模电课设——三角波正弦波函数发生器.docx

武汉理工大学模拟电子技术基础A课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 肖伟翔 专业班级： 电信1002班 指导教师： 刘运苟 工作单位： 信息工程学院 题 目: 正弦波三角波方波函数发生器 初始条件：具备模拟电子电路的理论知识；具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、频率范围三段：10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；2、正弦波Uopp3V，三角波Uopp5V，方波Uopp14V；3、幅度连续可调，线性失真小；4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书；5、设计电源；6、焊接：采用实验板完成，不得使用面包板。时间安排：十六周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试 指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录一仿真软件简介 3二题目分析 4 1. 方案一 4 1.1 电路组成和工作原理 4 1.2 电路设计与计算 4 1.3 仿真波形 62. 方案二 102.1 电路组成和工作原理 102.2 电路设计与计算 112.3 仿真波形 12三方案选择 16四电源设计 17五电路焊接 17六系统测试 18七心得体会 23八参考文献 23九成绩评定表24一仿真软件简介Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。Ø 直观的图形界面 整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的； Ø 丰富的元器件 提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。 Ø 强大的仿真能力 以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。Ø 完善的后处理 对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等； Ø 详细的报告 能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表7种报告；二题目分析1.方案一1.1电路组成和工作原理积分电路电压比较器RC文氏桥振荡器电源正弦波 方波 三角波运放采用正负15V双电源供电，由LM324AD集成运放芯片构成文氏桥振荡电路，电压比较器电路，积分电路。调节反馈电阻让文氏桥振荡电路振荡产生正弦波，正弦波输入到电压比较器电路，电压比较器电路产生方波输出，让方波信号输入到积分器电路，输出三角波信号。1.2 电路设计与计算 图1.1 电路设计原理图由图可以看出电路分三级，即由运算放大器构成的文氏桥振荡器，电压比较器，积分器，Uo1是第一级的输出，Uo2是第二级输出，Uo3是第三级输出，分别输出正弦波，方波，三角波。电路的第一级是文氏桥振荡器，用于输出正弦波。R9，C2，R10，C3串并联构成选频网络，同时兼有正反馈网络功能，通过调节R9和R10可以对反馈信号进行选择。R12和R16，R14构成电压串联负反馈调节R16，R14的阻值大小可使闭环增益大于等于3，保证环路增益大于1，AF=1，这样频率为Wo的信号就会通过正反馈而使输出信号不断增大，但是由于负反馈中加入了非线性元件二极管，利用电流增大时二极管动态电阻减小，电流减小时二极管动态电阻增大的特性，而使输出电压稳定，此时闭环电压增益Av=1+（R10+Rd）/(R16+R14)，当输出电压信号较小时，二极管工作电流小，动态电阻大，电路的增益较大，引起增幅振荡过程，当输出幅度大到一定程度，二极管工作电流大，动态电阻小，电路的增益下降，电路的输出电压幅值将不再上升，电路转为等振幅振荡，最后输出达到恒定。输出信号Uo1的频率为fo=1/2RC当将R9和R10调到最小时，fo最大fo=1/（21500.0000001）Hz=10kHz当将R9和R10调到最大时，fo最小fo=1/（216010000.0000001） Hz=10Hz电路中R11是保护电阻，R2用于调节正弦信号的幅度。电路的第二级是电压比较器，当输入大于零时，运放输出为-15V，当输入小于零时，运放输出为+15V。把正弦信号输入，运放输出和正弦波相同频率的方波信号，再通过R1分压，输出端的Uo2的幅度可通过R8来调节，稳压管D3，D4的稳压值为3V。当R8最小时，输出信号Uo2为峰峰值3.7V的方波信号；当R8最大时，输出信号Uo2为峰峰值9V的方波信号。电路的第三级是积分器，把方波信号输入，通过积分，输出三角波信号，输出信号通过R7来调节幅值。R4为平衡电阻。1.3 仿真波形1.3.1 频率为10Hz的波形 图 1.2 U1的波形 图 1.3 U2的波形 图 1.4 U3的波形1.3.2 频率为100Hz的波形图 1.5 U1的波形 图 1.6 U2的波形 图1.7 U3的波形1.3.3 频率为10kHz的波形 图1.8 U1的波形 图1.9 U2的波形 图 1.10 U3的波形2.方案二2.1 电路组成和工作原理电压比较器积分器有源低通滤波器电源 方波 三角波 正弦波 系统采用正负12伏供电，主体部分由LM324集成运放芯片构成的比较器，积分器，和有源滤波器电路组成。它由电压比较器产生方波信号，方波信号经过积分电路产生三角波信号。三角波信号通过反馈回比较器，作为比较器的比较电压。三角波同时输入有源低通滤波器后，产生正弦波信号。2.2 电路设计与计算 图 2.1 电路设计原理图 由上图可以看出，电路分三级，即由运算放大器构成的电压比较器，积分器，和有源低通滤波器。U1，U2，U3是电路的三个输出，分别输出方波，三角波，和正弦波。 第一级是电压比较器，当输入为正时，输出正电压，其幅值由电源大小决定，由于电源为12伏，其输出为正10.5伏，当输入为负时，输出负电压。R14用于调节U1的幅值大小。 第二级是积分电路，用于输出三角波。当电路的第一级输出的方波信号进入该级电路后，由该电路进行积分，产生三角波信号，产生的信号一边反馈回电压比较器，作为比较器的比较电压，另一边输入到有源低通滤波器。 第一级与第二级的的振荡周期相同，可由下面公式求的： T=4R3(R20+R4)C1/R6 通过调节R20和R4，可以改变其输出的信号频率。R14和R2用于调节输出信号的幅值。 第三级为有源低通滤波电路，通过调节R5与R10可以控制输入信号的衰减，从而得到正弦波。输出正弦波的幅值由R13调节。2.3 仿真波形2.3.1 10Hz的波形 图 2.2 U1的波形图2.3 U2的波形图2.4 U3的波形2.3.2 100Hz的波形图2.5 U1的波形图2.6 U2 的波形图2.7 U3的波形2.3.3 1KHz的波形图2.8 U1的波形图 2.9 U2的波形图 2.10 U3的波形三方案选择对比方案一与方案二的仿真结果，两个方案的高频部分都会产生较大的失真，方案一可以输出高频的正弦波，但是方波与三角波失真很大，方案二可以输出高频的方波，但是三角波与正弦波失真较大。两个方案都有缺陷，但方案二较方案一，使用的元件更少，更易于调试，所以选择方案二。四电源设计1.1 电路设计与计算 图 4.1 可调双电源电路图 该电路采用稳压管LM317，LM337，LM317的输出端和公共端电压稳定在1.25V，在输出端与公共端并联一个电阻，输出的电压V=1.25/R1（R1+R3），调节R3就可以调节输出电压。可调范围为1.25-25V，由于采用副边为15V的变压器，输出的最大电压为15V左右。同理，负电源也一样。D2.D3为保护二极管。五电路焊接1.在电路板进行实际的排放元件与线路工作。将元件放置于万用板上，对线路进行优化整理，尽量做到精简排线，让线与线之间的距离尽可能的小，并且尽量做到线与线间没有交叉。2.认真的将元件依次焊接到电路板上，。不要让电焊在元件的引脚上停留太久以防温度过高烧坏元器件。3.在焊接过程中，要注意安全，以防被烙铁烫伤。 图 5.1 实物图六系统测试 焊接焊电路之后，经过我们每个成员的认真检查，发现没有问题。于是进行系统测试。接好电源，示波器，调节电位器的阻值，得到如下波形。 图6.1 10Hz的方波 图 6.2 10Hz的三角波 图 6.3 10Hz的正弦波 图6.4 100Hz的方波 图 6.5 100Hz的三角波 图6.6 100Hz的正弦波 图 6.7 1000Hz的方波 图 6.8 1000Hz的三角波 图 6.9 1000Hz的正弦波七心得体会 通过对函数信号发生器的设计，我深刻的认识到理论联系实际这句话的重要性与真实性。而且通过此课程设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的的真谛。也明白了老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因，老师是为了教会我们如何用所学的知识解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计过程中，我觉得调试部分是最难的，因为理论计算的参数在实际中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察结果来改变参数的数值已达到最好的效果。此外，我也学到了团队合作的重要性，在整个设计中，正是因为我们各个队员的分工合作，携手合力，最终才能在规定时间内顺利的完成了任务。虽