电路与电子技术课程设计

1、 电路与电子技术课程设计 课 程 设 计课程设计名称：电路与电子技术专 业 班 级：物联网1502 学 生 姓 名： 杨凯 学 号： 201516070207 指 导 教 师： 金广锋 课程设计时间： 2017.1.22017.1.7 物联网 专业课程设计任务书学生姓名许雨专业班级物联网1502 学号201516070207题 目信号发生器设计课题性质工程设计课题来源电路与电子技术指导教师金广锋，马浩歌，王彩红，焦素敏，王胜轩同组姓名主要内容设计一个信号发生器电路，实现产生低频信号。要求:1 设计方波发生器； 2. 设计宽度可调矩形波发生器；3.三角波-方波发生器。任务要求1 根据功能要求选择

2、设计方案原理，并进行论证。2 用proteus画出电路的原理图。3 说明系统工作原理，对电路进行仿真。4 写出课程设计报告。参考文献1 电子电路技术有关教材2 proteus电路设计使用手册3 其他资料审查意见指导教师签字： 金广锋，马浩歌，王彩红，焦素敏，王胜轩 教研室主任签字： 焦素敏 年 月 日 目 录摘 要11 概要22 Proteus 简介33 电路原理及设计43.1 方波发生电路43.1.1 整体电路原理43.1.2 电路的设计43.2 宽度可调的矩形波发生电路73.3三角波方波发生电路8电路的仿真105 小结13摘 要 函数信号发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波

3、、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件  (如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。  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。本课题中函数发生器电路总方案为由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由文氏电桥震荡电路来完成。1.概

4、要函数信号发生器广泛地应用于各大院校和科研场所。随着科技的进步，社会的发展，单一的函数信号发生器已经不能满足人们的需求，本实验设计的正是多种波形发生器。本实验由两个电路组成，方波三角波发生电路和三角波正弦波变换电路。方波三角波发生电路由自激的单线比较器产生方波，通过RC积分电路产生三角波，在经过差分电路可实现三角波正弦波的变换。本电路振荡频率和幅度用电位器调节，输出方波幅度的大小由稳压管的稳压值决定；而正弦波幅度和电路的对称性也分别由两个电位器调节，以实现良好的正弦波输出图形。它的制作成本不高，电路简单，使用方便，有效的节省了人力，物力资源，具有实际的应用价值。2.Proteus简介Prote

5、us软件是英国Lab Center Eproteuslectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是英国著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。此外，Proteus软件还有图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时

6、地显示出来。对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus提供了两种方法：系统总体执行效果和对软件的分步调试。它还提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试，这些测试信号包括模拟信号和数字信号。在用Proteus进行仿真和程序调试时，只要关心从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。它还提供Schematic Drawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真PIC、AVR、51系列等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如示波器、373、led等。Proteus是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台， 2010

7、年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：1原理布图2PCB自动或人工布线3SPICE电路仿真革命性的特 点。互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻

8、辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。3.电路原理和设计3.1 方波发生电路3.1.1 整体电路原理函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。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

9、变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。 由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。3.1.2 电路的设计函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同

10、，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。 3.1.2 .1RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器）图为RC桥式正弦波振荡器。其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、RW及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器RW，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D1、D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。电路的振荡频率 起振的幅值条件 2 式中RfRWR2（R

11、3 / rD），rD 二极管正向导通电阻。调整反馈电阻Rf（调RW），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大Rf。如波形失真严重，则应适当减小Rf。改变选频网络的参数C或 R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。RC桥式正弦波振荡器 方波-三角波转换电路的工作原理方波-三角波转换电路图图所示的电路能自动产生方波三角波。电路工作原理若下：若a点断开，运放A1与R1、R2及R3、RP3组织成比较器，R1成为平衡电阻，运放的反相端接基准电压，及U_=0，同相端接输入电压Uia；比较器的输出Uo1的高电平等于正电源

12、电压+Vcc，低电平等于负电源电压VEE（|+Vcc|=|VEE |）,当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出U01从高电平+Vcc跳到低电平VEE，或从低电平VEE跳到高电平+Vcc。设U01=+Vcc，则 （3-2-1）式子中，RP1指的是电位器（以下同）。 将上式整理，得比较器翻转的下门限电位 （3-2-2）若Uo1=VEE，则比较器翻转的上门线电位 （3-2-3） 比较器的门限宽度 (3-2-4) 由式子（3-2-1）(3-2-4)可以得到比较器的电压传输特性，如图所示。比较器的电压传输特性a点断开后，运放A2与R4、RP3、C2、及R5组成反相积分器，其输入信号为方波U01，则

13、积分器的输出 (3-2-5)当U01=+Vcc时， (3-2-6)当U01=-Vcc时， (3-2-7)可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图所示。方波三角波波形当a点闭合，即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。三角波的幅度为 （3-2-8）方波三角波的频率 （3-2-9）由式子（3-8）及（3-9）可以得出以下结论： 1.电位器RP2在调整方波三角波的输出频率时，一般不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围比较宽，则可用C2改变频率的范围，RP2实现频率微调。2方波的输出幅度约等于电源电压+Vcc 。三角波的输出幅度不超过电源

14、电压+Vcc。电位器RP1可以实现幅度微调，但会影响方波三角波的频率 三角波-à正弦波转换电路的工作原理三角波-à正弦波转换电路图差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。分析表明，传输特性曲线的表达式为： （3-3-1） Ic1=aIE1=aIo/1+e(-Uid/UT) （3-3-2）式中差分放大器的恒定电流；温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mV。如果Uid为三角波，设表达式为 （3-3-3）

15、式中Um三角波的幅度； T三角波的周期。 将式（3-3-3）代入式（3-3-2），得 4Um/T(t-T/4) (0<=t<=T/2)Uid= -4Um/T(t-3T/4) (T/2<=t<=T) （3-3-4） 波形变换过程如下图：三角波正弦波变换为使输出波形更接近正弦波，由图可见：A、 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；B、 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。C、 图为实现三角波正弦波变换的电路。其中Rp3调节三角波的幅度，Rp4调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波

16、分波形量，改善输出电路的参数选择与计算.1方波-三角波部分运放A1与A2用741，因为方波的幅度接近电源电压+VCC=+12V,-VEE=-12V.比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下。由式 （3-8）得 取 ，则R3+RP1=40K，取，RP1为47K的电位器。平衡电阻R1=R2(R3+RP1)=8k，取R1=8.2K由式（3-2-9）得即R4+RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2) 当100Hzf1kHz时， 取C2=0.1uF, 则10K<R4+RP2<100K,取R4=1k, RP2=100 k。 当1kHzf10kH时，取C1=0.01

17、uF以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻R5=10K。.2三角波>正弦波部分1、差分放大器元件参数确定取RC1=RC2=10 K,RB1=RB2=6.8 K,取I0=1.1mA, 而I0=(RE4/RE3)IREF (3-4-1)IREF=VEE-UBE/(RE4+R)=12-0.7/RE4+R (3-4-2)取RE4=R=20 K,代入(3-4-2)，得IREF=0.28 mA，将IREF=0.28 mA代入(3-4-1)，得RE3=5 K2、三角波>正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率不是很大，取C3

18、=47uF，C4=C5=470uF，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。这里取C6=0.1Uf, RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R的确定。电路的仿真4.1 方波波形上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f208Hz，V22V。4.2三角波波形上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f200Hz，V6V。4.3 正弦波波形上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f214Hz，V1.2V。4.4 方波-三角波转换电路的仿真上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f208Hz.4.5 三角波-正弦波转换电路的仿真上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f210Hz。5 小结一周的课程设计结束了，可以说在本次的课程设计中，我的