毕业设计（论文）-信号发生器的设计

1、四川信息职业技术学院 毕业设计说明书(论文) 设计(论文)题目: 信号发生器的设计 _ _ 专 业: 应用电子技术 班 级: 应电 08-2 学 号: 姓 名: 指导教师: 二一年十二月十日 四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书 学 生 姓 名 班级应电 08-2专业应用电子技术 设计（或论文）题目信号发生器的设计 指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注 设计内容： 设计一种能产生方波、正弦波、三角波的信号发生器 基本要求： 1.设计的信号发生器能够产生频率范围在 1KHz10KHz 2.输出电压:方波 Vp-p=24V；三角波 V

2、p-p8V；正弦波 Vp-p=1V 设计任务： 1.完成电路设计方案的选择并设计电路； 2.整机电路原理分析并正确选择电路元件； 3.绘制整机电路原理图并进行电路仿真或实物制作； 4.撰写较详细的设计说明书。 进度安排： 第 23 周：消化课题，收集相关资料，选择参考方案； 第 45 周：初步确定设计方案并熟悉部分器件的用途； 第 67 周：划分功能模块，设计单元电路； 第 89 周：分析电路原理，基本完成设计过程，撰写设计说明书初稿； 第 1011 周：修改、完善并调试设计电路，进行电路仿真或实物制作； 第 1213 周：按毕业设计的各项要求整理设计说明书并修改、完善，检查定稿； 第 14

3、周：熟悉设计全过程，准备答辩； 第 15 周：答辩。 主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)： 1 胡翔骏.电路基础简明教程.北京:高等教育出版社，2004 2 胡宴如.模拟电子技术（第二版）.北京:高等教育出版社，2004 3 杨志忠.数字电子技术（第二版）.北京:高等教育出版社，2003 4 陈晓文.电子线路课程设计.北京:电子工业出版社，2004 5 廖先芸.电子技术实践与训练.北京:高等教育出版社，2004 6 姜邈.电子线路课程设计指导书.北京:高等教育出版社，1993 审 批 意 见 教研室负责人： 年 月 日 备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，

4、指导教师一份。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) I 目录 摘要 .1 第 1 章绪论 .2 第 2 章方案论证及系统框图 .3 2.1 方案比较 .3 2.2 系统框图 .4 第 3 章单元电路设计 .5 3.1 方波三角波产生电路 .5 3.1.1 比较器电路 .5 3.1.2 积分电路 .6 3.1.3 参数计算与元件选择 .9 3.2 三角波正弦波产生电路 .10 3.2.1 差分放大器电路 .10 3.2.2 参数计算与元件选择 .11 第 4 章仿真电路与调试 .13 4.1 方波波形 .13 4.2 三角波波形 .14 4.3 正弦波波形 .14 4.4 方波转换三角波

5、 .15 4.5 三角波转换正弦波 .15 总结 .16 致谢 .17 参考文献 .18 附录 1整机原理图.19 附录 2元件明细表.20 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 1 页 共 20 页 摘要 信号发生器广泛应用于电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、 仪表和计算机等技术领域。采用集成运放和分立元件相结合的方式，利用迟滞比较器 电路产生方波信号，以及充分利用差分电路进行电路转换，从而设计出一个能变换出 三角波、正弦波、方波的简易信号发生器。通过对电路分析，确定了元器件的参数， 并利用仿真软件仿真电路的理想输出结果，克服了设计低频信号发生器电路方面存在 的技术

6、难题，使得设计的低频信号发生器结构简单，实现方便。 本设计是信号发生器的设计，主要由比较器、积分器、差分放大器构成，它能产 生频率范围为 1KHZ10KHZ 内的方波、三角波、正弦波。 关键词关键词 方波；正弦波；三角波；信号发生器 全套设计加扣全套设计加扣 33463894113346389411 或或 30122505823012250582 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 2 页 共 20 页 第 1 章绪论 凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被测 电路所需特定参数的电测试信号。 信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉

7、冲信号发生 器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。正弦信号是使用最广泛的测试信号。 这是因为产生正弦信号的方法比较简单，而且用正弦信号测量比较方便。正弦信号源 又可以根据工作频率范围的不同划分为若干种。 信号发生器能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形。其 电路中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） ， 也可以是集成电路（如单片集成电路函数发生器 ILC8038） 。本设计主要由集成运算放 大器与晶体管差分放大器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，如先产生正弦波，产生通过整形电路 将正

8、弦波转换为方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以先产生三角波方波， 再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波。本设计是先产生方波三角波，再将三 角波转换成正弦波的电路设计方法。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 3 页 共 20 页 第 2 章方案论证及系统框图 2.1 方案比较 本设计有以下三种方案： 方案一 DDS 信号发生器 DDS 信号发生器是利用采样定理，通过查表法产生波形，能产生任意波形并达到很 高的频率。但成本较高。其基本的系统框图如下： 相位累加器波形存储器 电路 D/A 转换器 电路 低通滤波器 电路 图 2-1 系统框图 方案二 555 信号发生器 采用 5

9、55 定时器制作的信号发生器，其外围电路相对复杂。这种方法能实现快速 频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、 分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且 容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。其基本的系统框图如下： 图 2-2 系统框图 方案三 由集成运算放大器和差分放大器组成的信号发生器 由比较器电路来产生方波，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， 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 4 页 共 20 页 抗干扰能

10、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。 通过以上的叙述采用方案一能产生精度和质量相对较高的信号用于试验科研和生 产，但其价格较高在要求不高的场合就没有必要采用这种方案。与方案二相比较方法 二虽说在价格方面比前者要低，但是其外围电路相对复杂，且调试不方便，应用时不 便于操作。结合了前两者考虑我选择了第三种方案，因为方案三中的比较器和积分器 使用起来比较方便，并且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。 2.2 系统框图 本设计系统框图由比较器产生方波，再经过积

11、分器得到三角波，最后经过差分放 大器得到正弦波。系统框图如下： 比较器积分器差分放大器 图 2-3 系统框图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 5 页 共 20 页 第 3 章单元电路设计 3.1 方波三角波产生电路 3.1.1 比较器电路 图 3-1 所示电路运算放大器与，及，组成一个迟滞比较器，称为1A1R2R3R1PR1R 平衡电阻。迟滞比较器的（被比信号）取自积分器的输出，通过接运放的反相输2oU1R 入端，迟滞比较器的（参考信号）接地，通过接运放的同相输入端。迟滞比较器RU2R 输出的高电平等于正电源电压+低电平等于负电源电压-。当= =0 时，1OUCCVEEVUU

12、比较器翻转，输出从高电平+翻转到低电平-；或从低电平跳到高电平+1OUCCVEEVEEV 。CCV R1 10k R2 10k R3 20k A1 RP1 47k Uo1 Uo2 +Vcc -VEE 图 3-1 比较电路 若=+，根据电路叠加原理可得：1OUCCV 231 231231 () P CCi PP RRR UVU RRRRRR 因=0，故比较器翻转的下门限电位为：RU2THU ）（ Vcc RR R U P TH 1 3 2 2 ）（Vcc RR R P1 3 2 若=-，根据电路原理叠加原理可得：1OUEEV 231 231231 () P CCi PP RRR UVU RRRR

13、RR 将上式整理，得比较器翻转的上门限电位为：1THU ）（ EE P TH V RR R U 1 3 2 1 ）（Vcc RR R P1 3 2 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 6 页 共 20 页 比较器的门限宽度为：THU CC P THTHTH V RR R UUU 1 3 2 21 2 由以上式子可得迟滞比较器的电压传输特性如图 3-2 所示。 图 3-2 比较器电压传输特性 3.1.2 积分电路 如图 3-3 运算放大器是反相积分器，它的输入信号就是的输出信号，加2A1A1oU 于反相输入端，分析积分电路工作原理，实际上是在反相放大器的反馈支路中，将反 馈电阻换成了

14、电容 C 。 根据集成运算放大器理想化条件中的两个条件： 1.开环(差摸)增益为无穷大，和为运算放大器同相端与反()OAUUUUU 相端输入电压。输入电阻(即开环差摸输入电阻)为无穷大。可以得出两条重要推论：ir （1）即 （2） = =00()0UUUAUUiii RP2 100k R510k C110nF A2 Uo1 Uo2 +Vcc -VEE 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 7 页 共 20 页 图 3-3 积分运算电路 a) 输入正阶跃电压 b) 输入方波信号 图 3-4 波形图 2.两重要推论是进行集成运算放大器的近似分析的基本出发点，由此可以得出反 相放大器的反相

15、输入端为“虚地”概念，在积分运算电路中，由于 =0，故有i ，根据反相输入运算放大器反相输入端为虚地有：11fiiU R 1 11 OCfttUVidU d CRC 即输出电压与输入电压对时间的积分成正比，负号表示输出电压与输入电压的极 性相反。 当输入为一阶跃电压信号时，为常数，电容 C 将以恒流充电，输出电压随时间fi 按线性规律变化。波形如图 3-4 所示。 当输入为方波信号时，在方波的正半周，朝下积分，在方波的负半周，1OUOU 朝上积分，周而复始，输入为方波信号时，输出得到三角波信号。运放与，0U2A4R ，及组成反相积分器。其输入是前级输出的方波信号，从而可得积分器的2PR1C5R

16、1OU 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 8 页 共 20 页 输出为：2OU 21 421 1 () OO P UU dt RRC 当时，电容被充电，电容电压上升：2OUCCV 1C2OU 2 421() CC O P V Ut RRC 即线性下降。2OU 图 3-5 方波三角波 当（即）下降为= 时，比较器的输出状态发生翻转，即2OUiU2OU2THU2A2OU 由高电平变为低电平，于是电容放电，电容电压下降，而:1OUCCVEEV1C2OU 2 421421 () ()() EECC O PP VV Utt RRCRRC 即线性上升。2OU 当（即Ui）上升到=时，比较器A

17、1的输出状态又发生翻转，即2OU2OU1THU1OU 由低电平变为高电平，电容又被充电，周而复始，震荡不停。输1OUEEVCCV1C1OU 出是方波，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，可见当积分器地输入为2OU 方波时，输出的是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形关系入图 3-5 所示。 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。 由图 3-5 可知，三角波的幅度为:2O mU 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 9 页 共 20 页 2 2 31 O mCC P R UV RR 的下降时间为，其中2OU 2 121() O THTH t dU tU

18、U d 2 42)1( OCC tP dUV dRRC 的上升时间为，其中 2OU 2 212() O THTH t dU tUU d 2 42)1( OCC tP dUV dRRC 把和的值代入，得三角波的频率为：1THU2THU 1242 13 )(4CRRR RR f P P 由和的表达式可以得出以下结论：f2O mU 1.使用电位器调整方波三角波的输出频率时，不会影响相互出波形的幅度。2PR 若要求输出信号频率范围较宽，可用改变频率的范围，实现频率微调。1C2PR 2.方波的输出幅度应等于电源电压，三角波的输出幅度不超过。电位器CCVCCV 可实现幅度微调，但会影响方波三角波的频率。2

19、PR R1 10k R2 10k R3 20k A1 RP1 47k +Vcc -VEE RP2 100k R510k C110nF A2 +Vcc -VEE R4 1k 图 3-6 方波三角波转换电路 3.1.3 参数计算与元件选择 如图 3-1 所示，其中运算放大器与用一只双运放。因为方波的幅度接1A2A747uA 近电源电压，所以取电源电压，。12CCVV 12EEVV 比较器与积分器的元件参数计算如下：1A2A 22 31 41 123 O m PCC RU RRV 取R2=10k，取R3=20k，RP1=47k，平衡电阻 k1231/ /()10pRRRR 由输出频率的表达式得： 四

20、川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 10 页 共 20 页 fCR RR RR p p 12 1 3 2 4 4 当 1KHz10KHz 时，取=10nF，=1k，=100k，取平衡电阻 f1C4R2PR =10k。5R 3.2 三角波正弦波产生电路 3.2.1 差分放大器电路 本设计选用差分放大器作为三角波正弦波的变换电路。波形变换的原理是：利 用差分对管的饱和与截止特性进行变换。分析表明，差分放大器的传输特性曲线 Ic1(或Ic2)的表达式为： (3-1) 0 11 (/) 1 idT CE VV aI IaI e 式中，；I0为差分放大器的恒定电流；VT为温度的电压当量，当室1

21、/ EC II 温为 25时，mV。26 T V 如果为三角波，设表达式idV ) 4 3 ( 4 ) 4 ( 4 Tt T V T t T V V m m id ) 2 ( ) 2 0( Tt T T t (3-2) 式中，为三角波的幅度；T为三角波的周期。mV 将(3-1)代入(3-2)计算，则 ) 4 3 ( 4 0 ) 4 ( 4 0 1 1 1 )( Tt TV V T t TV V c T m t m e I e I ti ) 2 ( ) 2 0( Tt T T t (3-3) ic1(t)或ic2(t)曲线近似于正弦波，则差分放大器的输出电压Vc1(t)、Vc2(t)也近 似于正

22、弦波，波形变换过程如图 3-7 所示。为使输出波形更接近正弦波，要求： 1.传输特性曲线尽可能对称，线性区尽可能窄； 2.三角波的幅值应接近晶体管的截止电压值。mV 图 3-8 为三角波正弦波的变换电路。其中，RP3调节三角波的幅度，RP4调整电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 11 页 共 20 页 地对称性，并联电阻用来减小差分放大器地线性区。C3、C4、C5为隔直电容，C6为1eR 滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。 图 3-7 三角波正弦波变换 C2 470uF C4 470uFC3 470uF C5 50nF RP3 4.7k RP4 8k T3 T2T1 T

23、4 Re2 2k Rc2 10k Rb1 6.8k Rb2 Re4 8k Re3 2k Re18k Rc1 10k -V EE V CC 图 3-8 三角波正弦波产生电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 12 页 共 20 页 3.2.2 参数计算与元件选择 三角波正弦波变换电路的参数如下： 因为三角波频率不高，所以隔直电容C2、C3、C4的值应取得稍大，这里取 C2=C3=C4=470uF。滤波电容C5根据输出的波形而定；若含高次谐波成分较多，C5可取得 较小，一般为几十皮法至几百皮法。Re1=8k 与RP4=8k 相并联，以减小差分放器的 线性区。差分放大电路的静态工作点主

24、要由恒流源Io决定，故一般先设定Io。Io取值 不能太大，Io越小，恒流源越恒定，温漂越小，放大器的输入阻抗越高。但Io也不能 太小，一般为几毫安左右。这里取差动放大的恒流源电流Io=1mA，则A1=A2=0.5mA，从 而可求得晶体管的输入电阻： 26() 300(1) 2 be O mV R I 为保证差分放大电路有足够的输入电阻，取20k，根据=2(+)得iririrbeR1bR1bR 6.6k，故取=6.8k 因为要求输出的正弦波波峰值大于 1V，所以应使差动放1bR2bR 大电路的电压放大倍数Au40。根据Au的表达式： 2() L u bbe R A Rr 可求得电阻，进而选取=1

25、0k。发射极电阻一般取几千欧姆，这里选LR1CR2CR 择=2k。 2eR3eR 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 13 页 共 20 页 第 4 章仿真电路与调试 本设计采用的是软件 Mulitisim10.0 来进行的仿真，Mulitisim 的前身为 EWB （Electronics Workbench）软件。它以界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易 学易用等突出优点，早在 20 世纪 90 年代初就在我国得到迅速推广，并作为电子类专 业课程教学和实验的一种辅助手段。世纪初，21 EWB 5.0 更新换代推出 EWB6.0，并更 名为 Mulitisim 2001；20

26、03 年升级为 Mulitisim7.0；2005 年发布 Mulitisim8.0 时其 功能已十分强大，能胜任电路分析、模拟电路、数字电路、高频电路、RF 电路、电力 电子及自动 控制原理等个方面的虚拟仿真，并提供多达 18 种基本分析方法。 首先按照信号发生器的设计原理图在仿真软件中连接原理图，并连接原理图的过 程中注意元件的参数设置，在 Mulitisim10.0 仿真软件中连接好原理图后，设置好参 数，经过电气规则检测无误，然后用示波器检测输入端输出波形。 4.1 方波波形 方波波形仿真如图 4-1 所示，方波波形的频率1KHz, 峰峰值24V。fppV 图 4-1 方波波形 四川信

27、息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 14 页 共 20 页 4.2 三角波波形 三角波波形仿真如图 4-2 所示，三角波波形的频率1KHz, 峰峰值6V。fppV 图 4-2 三角波波形 4.3 正弦波波形 正弦波波形仿真如图 4-3 所示，正弦波波形的频率1.5KHz, 峰峰值f 1V。ppV 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 15 页 共 20 页 图 4-3 正弦波波形 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 16 页 共 20 页 4.4 方波转换三角波 方波转换三角波仿真如图 4-4 所示，方波波形的频率1KHz, 峰峰值f 24v。三角波波形的频率1KH

28、z，峰峰值6V。ppVfppV 图 4-4 方波转换三角波 4.5 三角波转换正弦波 三角波转换正弦波仿真如图 4-5 所示，三角波波形的频率1.2KHz, 峰峰值f 5V，正弦波波形的频率1.5KHz，峰峰值1V。ppVfppV 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 17 页 共 20 页 图 4-5 三角波转换正弦波 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 18 页 共 20 页 总结 该设计电路通过先产生方波-三角波，再将三角波变换成正弦波，最终艰难而曲折 的把简易信号发生器设计了出来。 虽然在该设计之初，我已对一个完整课题的设计有一定的基础了解，但是在格式 和综合运用

29、各方面等方面还存在较大的问题。通过在指导老师等帮助下，我首先用了 一段时间对模拟电路的知识进行了温习，最后对各个需要用到的知识有了一定的掌握 和分析能力。 在这之后的几个星期中，我计划的安排了设计时间，即此设计的需求分析、总体 设计、详细设计等步骤，分阶段地完成各设计任务。接着，根据设计任务书以及需求 分析的要求，对设计内容进行规范化和具体化。 总之，经过这次毕业设计，我感觉自己从理论到实际操作都有很大的提高，也深 刻认识到要完成一项任务，首先必须要有一个详细周密的计划，系统的思维方式与方 法。对待一个新的问题要有耐心，要善于运用已有的资源来解决，其次要勇于实践， 在实践中发现和解决问题，要相

30、信自己有解决问题的信心和能力。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 19 页 共 20 页 致谢 在这里，我首先向我的指导老师王萍致以深深的谢意，也感谢同学们给我的帮助 和鼓励，更感谢所有在毕业设计中帮助过我的老师和同学们。 我的毕业设计是在王老师的亲切关怀和耐心指导下完成的。他严肃的科学态度， 严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项 目的最终完成，王老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，使我克服一个个的困 难和疑惑。在整个毕业设计过程中，他们都给予了我极大的关心和帮助，并对我的毕 业设计进行了悉心的指导。王老师定期检查我的设计进度，对于设计中

31、出现的问题都 给我及时纠正，正是由于他的耐心指导，我才能顺利的完成整个设计。从他的身上我 不仅学到了设计的思想，还学到了严谨的学风和敬业的精神。 由于我的知识浅薄，经验不足及阅历颇浅，因此，在该方案的设计方面还有很多 不足，比如功能不够完善，我会在工作的使用过程中，根据工作的具体要求不断的修 改、完善，争取使之慢慢趋于完美。 我感谢大学三年来所有教过我的四川信息职业技术学院的老师们，是他们传授了 有用的专业知识给我，使我在整个毕业设计过程中能游刃有余的发挥，在此向他们致 以深深的谢意。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 20 页 共 20 页 参考文献 1 胡翔骏.电路基础简明教程.北京:高等教育出版社，2004 2 胡宴如.模拟电子技术（第二版）.北京:高等教育出版社，2004 3 杨志忠.数字电子技术（第二版）.北京:高等教育出版社，2003 4 陈晓文.电子线路课程设计.北京:电子工业出版社，2004 5 廖先芸.