函数信号发生器课程设计之三角波.doc

华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 1 目录目录 一 概述 2 二 技术性能指标 2 2 1 设计内容及技术要求 2 2 2 设计目的 3 2 3 设计要求 3 三 方案的选择 3 3 1 方案一 4 3 2 方案二 5 3 3 最终方案 6 四 单元电路设计 6 4 1 矩形波产生电路 6 4 2 三角波产生电路 8 4 3 正弦波产生电路 10 五 总电路图 12 六 波形仿真结果 12 6 1 矩形波仿真结果 12 6 2 三角波仿真结果 13 6 3 正弦波仿真结果 14 6 4 三种波形同时仿真结果 14 七 PCB 版制作与调试 15 结论 17 总结与体会 18 致谢 18 附录 1 元件清单 19 附录 2 参考文献 20 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 2 函数信号发生器设计报告函数信号发生器设计报告 一 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 二 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 1 10Hz 10 100Hz 3 输出信号幅值 方波 Up p 24V 三角波 Up p 0 20V 正 弦波 U 1V 4 波形特征 方波 Tr 10s 100Hz 最大输出时 三角波失真 系数 THD 2 正弦波失真系数 THD 5 5 电源 13V 直流电源供电 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 3 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 PROTEL 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 2 2 设计目的 电子电路设计及制作课程是电子技术基础课程的实践性教学 环节 通过该教学环节 要求达到以下目的 1 使学生进一步掌握模拟电子技术的理论知识 培养学生工程 设计能力和综合分析问题 解决问题的能力 2 使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法 提高电子电 路的设计和实验能力 3 熟悉并学会选用电子元器件 为以后从事生产和科研工作打 下一定的基础 2 3 设计要求 1 设计时要综合考虑实用 经济并满足性能指标要求 2 必须独立完成设计课题 3 合理选用元器件 4 按时完成设计任务并提交设计报告 三 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 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 4 3 1 方案一 R1 R2 R3 W R 10K 20K 1K 0 022 F C C P V 01 V 02 V Z D Z V 50K A1 A2 N V 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 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 V01 和 VO2 决定 利用叠加定理可得 当 Vp 0 时 A1 输出为正 即 Vo1 Vz 当 Vp 0 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 02 12 2 01 12 1 V RR R V RR R VP Z V R R V 2 1 02 0 2 1 12 2 12 1 ZZP V R R RR R V RR R V 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 5 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 CRR R f W o 4 2 方波幅值 ZOVV 1 三角波幅值 CCOV R R V 2 1 2 调节可改变振荡频率 但三角波的幅值也随之而变化 WR Z V Z V 1 2 Z R V R 1 2 Z R V R t 0 V 图 2 方波和正弦波波形图 3 2 方案二 Z V R R V 2 1 02 Z V 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 6 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 最终方案 在方案一 方案二的基础上 我们改进了方波 三角波自激 振荡电路 并以 RC 桥式振荡电路产生并输出正弦波 解决了课 程设计中提出的对方波 三角波和正弦波调节而互不影响的要求 四 单元电路设计 4 1 矩形波产生电路 此电路由反相输入的滞回比较器和 RC 电路组成 RC 回路既 作为延迟环节 又作为反馈网络 通过 RC 充 放电实现输出状 态的自动转换 设某一时刻输出电压 Uo Uz 则同相输入端电位 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 7 Up UT Uo 通过 R3 对电容 C 正向充电 反相输入端电位 n 随时 间 t 的增长而逐渐增高 当 t 趋于无穷时 Un 趋于 Uz 但是 一旦 Un Ut 再稍增大 Uo 从 Uz 跃变为 Uz 与此同时 Up 从 Ut 跃变为 Ut 随后 Uo 又通过 R3 对电容 C 反向充电 如图中虚 线箭头所示 Un 随时间逐渐增长而减低 当 t 趋于无穷大时 Un 趋于 Uz 但是 一旦 Un Ut 再减小 Uo 就从 Uz 跃变为 Uz Up 从 Ut 跃变为 Ut 电容又开始正相充电 上述过程周而 复始 电路产生了自激振荡 图 4 矩形波产生电路 方波 三角波转换工作原理分析图如图 5 图 6 所示 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 8 图 5 方波 三角波转换工作原理分析图 图 6 方波 三角波转换工作原理分析图 4 2 三角波产生电路 三角波产生电路如下图 图 7 三角波产生电路 a 点断开后 集成运算放大器 U2 与 R5 R6 C1 C2 C7 及 R7 组成反相积分器 其输入信号为方波 Uo1 则积分器的输出 Uo2 为 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 9 dtu CRR uoo1 65 2 1 时 CCoVu 1 t CRR V t CRR V u CCCC o 6565 2 时 EEoVu 1 t CRR V t CRR V u EEEE o 6565 2 可见积分器的输入为方波时 输出是一个上升速度与下降速度相 等的三角波 a 点闭合 既比较器与积分器首尾相连 形成闭环 电路 则自动产生方波 三角波的幅度为 CCOV RR R U 43 2 2 方波 三角波的频率 f 为 CRRR RR f 4652 43 电路中稳压管 D1 D4 的作用是防止由于电路故障导致输出电压 过大从而击穿电容造成电容不可逆转的损坏 稳压管的稳定电压 应该大于三角波输出的最大幅值 此处选用型号为 1N4740A 的稳 压二极管 击穿电压为 10V 电路中 R5 是为了保证三角波的输 出频率最大为 100Hz 滑动变阻器 R6 的作用是使输出频率在 1 100Hz 之间可调 经计算取 R5 10k R6 100k 集成运放 的同相输入端所接电阻 R7 为平衡电阻 经计算 R7 10k 输 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 10 出端串联一个 470uF 的电解电容和一个 100k 的滑动变阻器 电解电容用来滤除杂波 只输出交流的三角波 滑动变阻器用来 调节输出三角波的幅值 结论 1 电位器 R6 在调整方波 三角波的输出频率时 不会影响输出 波形的幅度 若要求通频率的范围较宽 可用 C 改变频率的范围 R6 实现频率微调 2 方波的输出幅度应等于电源电压 Vcc 三角波的输出幅度应 不超过电源电压 Vcc 3 电位器 R4 可实现幅度微调 但会影响方波 三角波的频率 4 电位器 R21 可实现输出信号幅度的调节 且对电路的频率和 前部电路中的所有新号均无影响 只调节输出幅度 4 3 正弦波产生电路 常用 LC 振荡电路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 我们在方案选择中 正弦波电路是重要的部分 为了保证正 弦波输出的频率和幅值稳定且可调 我们选择了单独的 RC 桥式 振荡电路产生并输出稳定的正弦波 此部分电路我们是典型的 RC 乔氏正弦波振荡电路的基础上加以改进 电路图如下图 其 中 R10 R12 R13 R17 及二极管 D5 D6 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 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 11 电压增益 是满足振荡的必要条件 二极管 D5 D6 为自动振幅元件 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 因为设 计要求正弦波输出频率为 1 10Hz 10 100Hz 所以 RC 串 并联选频网络中用到了两对容抗相同的电容 以达到不同档位正 弦波输出信号频率不同的要求 正弦波产生电路如图 8 图 8 正弦波产生电路 为了保证电路的输出信号频率能达到要求 应该让电阻留有 余地 所以选择 R 15 92k 的固定电阻和 Rw 143 28k 的滑动 电阻的组合来达到调整输出信号的频率 输出时 为了防止电路 由于故障输出电压太大导致负载不可逆转的损坏 在输出端并联 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 12 接入了一对反向的稳压管 且稳压管的稳定电压大于输出正弦波 的最大值 以滑动变阻器的可滑动端作为输出端 使输出电压稳 定可调 五 总电路图 图 9 函数信号发生器总电路图 六 波形仿真结果 6 1 矩形波仿真结果 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 13 图 10 矩形波仿真图 6 2 三角波仿真结果 图 11 三角波产生图 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 14 图 12 三角波失真系数 6 3 正弦波仿真结果 图 13 正弦波仿真图 6 4 三种波形同时仿真结果 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 15 图 14 三种波形仿真图 七 PCB 版制作与调试 1 PCB 设计 PCB 板的制作是运用 Protel 软件来绘制 利 用 Protel 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 Protel 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 10mil 孔大小为 30mil 采用顶层 底层双层布线 其他为默认设置 布线采用双面板布线 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 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 16 径 焊盘一般采用圆框直径为 6mm 孔直径大小为 3mm 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 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 17 图 15 PCB 板正面 图 16 PCB 板反面 结论 此电路能够同时产生较好的正弦波和矩形波和三角波 而三种波都可调频率 矩形波 三角波和正弦波的频率分 别可调且不相互影响 但是矩形波和三角波的频率时刻相 同 不可分开来调节 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 华北科技学院 模拟电子技术 课程设计 18 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 做出了函数信号信号发生器 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 致谢 经过三周的课设 使我们认识到 书本上的知识往往和 实际不一样 只有经过自己亲自动手 才能最终的理解理 论知识 在此 首先感谢学校给