【电子信息工程】函数信号发生器设计与制作

南京铁道职业技术学院课程项目报告课程名称电子产品设计与制作项目名称函数信号发生器设计与制作作者学号团队成员指导老师二级学院通信信号学院院系电子电气系专业电子信息工程技术班级电子信息13012015年6月报告中文摘要函数信号发生器设计与制作摘要随着集成制造技术的不断发展，多功能信号发生器已被制作成专用集成电路。函数信号发生器就是一种常见的信号源，广泛的应用于电子电路、自动控制系统和数学实验等领域。因此函数信号发生器是我们在学习、科学研究等方面不可或缺的工具。利用集成电路LM358制作的函数信号发生器设计要求输出200HZ50KHZ的正弦波、方波和三角波三种波形，分两波段连续可调；输出电压范围（010）VPP。利用PROTEL99SE绘制出电路图，在PCB板上进行布线印制出电路板，并将元器件焊接到电路板做出实物板，对实物板进行调试。通过老师的指导和我们不断的学习和研究完成了预想的功能。关键词集成片、函数信号发生器、三种波形目次1引言52项目制作521项目要求522正弦波产生电路的设计623方波产生电路的设计924三角波产生电路的设计1025输出电路的设计1126直流稳压电源的设计1227项目原理图123主要元器件介绍1331LM358集成电路1332TL074集成电路1433三端稳压集成电路1434发光二极管1535电阻器1536电容器1637二极管1638变压器164印刷电路板设计与制作过程1741制作菲林图片1742曝光1743显影1744蚀刻1845脱膜1846打孔195项目PCB图196项目PPC图207焊装和调试过程208收获与体会20结论20致谢21参考文献211引言在人们认识自然、改造自然自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的提供被测电路所需要的已知信号（各种波形），然后用其他仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用的实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测量信号，提供给被测电路，以满足测量需要。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域有着广泛的应用。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，如正弦波、方波、三角波等的电路被成为函数信号发生器。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。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（比较电路）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。本课题采用先产生正弦波，再将正弦波变成方波，然后由积分电路把方波变成三角波。2项目制作21项目要求（1）正弦波信号源输出频率范围200HZ50KHZ，分两波段连续可调；输出电压范围（010）VPP。（2）方波信号源输出频率范围200HZ50KHZ，分两波段连续可调；输出电压范围（010）VPP。（3）三角波信号源输出频率范围250HZ33KHZ，分两波段连续可调；输出电压范围（010）VPP。22正弦波产生电路的设计根据任务要求，要设计的函数信号发生器应该由正弦波、方波、三角波信号发生器、放大器输出及直流稳压电源组成，如图11所示。三种波形发生器通过切换开关从公共的放大电路输出相应的波形。直流稳压电源为整个系统供电。图11函数信号发生器系统框图221工作原理正弦波产生电路是在放大电路的基础上加上正反馈网络而产生一定频率和幅度的正弦波，它是各类波形发生器和信号源的核心电路，其框图如图12所示。图12正弦波振荡器框图如果反馈电压UF与原输入信号UI完全相等，则即使无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号。这种没有外加信号，依靠电路自身条件产生一定频率和幅度的交流信号的现象叫“自激振荡”。由此可知，放大电路产生自激振荡的条件是UFUI（11）即UFFUUOFUAUUIUI所以产生正弦振荡的条件是FUAU1（12）振荡器在刚刚起震时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，既要求丨FUAU丨1（起震条件）既然丨FUAU丨1起震后就要产生振幅振荡，需要靠三极管大信号运用是的非线性特性去限制振幅的增加，这样的电路必然产生失真。这就要靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。此外，可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增幅，从而达到稳幅的目的。因此，产生正弦波的电路包括放大电路，正反馈网络，选频网络和稳幅电路222RC桥式正弦波振荡器RC正弦波振荡电路结构简单，性能可靠，用来产生几十KHZ以下的低频正弦信号。常用的RC振荡电路在RC桥式振荡电路和移相式振荡电路，振荡器用RC电路做选频网络，同时采用晶体管或集成运放为放大器，组成RC振荡器。图13所示为RC桥式振荡电路图13RC桥式正弦振荡器图13中，RC电路中，并联为正反馈与选频网络，RFR1组成稳幅电路。当W1/RC时，经RC选频网络组成正反馈，产生振荡，振荡频率为F。1/RC。起振时，要求放大倍数AU1RF/R1略大于3，达到稳定状态是，RF减小至使AU3。在设计时，应使AU略大于3，即使RF/R1大于2若AU远大于3时，因振幅的增加使放大器工作到非线性区域，波形将产生严重的非线性失真，若RU小于3时，则不起振。在负反馈回路中采用负温度系数的热敏电阻RF构成稳幅电路，当UO增加时，IF增加，RF减小，负反馈加强，使UO下降达到稳幅的目的。223电路的设计本电路的设计实际上就是以图13所示的电路为基本结构，然后确定选频网络RC的参数和稳幅电路元件的阻值，以及集成筼筜的型号。设计的电路图如14所示选频网络正弦波振荡器的设计要求是输出频率范围200HZ50KHZ，分两波段连续可调。由于要求输出频率连续可调，所以RC选频网络中应包括可调元件。一般情况下，采用波段开关切换点容的方式实现波段的粗调，在每一波段内用双联电位器完成波段内频率的细调。这里用波段开关S1S2对选频网络中的电容C1C3（2200PF）和（0022UF）进行切换实现频率粗调。用双联电位器W1W2（50K）和R1R2（15K）的串联完成频率的细调。串联R1、R2是防止双联电位器调到0时使电路工作异常。图14正弦波发生器选频网络中要求电阻R1R2选用精度为1的电阻，双联电位器的两个电位器在调节时的阻值偏差不能太大电容C1C3C2C4的误差不能超过5。若不能满足上述要求，会产生失真的正弦波。稳幅电路稳幅电路由VD1VD2和W3组成。当输出振幅增加时，二极管的动态内阻减小，使VD1VD2和W3串联的电阻减小，相当于图13中RF的减小，输出幅度下降，达到稳幅的目的。为了保证电路起幅，应使即R4/R3略大于2，电路中R4应选22K，R3选1K。用做振荡器的运放，其振荡频率最好在运放频率参数的1/10较可靠。这里选用频带宽度为3MHZ的四运放TL074。23方波产生电路的设计方波产生的方法很多，最简单的方法是采用过零比较器。将正弦波产生电路输出的正弦波进过零比较器即可得到同频的方波，如图15所示。图15方波发生器过零比较器的原理是将输入电压UI与0比较，当UI0时，运放处于负饱和态，输出电压UOUOL（UOL为低电平）；当UI0是，运放处于正饱和态，输出电压UOUOH（UOH为高电平）。由于当UI0时输出电压发生翻转，称“过零电压比较器”，波形如图16所示。图16过零比较器输入、输出波形图当输出低电平时，若无稳压管VD3、VD4，则UOL等于负电源电压（12V）；同理输出的高电平UOL等于正电源电压（12V）。由于加入两个43V稳压管，则总有一个稳压管处于稳压，另一个处于导通状态，使方波输出电压是5VPP5VPP。24三角波产生电路的设计三角波产生电路的基本结构如图17所示。集成运放U1及其周围R1R4、VDZ构成电压比较器，集成运放U2及其周围元件R、C、R5构成积分器。图17三角波产生电路集成运放U2及其周围元件R、C、R5构成积分器三角波的频率为FR1/4RCR2（13）三角波的幅度为UO（R1/R2）UZ（14）根据图17，设计一个三角波电路，输出频率范围250HZ33KHZ，分两波段连续可调，输出电压范围（010）VPP。电路图如图18所示。根据式（13）、式（14）分别确定电路中的参数。由（13）式可得R7/R8R5UO/UZ1取R739K，则R8W539K，取R320K，W5为50K的电位器，平衡电阻R6R7/（R8W5）20K。根据14式，三角波的频率为F（R8W5/4R7R9W6C5，将R7/R8R51代入得F1/4R9W6C取R93K，电位器W6为50K，切换电容C52200PF，C60022UF。图18实际设计的三角波电路25输出电路的设计输出电路采用LM358或LM833（15MHZ带宽）组成的电压跟随器，如图19所示。调节W4可改变信号幅度。图19输出电路26直流稳压电源的设计直流稳压电源用于给集成运放供电，由于集成运放在工作时的电压为12V，所以选用三端稳压块的型号为LM7812和LM7912。根据经验值，LM7812的输入端电压应为（1520）V左右为宜，LM7912的输入端电压应为（2015）V为宜，所以选用双15V输出的变压器。整流管选用1N4007即可满足要求。设计的电路如图110所示。图110直流稳压电源27项目原理图3、主要元器件介绍3、1LM358集成电路主要性能内部频率补偿字串2直流电压增益高约100DB字串8单位增益频带宽约1MHZ字串8电源电压范围宽单电源330V双电源15一15V字串3低功耗电流，适合于电池供电字串3低输入偏流功能特性描述LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。采用塑封8引线双列直插式和贴片式封装形式。电源电压332V,或1516VLM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。32TL074集成电路主要性能输入噪声电压低低谐波失真低的输入偏置和偏置电流高输入阻抗1012W高转换速率13V/MS宽增益带宽40MHZ低电流14MA33三端稳压集成电路电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78系列和负电压输出的79系列。故名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。注意三端集成稳压电路的输入、输出和接地端绝不能接错，不然容易烧坏。一般三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压，一般应使电压差保持在45V，即经变压器变压，二极管整流，电容器滤波后的电压应比稳压值高一些在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出15A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个15A，但应用时需注意并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。34发光二极管发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极，有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。与小白炽灯和氖灯相比，发光二级光的特点是工作电压低（有的仅一点几伏）工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）抗冲击和康震动性能好，可靠性高，寿命长，通过调制通过的电流的强弱可以方便的调制发光的强弱，在许多垫子设备中作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示09十个数目字。35电阻器电阻元件的阻值大小一般与温度，材料，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1时电阻值发生变化的百分数。电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生内能，电阻在电路中通常起分压，分流的作用，对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。与发光二极管串联的电阻是起了限流和保护作用。36电容器电容器是由两个电极及其间的介电材料构成。介电材料是一种电介质，当被置于两块带有等量异性电荷的平行极板间的电场中时，由于极化而在介质表面产生极化电荷，遂使束缚在极板上的电荷相增加，维持极板间的电位差不变。这就是电容器具有电容特征原因，电容器中储存的电量Q等于电容量C与极板间的电位差U的乘积。电容量与极板面积和介质材料的介电常数T成正比，与介电材料厚度（即极板间的距离成反比，充电和放电视电容器的基本特征。37二极管二极管是最常见的电子元件之一，它最大的特性就是单向导电，也就是电流只可以从二极管的一个方向流过，二极管的作用有整流电路，检波电路，稳压电路，各种调制电路，主要都是由二极管来构成的。38变压器主要功能电压变换电流变换阻抗变换隔离稳压（磁饱和变压器）描述变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。它可以变换交流电压、电流和阻抗。最简单的铁心变压器由一个软磁材料做成的铁心及套在铁心上的两个匝数不等的线圈构成。按用途可以分为电力变压器和特殊变压器（电炉变、整流变、工频试验变压器、调压器、矿用变、音频变压器、中频变压器、高频变压器、冲击变压器、仪用变压器、电子变压器、电抗器、互感器等）。4、印刷电路板设计与制作过程41制作菲林图片首先用PROTEL99SE设计出PCB原稿图，再使用激光打印机打印出电路板11的菲林图片。42曝光在曝光操作之前，我们首先要把PCB板用硫酸纸打印出来。下面将进行感光板的曝光。将感光板放在曝光箱上，硫酸在放在感光板上。盖上曝光箱的盖子进行曝光处理。要注意完全遮盖，否则会影响曝光效果，曝光是将为三分钟，因为我们做的是单面板所以只要进行单面的曝光就可以了。43显影对于50克包装的显影剂，可以一次全部配置后，使用225升装的可乐瓶密封保存，使用时根据需要的量倒出即可。一包50克装的显影剂可显影1520片100150尺寸的单面感光板。使用后的显影剂请勿倒回瓶中。在显影过程中可用温水加热，这样可以加速显影，缩短显影时间。显影时要注意不停摇晃，使得显影均匀。44蚀刻取适量的三氯化铁，加清水配制成33的溶剂，或蓝色环保蚀刻剂，加热水配制成20的溶剂，置于塑料浅盘中。将上步显影后的感光板投入溶剂中，可见光亮的铜层迅速变成浅粉红色，如投入后未变色，则为上一步显影不完全，可取出用清水冲洗后再次显影，可适当提高显影液浓度或温度，直到露出光亮铜层。显影时用毛刷反复刷洗板面，可大幅度提高蚀刻速度。当没有覆膜保护的铜层完全溶解，露出浅色的环氧树脂板基时，蚀刻即完成，取出感光板，用清水冲洗后风干。45脱膜蚀刻后，板上的蓝色保护膜已经失去原有的作用，并阻止有效的焊接，所以需要除去，这里用到脱膜剂，取20克脱膜剂溶解于400ML水配制成5的溶液，置于塑料浅盘中，将上一步蚀刻完成的PCB投入溶液中，轻摇溶剂，可见膜层逐渐在板上剥离并漂浮在溶液中，当蚀刻完成后将PCB板进行冲洗盒晾干。46打孔打孔时要注意钻头的大小，我们小组用的是08MM的，还要注意打把板子打通，过程中要注意人身安全和PCB板的安全。5项目PCB图6项目PPC图7焊装和调试过程焊装是PCB板制作的最后一步，在焊装的过程中，不仅要做到把原件焊对，而且还要做到焊接的完美性，把焊接PCB当做是一件工艺品来对待。在焊接之前可以在PCB板上涂上一层松香