以Auf随之下降，如果此时Auf3，则u0幅值趋于稳定。另外，采用两只二极管反向并联，目的是使输出电压在正负两个半周期内轮流工作，使正半周和负半周振幅相等，这两只管子特性应相同。而RC串并联电路构成选频网络，同时兼作反馈环节，连接于集成运放的输出端和同向输入端之间构成正反馈，以产生正弦自激振荡。根据振荡器的频率，计算RC乘积的值，有 RC=1/(2*3.14*f0) 已知给出f0=1Hz10KHz，则RC=1.59*10-51.59*10-2，为了使选频网络的特性不受运算放大器输入电阻和输出电阻的影响，按RiRR0的关系选择R的值，为了计算方便，初选R=15.9k，则C=1uF0.001uF，我们采用双层波段开关两组两支容值100倍的电容，则C1=1uF，C2=0.01uF。而R则取为50k的可调电阻。因此，鉴于设计要求频率10Hz10KHz跨度较大，我们采用双层波段开关两组两支电容和两支同轴电位器来调节。选用不同的电容作为振荡频率f0的粗调，用同轴电位器实现f0的微调。每一值电容和电位器组合都可以调节一段范围，交叉，故实现频率为连续可调。为了实现仿真，根据运算放大器的技术参数，并且结合经济性，运算放大器为LM324N。正弦波产生电路如图三。图4 正弦波产生电路4.2、方波产生电路方波产生电路较简单，主要由比较器LM339N4的反相输入端接电压构成电压比较器。在实用电路中为了满足负载需要，常在集成运算的输出端加稳压管限幅电路。限幅电路的作用是把输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。在此电路中，我们将限幅电路跨接在输出端和反相输入端之间。图5 矩形波产生电路4.3、矩形波产生锯齿波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。积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波。电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理。 图6 锯齿波产生电路5、总电路图图7 函数信号发生器总电路图6、波形仿真结果6.1正弦波仿真结果 图8 正弦波仿真图6.2矩形波仿真结果图9 矩形波仿真图图10 占空比可调矩形波仿真图6.3锯齿波仿真结果图11 锯齿波产生图6.4三种波形同时仿真结果图12 三路波形仿真图7、 电源电路电源电路是指车载功放的电源部分的设计，使用的电路形式和特点。对于一个功放来说，其电源部分非常重要，专业功放的电源电路的容量往往是根据放大器的实际消耗，再加足够的富裕量，因此比同样标称功率的普通功放的容量大得多，因此电源电路可以从一个侧面反映出整个功放的好坏。常见的电源电路有D级放大器电路、MOSFET电路、高性能平衡绝缘电路等。7.1直流稳压电源的基本原理 直流稳压电源5是由工频变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下。图13 直流稳压电路方框图7.2电源电路图 在函数信号发生器电路图中，我们所选择的比较器均接入12V直流电源。因此设计次电源电路，电源电路如图所示。整流器1B4B42 的最大反向重复峰值电压为100V，最大前向冲击电流30A。稳压器 LM7812CT为单输出类型，电流输出1A，输出电压为12V，输入电压为14.535V。稳压器LM7912CT为单输出类型，电流输出1.5A，输出电压为-12V。图14 电源电路及仿真图8、 PCB版制作与调试1、PCB设计。PCB板的制作是运用Protel DXP软件来绘制，利用DXP制板的基本流程：准备原理图，设置PCB设计环境，载入网络表，并纠正网络表的宏错误，布线规则设置，布线，PCB的优化，DTC检查，保存文件与输出。准备原理图：根椐所画的电路图，在元件库中查找到所要求的元件符号，在DXP中绘制出原理图，在选择元件的时候特别要注意元件的封装是否符合所需的封装要求。布线设置主要设置线宽为40mil、孔大小为0.8mil，采用低层布线，其他为默认设置。布线采用单面板布线。布线原则：逻辑清晰、接线牢固、测试方便、美观大方。PCB的优化主要设置焊盘的大小与某些线的宽度及布线的路径。焊盘一般采用方框为78.74mil39.37mil。DTC检查的主要任务是对先前的设计规则进行检查,查看是否有违反规则的地方,如实际线宽是否比规则设置中的最大值还大或小,是否还存在没有彻底布通的网络等。保存文件与输出是保存设计中的各种文件，并打印输出，包括PCB文档、元件清单等。设计工作结束。打印时可以把孔打印成实心，可以自己控制孔的大小方便打孔。2、热转印，通过打印机PCB图打印到热转印上，然后选择大小合适的铜板，将铜板表面打磨干净之后，用带有PCB图的那一面同铜板贴紧，经过热转印机，温度约120度，转印三次，即把热转印纸上的PCB图转印到铜板上。3、腐蚀，腐蚀这一过程是电路板成功的关键，将腐蚀液倒入腐蚀机加热至75度后，将已经热转印的铜板放入腐蚀机进行腐蚀，腐蚀时间约一分钟即可。拿出洗净后如果没有发现断线、短路等情况即可。 4、焊接元件，根据原理图，在PCB板上焊接元件。焊接时要特别注意不要出现虚焊、短路等，元件的正负极反接、错接。9、元件清单表一 元件清单元器件型号数量芯片Lm339n1芯片Lm324d1二极管In40012瓷片电容1uf2电解电容220uf2电解电容4.7mf2瓷片电容1042瓷片电容1022稳压管78121稳压管7912二极管IN40016园桥1b4b421电源变压器17.5v1电阻1k2电阻1.5K1电阻2k4电阻10k1电阻152电阻20K1电位器2k2电位器20k3双刀双掷开关1结 论此电路能够同时产生较好的正弦波和矩形波和锯齿波，而正弦波可调占空比，锯齿波可调斜率而不影响其它波形。在选择方案时，也有更简单的方案，但是考虑到仿真结果和实际器件时剔除了，最后器件的选择是根据最简原则和从经济性方面考虑的，并且此电路实现了这次设计的最终目的。但是如果用于实际，部分器件应该根据实际情况加以改变。总结与体会 经过三周的课设，终于达到了此次课设的目的，成功的做出了信号发生器。虽说过程有点曲折，有点累，但是最后得到了理想的结果，心里还是很高兴的。此次课程设计设需要有最终方案的选择，自己通过比较，仿真软件的仿真最终选择了最优的方案，经过小组成员的努力，不断地查阅资料，终于做出了满意的方案，这很好的锻炼了我们的自学能力。并且在PCB制板和仿真过程中，也遇到了各种各样的问题，但是经过仔细的分析电路，同时与同学讨论，经过各种调试，得出了最终仿真结果。使自己的理论知识和动手能力都有了很大的提高。参 考 文 献1康华光主编.电子技术基础（模拟