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多用 信号发生器 系统 设计 机械设计 图纸 文档

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专 业 课 程 设 计 指 导 书 专 业： 机械工程专业方向： 机械制造及其自动化机电学院机械工程系 年12月目 录第一部分 机床主传动系统设计1第一章 概述1第二章 机械制造装备课程设计的方法步骤和要求321 分析研究题目、进行运动设计322 主要零件的计算与初算423 结构设计绘制部件装配草图724 验算主要零件825 绘制正式部件装配图1326 装配图的尺寸标注1427 整理设计内容，编写设计计算说明书16附 录18第二部分 数控工作台机械部分设计22第一章 概述22第二章 工作台结构及参数设计24第三章 步进电机的选择28参考资料30设计说明书书写要求3132第一部分 机床主传动系统设计第一章 概述一. 机械制造装备课程设计的目的机械制造装备课程设计是在学生学完机械制造装备设计课及其它先行课程之后进行的实践性教学环节，是学生进行设计工作的基本训练。目的在于：1、 通过机床主传动系统的机械变速机构设计，使学生树立正确的设计思想和掌握机床设计的基本方法；2、 巩固和加深所学理论知识，扩大知识面，并运用所学理论分析和解决设计工作中的具体问题；3、 通过机械制造装备课程设计，使学生在拟订机床主传动机构、机床的构造设计、各种方案的设计、零件的计算、编写技术文件和设计思想的表达等方面，得到综合性的基本训练；4、 熟悉有关标准、手册和参考资料的运用，以培养具有初步的结构分析和结构设计计算的能力。二、机械制造装备课程设计的内容和工作量为满足教学要求，达到上述目的，机械制造装备课程设计的题目一般拟订为通用机床主传动系统的变速箱部件设计。学生应在规定时间内，独立完成下列计算工作量：1、运动设计 学生根据设计任务书所给定的参数和设计要求，在明确所设计机床用途及主要技术性能的基础上，拟订结构网、转速图，确定齿轮齿数，并核算主轴转速误差，画出传动系统图。2、动力设计 根据给定电动机功率，计算主要零件的尺寸，选择材料，验算主要传动件的应力、变形以及寿命等，是否在允许的范围内。3、机构设计 将运动设计所确定的机床主传动系统（其中包括传动轴系、变速机构、主轴组件、换向、制动、操纵机构、润滑密封等）布置在展开图和截面图内，一般要完成零号图纸1张。4、 编写设计计算说明书一份。详细的设计内容和工作量可见和指导教师的具体布置。 三、机械制造装备课程设计的方法步骤和要求（略，详见本指导书第二章。）四、学时分配、计划进度安排 本次课程设计集中安排三周。根据设计工作程度及对学生的要求，计划进度大致安排如下： 1、理解题目，阅读 指导书 ，拟订总体方案，进行运动设计 2天 2、动力设计主要零件的计算和初算 5天 3、结构设计绘制装配草图 2天 4、验算主要零件 1天 5、绘制正式装配图 2天 6、整理、编写设计计算说明书 2天 7、答辩 五、机械制造装备课程设计成绩考核机械制造装备课程设计结束后，由教研室指派有关教师对学生课程设计进行全面考核，重点考核以下几个方面：1、 工作态度、设计中的表现；2、 刻苦钻研精神，独立工作能力，综合运用所学知识能力；3、 设计图纸和说明书质量；4、 答辩时回答问题情况。综合以上情况，评定学生课程设计成绩。成绩分优、良、中、及格、不及格五级。 第二章 机械制造装备课程设计的方法步骤和要求21 分析研究题目、进行运动设计一理解题目学生在接受机械制造装备课程设计题目之后，应仔细阅读机械制造装备课程设计任务书，了解机课程设计的目的、内容、设计步骤和要求。然后在教师指导下开展设计工作。要理解给定的题目，对设计参数进行分析、研究；明确所设计机床的用途和主要技术性能。二拟订主传动系统总体结构方案根据设计题目中所提出的要求及所设计机床的用途，主要技术性能，并参考同类型机床，拟定主传动系统总体结构方案（及其理由），大致包括：传动形式、变速方式、换向及开停机构、制动机构、润滑装置,操纵机构的选择;变速箱的安装定位方式的选择;电机轴与第轴的联接方式等等.三运动设计关于运动参数,已经统一给定,学生不必花费太多时间去研究,但应该明确参数中 的极限转速值nmin和nmax的确定方法,变速级数Z、 值的大小对机床性能的影响,根据给定的运动参数,完成下列工作:1、依据给定参数(nmin、 nmax、Z、),查表确定主轴的各级标准转速,有时要考虑混合公比。2、列出各种结构和结构网,根据有关原则,通过分析,比较,确定其中最佳方案。3、设计转速图,根据拟订转速图的原则,确定速比的绝对值,画出转速图。4、确定齿轮齿数,用计算或查表法确定齿轮齿数.在确定齿数和Sz时应注意:1）控制齿数和Sz =70100,Szmax 120,最小齿轮齿数Zmin 18 20;2）小齿轮齿根和孔壁或键槽处的壁厚a(1.52) m,或Zmin6.5+2T/m,m为齿轮模数,T轴线到键槽的高度.3）保证两轴承孔之间有一定的壁厚a23 m,或Sz2 (D1+D2)/2+a /m,D1,D2分别为相邻两轴承外径. 4) 应保证轴间有足够的中心距,使车床:轴上齿轮不碰轴上摩檫离合器,铣床:不碰电磁制动器.5) 在三联滑移齿轮块中,最大齿轮齿数与其相邻大齿轮齿数之差应4,以保证滑动时顺利通过,不碰撞。6） 选齿数较大的一个作公用齿轮.齿轮齿数确定后,标注在转速图中相应的传动副连线上。5、核算主轴转速误差,齿轮齿数确定后,主轴的各级实际转速即确定,它与主轴的标准转速总会产生一定的误差,应进行核算。误差一般不应该超过10(-1)%,即应满足:n实n标/ n标10(1)%一般将转速误差的核算列成如下的表格形式:计算式n实n标误差允许值10(1)%结论6、绘制传动系统图1）轴,齿轮,离合器,制动器的排列位置,编号应与将要绘制的展开图相一致。2）标写出电动机的型号、功率、转速、皮带轮直径D1、D2;皮带根数要画上;标写轴号、齿轮的齿数模数。3） 展开图的轮廓线、传动件和执行件的画法要符合制图标准规定。22 主要零件的计算与初算 初步计算主要零件的目的,是为了大致确定传动件零件的主要尺寸,如皮带轮直径,齿轮模数,传动轴直径和主轴轴径等,以便绘制主轴箱的轴系展开图。一. 皮带设计皮带设计的已知条件是:电机功率Nd,转速比i,电机转速nd,计算带轮直径D1、D2,皮带的型号,根数Z，压轴力Q等。设计原则是不打滑,有足够的寿命,传递最大功率,具体设计方法步骤可参阅1p68表5.24, p71表5.210。二齿轮模数的初算在计算齿轮模数和传动轴直径时需要用到其计算转速nj和传递功率Ni,因此应先将各种传动轴和有关齿轮的计算转速nj和各传动轴所传递的功率Ni确定下来,以备计算中使用。1) 只算定比、各变速组中小齿轮的模数。2) 选定标准模数,考虑种类少一些,取一种或两种。首先确定主轴的计算转速,再根据主轴的计算转速图上查取各传动轴和各齿轮的计算转速。各轴和齿轮传递的功率Ni=N总 , 总由电机到该传动件各传动副的效率相乘,但不乘入该轴承的效率。效率值见1p4表5.15。一般同一变速组中的齿轮取同一模数,选择负荷最重的小齿轮按简化的接触疲劳强度公式进行初算:式中:mj按接触疲劳强度计算的齿轮模数, mm Nd驱动电机功率, Kw nj计算齿轮的计算转速, rpm i大齿轮齿数与小齿轮齿数之比,i1;Z1小齿轮齿数;m齿宽系数; m=/ (B为齿宽,m为模数)一般m = 610;j许用接触应力,当 45#调质(T235) j =600Mpa (N/mm2) 45#整体淬火(C42) 1100 (N/mm2) 45#高频淬火(G54) 1370 (N/mm2) 40Cr调质(T265) 650 (N/mm2) 40Cr整体淬火(C48) 1250 (N/mm2) 40Cr高频淬火(G52) 1370 (N/mm2)齿轮模数初算后,根据齿轮精度等级所允许的线速度(见1p225表5.452),要核算高速传动齿轮的线速度( )是否超过允许值。三.传动轴直径的初算 传动轴的直径可按下列扭转刚度公式进行计算:或 式中: d危险断面处轴的直径,当有一个键槽时,可增大45%,当有两个键槽时,可增大710% ;花键轴内径可减小7%,计算后要圆整到标准直径系列,花键轴系列标准见1P554表5.817; Tn该轴传递的额定扭矩, N.mm ； Ni该轴传递的功率,Kw nj该轴的计算转速,rpm 该轴每米长度上允许的扭转角; 一般传动轴=0.51; 要求较高的轴 0.10.5o 要求较低的轴 1.52o计算传动轴直径时,尺寸相接近的尽量取一致,以便于加工轴和孔,统一刀具和量具。一般将计算结果列成表格形式,如:轴号Ninjd初d取 花键轴尺寸 备注四. 主轴轴径的确定对通用机床的主轴尺寸参数多由结构上的需要而定,故主轴前轴颈的尺寸按下表所列的统计数据确定。通用机床主轴前轴颈尺寸(mm)机床 主轴的驱动功率(KW)2.8445.55.57.5车床70907010595130铣床6090609075100普通车床主轴前轴颈的直径D1,后轴颈的直径D2及内孔直径d可按统计公式酌定:D1=0.2Dmax15 (mm)D2=(0.70.85)D1 (mm)d=0.1Dmax10 (mm)式中: Dmax最大加工直径,(mm) 由于初步计算是在绘制装配图之前进行,零件的尺寸、形状和位置尚未确定,在绘制正式装配图过程中变化也比较大。因此,各零件尺寸的初算,不详细计算,待装配图绘制之后,还需仔细验算。所以,零件尺寸的初算不用花费过多时间,但齿轮模数计算一定要正确,必要时可以结合类比法确定。23 结构设计绘制部件装配草图 绘制部件装配草图的目的,是大致确定变速箱部件中各主要传动件(如齿轮、轴、轴承、离合器和箱体等)的轮廓尺寸、形状和相对尺寸等。部件装配草图是在主要零件尺寸初算的基础上绘制的,又是作为校核验算零件尺寸的依据、草图绘制不必过分细致,但部件中各主要零件要全,尺寸要准确,布局要合理。 装配草图的设计依据是已确定的主传动系统总体结构方案;传动系统图;零件的计算与初算;参考同类型机床的装配图。一般绘制成1:1的展开图一张,M1:2的截面图一张(主要用于表示轴的空间位置和部分操纵机构)。部件装配草图的画法,可以参考同类型机床的装配图,布置齿轮的轴向位置,研究齿轮的排列方式.如果需要限制轴向尺寸,可采用公用齿轮或齿轮交替布置,或增加定比传动机构。要注意滑移齿轮要有足够的轴向空间,保证滑移齿轮完全脱开后,才进入新的啮合。传动轴及轴上零件的轴向定位方式要简单可靠,又要便于装拆和调整等。根据主轴组件设计的理论知识,参考结构图册或同类型机床的结构,选择合理的主轴组件的结构,包括轴承类型、配置与调整、主轴前端结构(可参考附录3) 、主轴的轴向定位方式等。考虑问题要全面,除传动机构、变速机构外,尚须注意离合器、制动器、操纵机构和润滑密封装置等,都要统盘考虑,选择的形式、布局等要结合截面(或剖视)图,注意空间位置是否会干涉或与移动件相碰撞。草图绘制完毕后,要请指导教师审阅。24 验算主要零件 根据部件装配图所确定的零件尺寸和各零件间的相互位置关系,分析其受力状态,作用力的大小、方向和着力点位置等,对主要零件进行比较精确的验算。为了节省时间减少重复的计算工作,可由指导教师指定验算的零件和验算内容。但学生应明确这些零件一般都是工作情况严重、支承载荷较大。验算时要着重掌握对问题的分析和计算的方法。当验算结果不能满足性能要求时,可以改变零件材料、热处理方法或修改部分结构,甚至有时要改变原设计方案。一.齿轮模数验算一般按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度验算,选取某轴上承受载核最大的齿轮,即同材料、同模数齿轮中齿数最少、齿宽最小的齿轮进行验算。验算的已知条件为一对啮合的齿轮齿数Z1、Z2,模数m,齿轮传递的功率N,齿轮的精度等级(如88 7 GB/T10095.12001),齿轮材料为45或40Cr,进行高频淬火G52,转速图。其验算公式为1P258表5.482,表5.483;、 按接触疲劳强度验算、 按弯曲疲劳强度验算 式中 ，、0分别为按接触疲劳强度和按弯曲疲劳强度计算所允许传递的最大功率，Kw；、0分别为在基本条件下，按接触疲劳强度和按弯曲疲劳强度计算的Z1、m所允许传递的功率，Kw；0由1P254表5.480查取；0由1P254表5.481查取。这里基本条件是指：（1）齿轮材料为45钢，调质T235; (2) 非变位直齿圆柱齿轮； （3）齿数之比i=1; (4) 10 （5）小齿轮的计算转数n=1000rpm; (6) 加工装配精确； （7） 寿命系数 。凡不符合上述基本条件者，在实际使用时 ，就要按上述两公式，通过相应的系数进行折算。i大齿轮与小齿轮齿数之比， 尺宽系数 nj该齿轮的计算转数，rpm; K材料的弹性模量，由1P259表5.484；Kcj、Kcw分别为材料的接触和弯曲性能系数，由1P259表5.484。 K1载荷集中系数，由1P259表5.487。 K2动载荷系数，由1P260表5.487。 Ksj、Ksw寿命系数，决定因素较多，计算比较复杂，详见1P259(7)。经计算，在此给定：（车床）（铣床） 啮合角影响系数，非变位齿轮 Ksw0.85啮合角影响系数，非变位齿轮；齿形系数，非变位外啮合直齿圆柱齿轮； N齿轮实际传递的功率，Kw。二传动轴刚度验算选择一根受载最重的传动轴（一般是主轴前一根传动轴，或指导教师制定），核算其装齿轮处产生的挠度y和装轴承处产生的倾角、为什么要进行传动轴刚度的核算？（略，详见1P351：六），验算步骤如下：1.计算轴的平均直径，画出计算简图 机床上等径轴较少，当轴的直径相差不大时，可把轴看作等径轴，采用平均直径（各直径之和除以直径数）来进行计算，即阶梯轴 d平花键轴 d平（d外d内）/2一般常将轴简化为集中载荷下的简支梁，选择该轴上转速最低，受力最大的大齿轮（被动）传入该轴，选择该轴上最小的齿轮（主动）传出，这两个齿轮处的受力为载荷点进行计算。其受力简图为图一。2.计算该轴传递的扭矩Tn; 式中 Ni该轴传递的功率，Kw; nj该轴的计算转速，rpm;3.求作用在装齿轮处B点的力切向力 径向力 式中，d齿轮的分度圆直径，d=mZ;压力角，标准齿轮200 ；摩擦角，4.求作用在装齿轮处C点的力若传入轴、该轴、传出轴三根轴在空间位置的轴心连线夹角小于150 ，可以认为三轴心在同一直线上（如铣床），按照上面求B点力的方法，求出C点力即可。若三轴心不在同一直线上（夹角大于150时）需进行坐标转换，将后一对齿轮（C点）啮合力（、）投影到前一个坐标（关于X、Y的坐标）之后，在进行挠度计算，车床大都属于这种情况。如下图所示：5.计算装齿轮处的挠度应用1P255表5.816公式，由表5.817中查取轴的惯性矩I，E=2.1100kgf/cm2 2.1103N/mm2,在计算中要注意单位的统一，以防出现差错，力的单位用N，长度单位用mm。另外在应用表5.816中公式进行计算时一定要注意计算简图中a、b、x值的相应改变。一般将计算结果列成表格形式（表中给出所有公式）：第（ ）轴装齿轮B、C处挠度计算位置坐标方向由作用在B点的力产生的挠度由作用在C点的力产生的挠度各坐标迭加合成挠度y允许值y结论BX载荷点公式XBB任意点a段内公式XBCXB= XBB XBCyB=(XB2YB2)0.5表5.814合格YYBBYBCYB= YBB YBCCX任意点b段内公式XCB载荷点公式XCCXC= XCB XCCyC=(XC2YC2)0.5表5.814否YYCBYCCYC= YCB YCC第（ ）轴装轴承处(A、D)的倾角计算位置坐标方向由作用在B点的力产生的倾角由作用在C点的力产生的倾角各坐标迭加合成倾角允许值结论AX左支承公式XB左支承公式XCXA =XB XCA=(XA2YA2)0.5表5.814合格YYBYCYA =YB YCDX右支承公式XB右支承公式XCXD =XB YCD=(XD2YD2)0.5表5.814否YYBYCYD =YB YC6.计算轴承处的倾角应用表5.8-16公式进行计算，在计算中同样应注意计算简图中a、b值相应改变。一般将计算结果列成表格形式（表中给出所用公式见P18表格）。三、轴承寿命验算轴承受循环接触应力后产生疲劳剥落（龟裂），多长时间才能剥落，即寿命。寿命是指轴承的内圈、外圈、滚动体三者中。其一出现疲劳剥落即为到寿命，寿命以小时（h）数表示之。应满足 LhT式中，Lh额定寿命。hT工作期限，hT的确定机床大修期为8年，每年工作300天，按每天2班制，每班8小时，则总时数为 83102838000h实际机动时间为1050，则 T30000（0.40.5）1500020000h通常为设计方便，更换不难，取T=10000h即可额定寿命的计算 式中，n轴承（即轴）的计算转速，rpm; 寿命指数，球轴承3，滚子轴承10/3； C额定动负荷，N，查1P670,十四； P当量动负荷，N, P=XFr+YFa式中，Fr径向负荷，N,由求支反力解出； Fa轴向负荷，N； X径向系数，由1P584表5.918； Y轴向系数，由1P584表5.918；轴承寿命是个统计数，大多数（90以上）轴承的实际寿命比它的统计寿命长，如验算结果额定寿命达不到工作期限（相差不太大时），仍可使用，采用提前一、二年更换的办法亦可。25 绘制正式部件装配图根据草图验算的结果进行必要的修改，把该表示出来的零件清晰正确地绘制在正式装配图上。绘制正式装配图时机械制造装备课程设计的重要阶段，是前阶段的工作总结，是设计思想的表达。部件装配图包括展开图和剖面图：一、设计部件装配图时，学生应对下列问题进行全面分析和比较1、选用零件类型、结构、主要尺寸、材料、热处理和该零件在部件中的固定方法等。这些零件包括：齿轮、轴承、离合器、制动器、换向机构、润滑密封装置、各类轴、轴套和箱体等。2、确定部件中各零件的位置、相对位置关系及主要尺寸（定位尺寸、移动件的行程极限位置尺寸、主要配合尺寸等）、联接方法、配合性质以及滚动轴承预紧及其精度选择等。3、零件设计应尽可能遵守标准化、通用化的原则，凡是能用标准件的一定采用标准件，如螺钉、螺帽、轴承、键、垫圈、弹簧、挡圈、销钉、法兰盘等。4、要注意变速箱部件在机床上的定位，安装方法及其加工基面；各传动轴的轴向定位及其间隙调整方法；运动件的润滑及其润滑系统设计；主轴组件的轴向定位、间隙调整、润滑方式；皮带轮的卸载装置；摩擦离合器的调整、受力分析和设计原则等。二、绘制装配图的方法步骤1、在画装配图之前，按部件装配草图的轮廓和结构布置，要统盘考虑全面安排，土面布局要匀称。一般采用1：1的比例，必要时可放大或缩小。然后按传动轴的先后顺序，画出各轴心线的距离，以及各传动轴上的齿轮位置。2、绘制展开图时要结合剖面图，要结合考虑操纵机构、各轴的空间位置、制动器、换向机构等。当然操纵机构等在总布置前应确定方案，由于时间关系，在课程设计中，操纵机构根据情况由指导教师研究确定其形式，学生不必花过多的时间。零件的位置及其相互关系，一般由装配图的“内部向外”画，同时又要考虑装配图的外观轮廓由“外向里”排列。车床主轴箱长、宽、高尺寸比例以6：5：4为宜。3、适当考虑加工工艺性，要注意部件装配工艺的可能性，特别是主轴和其它较长的传动轴。有时就是由于零件的结构工艺性不好或零件组装时无法安装，不得不改变原设计方案。还要注意有调整间隙的组件（如滚动轴承、摩擦离合器和制动器等）要调整方便，易损件容易更换等。4、部件装配图的底图（或微机草图）绘制完成后，应请指导教师审核，方可加深（或出图）。26 装配图的尺寸标注由于设计时间所限，并减少重复工作，在对装配图进行尺寸标注时，可根据指导教师的要求，选择一些尺寸进行标注。这些尺寸大体包括：部件的外形尺寸；性能尺寸；主要联系尺寸；移动件的极限位置尺寸；主要零件间的配合尺寸等，现分别叙述如下：一主要尺寸标注1、外形尺寸：主轴箱部件长、宽、高尺寸；2、性能尺寸：车床主轴中心高HD/2（25）；3、主要联系尺寸：1） 车床主轴中心线和床身对称线距离一般为912;2） 车床中心至主轴箱前面的距离；3） 车床主轴前端锥孔按标准莫氏锥度；4） 铣床主轴中心线至横梁底面距离150；5） 铣床主轴前锥孔锥度7：24，主轴前端外径和孔径为：外径 101.6h5，孔径 57.15外径 88.882h5,孔径 44.456)主轴或一根传动轴的轴向尺寸(成链)4、移动件的轴向位置尺寸：1） 滑移齿轮的极限位置尺寸；2） 拨叉极限摆角（铣床）。5、中心距尺寸：公差按标准侧隙，由1P236表5.460。二主要配合尺寸的标注1、 主轴（滚动）轴承配合：1）三支承的主轴主件车床：前支承（D3182100型）外环与孔配合K6， 中间支承 外环与孔J6，内环与轴径K5， 后支承 外环与孔J7，内环与轴径K6铣床：前支承 外环与孔K6，内环与轴径n6, 中间支承 外环与孔K6，内环与轴径js6, 后支承 外环与孔J7，内环与轴径js6.2)双支承的主轴组件 车床：前支承（D3182100型）外环与孔K7， 后支承 外环与孔J6，内环与轴径k5。2、 传动轴承配合：外环与箱体孔J7，内环与轴径k6。3、 花键轴的配合（例如）：1)、滑动：638H7/f732H12b1212D9f92）、固定：638H12b1212D9f94、 用键传递扭矩时，轴与孔的配合，如80H7/k65、 滑块与拨叉的配合，如12H9/f9三装配图中零件的标注方法对上述尺寸进行标注之后，应对全部基本件进行编号。标准件、通用件和借用件，可只标注其标准代号、规格和数量，而不编排其序号和代号。在编号、标注时应注意以下几点：对上述尺寸进行标注之后，应对全部基本件进行编号。标准件、通用件和借用件，可只标注其标准代号、规格和数量，而不编排其序号或代号。在编号、标注时应注意以下几点：1、 专用件、标准件要分开标注；2、 件号按顺序（逆）时针方向依次标注；3、 件号引线不能交叉。最后画出标题栏和零件明细表（明细表可附在说明书中）。 27 整理设计内容，编写设计计算说明书部件装配图加深之后，仍须对全部设计图纸进行全面仔细检查，如果发现有错误或遗漏，要及时修改或补充。机床课程设计计算说明书，是在整个设计过程中逐步积累而成，平时要注意对计算草稿、方案选取理由、公式系数查找资料的出处、要及时整理记录下来，以免在整理说明书时，重新查找，设计完成后，只是最后稍加整理、修改和编写未完成部分，最后装订成册，附上机床传动系统图和零件明细表。说明书的编写要仔细认真，叙述清楚，说明简练、文理通顺、书写工整，字数在8千1万字左右，一般不应少于20页。在编写时，具体格式顺序要求大致如下： 第1页 目录 第2页 机床课程设计任务书 第3页 设计计算内容说明包括：一、 机床用途及主要技术性能二、 变速箱总体结构方案的拟定三、 运动设计四、 主要零件的设计与计算五、 结构设计因结构设计的主要内容是反映在装配图中，在此可主要说明以下方面的内容：1、箱体长、宽、高轮廓尺寸及有关零件间相互位置尺寸的确定与计算。2、对操纵机构的设计说明：1) 车床应验算在单边拨动时，是否满足不自锁的条件；2) 铣床操纵机构草图的有关计算和说明，包括：a） 转速排列表及对应的转速图；b） 操纵原理图（杠杆比）；c） 凸轮草图。3) 轴转速标牌（列表说明）4) 在结构设计方面其它需要说明的问题等。六、 主要零件验算七、 本设计优缺点分析及改进意见八、 零件明细表1、专用件明细表件 号名 称件 数材 料备 注2、标准件明细表规格代号名称件数标准号备注 九. 主要参考资料1 机床设计手册（2上）2 金属切削机床设计3 金属切削机床概论4 机械零件设计手册5 机床设计图册6 CA6140主轴箱装配图X62W主传动系统装配图附 录1、 标准锥度 锥度K为锥体上两横剖面与两剖面之间长度之比直径之比: K（Dd）/l2tg锥角2的一半称为圆锥斜角常用的专用标准锥度锥角K圆锥角2圆锥斜角标 记1：41：41:121:121:151 ;151:201:207:247: 24 2、 莫氏锥度莫氏锥度号大端名义直径锥度圆锥角2431.2671：19.2540.05194544.3991：190020.05263663.348 1：19.1800.052143、主轴端部件标准尺寸卡口型主轴端部的互换性尺寸国际标准 I S 7021975机床主轴端部与花盘互换性尺寸第三部分;卡口型1) 应用范围本国际标准规定了卡口型车床主轴部和相应花盘的互换性尺寸。ISO 702/III1975号数尺寸34568111520D53.97563.51382.563106.375139.719196.869285.775412.775公差0.008 00.008 0 0.010 00.010 00.012 00.014 00.016 00.620 0D7585104.8133.4171.4235330.2463.6D102112135170220290400540d2121212329364343DH8/h814.2515.919.0523.828.634.941.3d6.46.46.48.410.510.51313d10.410.410.413.516.516.51919E1111131416181921F1620222528354248G5556888H1010101112131515W0.20.20.20.20.20.20.30.3注：未注公差的尺寸的一般公差：0.4mm注：“A”型和“凸轮锁紧”型分别见第一部分和第二部分。2）互换性尺寸2.1 主轴端部铣床主轴端部（内孔锥度7：24）尺寸ISO 推荐标准 R 297 7：24 刀柄锥度1) 序言 下列表格涉及了一些7：24锥度，一方面涉及主轴端部。另一方面涉及刀柄。这种锥度主要是为了铣床主轴端部和相应的刀柄设计，因此，希望制定一个更全面的关于“带7：24锥度的铣床主轴端部”的ISO推荐标准。2）互换性 在螺纹方面，根据螺纹的型式（具有标准螺纹的公制螺纹M或统一标准粗牙螺纹UNC），本ISO推荐标准规定了两种完全不同型式的产品。 为了区别这两种型式，在零件上应打上相应的螺纹标记。每个国家的标准组织可在其国家标准中任意采用其中一种螺纹型式。 以公制尺寸或英制尺寸制造的产品，其他尺寸虽然不完全相同，但完全是可互换的。如果在国家标准中规定验收条件，则应明确规定是按英制尺寸还是按公制尺寸验收产品。3） 主轴端部7：24锥度附录43 铣床主轴端部尺寸（内孔锥度7：24）主轴端部（内孔锥度7：24）尺寸 mm名称N0.30N0.40N0.45N0.50N0.55N0.60D 31.75044045057.15069.85088.900107D h69.93288.882101.6128.570152.4221d H1217.425.332.439.650.460d min171721272735L min 73100120140178220g M12M12M12M16M20M20a min12.51618192538f 5466.780101.6120.6177m min 12.51618192538n max889.512.512.5120/2 min16.52330364861B 15.915.91925.425.425c min889.512.512.512k max16.519.519.526.526.545Z 0.40.40.40.40.40V 0.030.030.030.040.040注： D1基本尺寸。 g1螺纹直径，或者是具有标准螺距的公制螺纹M，或者是明确标明的统一标准粗牙螺纹U（以时为单位的尺寸）。在每种情况下，零件上都应打上适当的M或UNC标记。 紧固刀具用螺孔的位置公差（从理论位置上最大径向偏移）。N0.30、N0.40和N0. 0.75mm；N0.50、N0.55和N0.60为0.100。 拨块在其槽内的装配用M6/h5配合。V表示拨块b1的允许偏心距：即拨块中心平面与主部轴心线的距离。 e)z1=从与定位面相重合的公称位置至量规夹面D1位置的最大允许，允许在定位面两频。第二部分 数控工作台机械部分设计第一章 概述一、课程设计的目的 本课程设计的目的在于培养学生对典型机电一体化产品机械结构的设计能力和对机电伺服系统的设计能力,在学习有关专业课程设计的基础上,进行机电系统设计的初等训练,掌握手册、标准、规范等资料的使用方法,培养分析问题和解决问题的能力,为以后的毕业设计打下良好的基础.二、任务书1. 设计题目:XY双坐标联动数控工作台设计2. 技术数据按有关技术数据分组如下:组号工作台长 宽 (mm)工作台工作重量 ( N )139029018002400300200034103102300442032025005430330280064403003000745031033008420330350094303504000104004005000工作台行程: X=60100mmY=5080mm脉冲当量:0.050.08mm/P3. 设计要求1) 工作台进给运动采用滚珠丝杠螺旋传动.2) 滚珠丝杠支承方式:双推简支型.3) 驱动电机为反应式步进电机.4) 步进电机与滚珠丝杠间采用齿轮降速,要求消除齿轮传动间隙.4. 工作量1) 零号装配图一张.2) 设计说明书20页以上.三、设计进度安排 本课程设计进行一周,学时分配及进度安排如下:1. 理解题目:拟定总体方案,进行运动设计、动力设计、零件的计算及初算.（2天)2. 结构设计草图、编写设计计算书.(1天)3. 画正式图、标注尺寸、配合、件号.(1天)4. 答辩.(1天)四、成绩考核方法对参加课程设计的学生进行全面考核,重点考核以下四个方面:1. 设计图纸、说明书的质量.2. 独立工作能力、综合运用知识的能力.3. 平时的工作态度、设计中的表现.4. 答辩时回答问题情况.最后成绩由答辩小组综合以上情况给出,分优、良、中、及格、不及格五个等级.第二章 工作台结构及参数设计一、总体结构数控工作台采用由步进电机驱动的开环控制结构,其单向驱动系统结构简图如图所示:实际设计的工作台为X、Y双坐标联动工作台,工作台是由上拖板、中拖板、下拖板及导轨、滚珠丝杠等组成.其中下拖板与床身固联,它上面固定X向导轨,中拖板在下拖板的导轨上横向运动,其上固定Y向导轨,上拖板与工作台固联,在Y向导轨上移动.X、Y导轨方向互相垂直。.二、滚珠丝杠设计滚珠螺旋传动按滚动体循环方式分为外循环和内循环两类,其中应用较广的是插管式和螺旋槽式,它们各有特点,其轴向间隙的调整方法主要有垫片调隙式和螺纹调隙式,具体的实现方法可参考教材有关章节。滚珠丝杠传动副多为专业厂家生产,一般用户设计时只负责选用,在选用时主要验算其额定动载荷和临界转速,丝杠较长时还应进行压杆稳定性验算。1. 计算动载荷 （N）式中: 载荷系数 见表1硬度系数 见表2 轴向工作载荷 (N) L额定寿命 L=60nT/ n丝杠转速 (r/min)T使用寿命 (h) 见表3 表1 表2 载荷性质平稳或轻度冲击11.2轻度冲击1.21.5 较大冲击、振动1.52.5实际硬度HRC551.1501.56452 .4403.85表3类别普通机械普通机床数控、精密机械T(h)50001000010000150002. 计算临界转速 （r/min）式中 临界转速系数 见表4 长度系数 见表4 丝杠内径 (m)丝杠工作长度 (m) 表 4支承方式系数双推自由双推简支两端固定 1.883.934.73 20.67 3. 压杆稳定性计算 （N）式中 临界载荷E材料弹性模量 对于钢,E=2.06 丝杠危险截面惯性矩() 三、滚动导轨导轨是工作台系统的重要组成部分,由于滚动导轨具有定位精度高、低速无爬行、移动轻便等显著优点,故本工作台系统设计选用滚动导轨.滚动导轨应用最广的是滚珠导轨,按滚珠的循环方式分类,滚珠导轨又可分为滚珠不循环式和可循环式.在专业厂家生产的标准化滚动导轨中,都为滚动体可循环式,本次导轨设计的主要任务是根据负载情况选用标准化滚动导轨,在选用过程中,主要进行额定载荷验算.1. 计算行程长度寿命 TsTs=2Lsn60 /100 (km)式中 Ls工作单行程长度(m) n往复次数 (次/min) 工作时间寿命 (h) 2. 计算动载荷 =式中 F作用在滑座上的载荷 (N)滑座个数寿命系数 一般取K=50km温度系数 见表5接触系数 见表6硬度系数 见表7负载系数 见表8 表5 工作温度（0C）10011001500.91502000.72002500.6表6每根导轨上滑块数1120.8130.7240.66表7滚道表面硬度HRC605855535045Fh 10.980.90.710.540.38 表8工作条件fw无冲击、振动 V15m/min11.5较小冲击、振动V60m/min23.5第三章 步进电机的选择在选择步进电机时应主要考虑以下几个方面:a) 步距角是否适合系统脉冲当量的要求.b) 步进电机转矩是否满足要求.c) 步进电机起动频率及运行频率是否满足要求.一、步距角的确定 （度）式中 工作台脉冲当量 (mm/P)i传动系统传动比t滚珠丝杠导程 (mm)的确定应与i和t综合考虑,以满足工作台脉冲当量的要求.二、步进电机转矩校核1. 空载起动时电机轴总的负载转矩Tq Tq=Tj+Tu+To式中 1) Tj惯性转矩 Tj=J J电机轴总惯量(包括当量)起动时角加速度2)Tu工作台当量摩擦转矩 摩擦系数 传动链总效率 m工作台质量 3)To附加摩擦转矩 Fo预紧力 取为1/3轴向负载未预紧时丝杠效率,取0.92. 正常工作时电机轴总负载转矩Tg Tg=Tu+To+Tw式中 Tw负载转矩 Fw轴向负载最大值3. 电机最大静转矩Ts1) 按空载起动计算:Ts1=Tq/C其中常数C按下表选取2) 按正常工作计算:Ts2=Tg/0.30.5取 TsmaxTs1,Ts2电机相数3456运行拍数3648510612C0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866步进电机的最大静转矩应满足要求.三、频率校核 步进电机的起动频率和运行频率应根据实际情况,参考电机的矩频特性曲线进行选取.参考资料1.机电一体化设计基础 机械工业出版社 郑堤、唐可洪主编2.机床设计手册 机械工业出版社3.机械零件设计手册 机械工业出版社4.金属切削机床设计 机械工业出版社5.经济型数控机床系统设计 上海科学技术出版社6.机电一体化实用技术 上海科学技术文献出版社 设计说明书书写要求（一）正文：正文内容层次序号为：1、1.1、1.1.1。正文内容一般为：1、 选题背景：说明本课题应解决的主要问题及应达到的技术要求；简述本设计的指导思想。2、 方案论证：说明设计原理并进行方案选择，阐明为什么要选择这个设计方案以及所采用方案的特点。3、 过程（设计或实验）论述：对设计工作的详细表述。要求层次分明，表达确切。4、 结果分析：对研究过程中所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析，得出结论和推论。5、 结论和总结：对整个研究工作进行归纳和综合。（二）图纸要求：图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。提倡学生使用计算机绘图。（三）曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、流程图、程序框图、示意图等不准徒手画，必须按照国家规定标准和工程要求绘制（应尽可能采用计算机辅助绘图）。课程设计说明书（报告）要求文字通顺、语言流畅，无错别字，不得使用铅笔书写。按教务处印制的统一格式封皮装订。有条件的可用B5纸打印。课程设计说明书（报告）中图表、公式一律采用阿拉伯数字连续编号。图序及图名置与图的下方；表序及表名置与表的上方；说明书（报告）中的公式编号，用括号括起来写在右边行末，其间不加虚线。哈尔滨理工大学学士学位论文多用信号发生器设计摘要信号发生器在动态测试领域有重要的作用。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。函数信号发生器是是由基础的非正弦信号发生电路和正弦波形发生电路组合而成。本设计应用晶体管、运放IC等通用器件制作了简单易行的一套信号发生器电路，可以正确输出三角波、方波和正弦波等波形。设计中在原有方波，三角波和正弦波的电路基础上增加一级放大器，以实现输出电压的可调和，输出阻抗为50。试验结果显示，通过调试可以正确显示所需要的波形，并利用仿真软件Maltose画出电路图，做出PCB布线图。结果显示，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者又互相影响。最后简单介绍了以ICMAX038集成芯片为核心采用MCU微处理器控制程控继电器和数字电位器设计的多功能信号发生器。该发生器能够输出方波、正弦波和三角波并能实现频段选择和频段内频率微调，同时还可以作为频率计测频率。函数信号的产生由MAX038和外围电路完成，能产生1Hz-20MHz的波形。波形选择由单片机完成，输出或输入频率经74HC390分频后，由单片机完成自动频率检测显示。该信号发生器克服了上述信号发生器的不足。关键词 信号发生器；运算放大器；ICMAX038 Multi-functional Signal GeneratorAbstractSignal generator in the field of dynamic testing has an important role. Various wave curves can be used to express trigonometric equation. Can produce a variety of waveform, such as triangular wave, saw tooth, rectangle wave (including square), and the sine wave function of the circuit known as the signal generator. Function signal generator circuit in the experiments and test equipment in a very wide range of uses. Yes function signal generator from the basis of non-sinusoidal signal circuits and sine-a combination of a circuit. The design of transistors, Wan Fang IC devices such as GM produced a simple set of signal generator circuit; the output can be right triangle, square and sine wave, and so on. The design of the Original Square, triangular and sine-wave circuit on the basis of an increase in amplifiers to achieve the adjustable output voltage and output impedance of 50 . The results showed that, through commissioning can correct the necessary waveforms and use simulation software Maltose draw schematics, PCB wiring pattern made. The results showed that less of their functions, accuracy is not high, only limit the frequency 300 kHz, unable to generate a higher frequency signal, the lack of regulation means a flexible, frequency and duty cycle can not be independent regulation, they also affect one another.The integrated chip design to ICMAX038 MCU used as the core microprocessor-controlled digital program-controlled relays and potential design of the multi-purpose signal generator can output square-wave, sine wave and triangular wave band and can achieve within the frequency band options and fine-tuning. The signal generator can produce sine, square, triangular wave. At the same time can be measured as the frequency of frequency. Function of the signal generated by the MAX038 and the completion of the external circuit, can produce 1 Hz-20MHz waveforms. Waveform choose from SCM completed, the output or input frequency by 74 HC390-frequency, SCM completed by frequency automatically detected.Keywords signal generator；operational amplifiers；ICMAX038不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1课题背景11.1.1 多用信号发生器在现代科技中的运用11.1.2信号发生器的发展前景41.2信号发生器的国内外现状51.3设计要求指标6第2章 理论概述72.1 2.1信号发生器的设计方案72.2电路设计72.2.1方波发生器72.2.2三角波发生器92.2.3正弦波发生器112.3本章小结14第3章 电路设计和元件器选择153.1电路图设计153.2元器件及参数选择163.2.1方波信号发生器电路元器件及参数选择163.2.2三角波和正弦波信号发生器电路元器件及参数选择173.3电路的仿真调试173.4本章小结19第4章 信号发生器的制作204.1一种新型的信号发生器204.1.1芯片管脚功能204.1.2芯片内部电路的特点214.1.3芯片内部结构图214.2主要参数的确定224.3制作过程244.3.1电子电路的组装244.3.2电子电路的调试254.3.3单元电路调试254.3.4整机联调254.4本章小结26结论28致谢29参考文献30附录A31附录B36千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1课题背景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。1.1.1 多用信号发生器在现代科技中的运用现代科技的进步以计算机的进步为代表，不断创新的计算机技术，正以不可逆转之势从各个层面上影响着各行各业的技术进步，今天的测控仪器行业同样经历着一场翻天覆地的变革。一方面，计算机技术的进步为新型的信号发生器仪器产生提供了现实基础，主要表现在：1.微处理器和DSP（digital signal processing）技术的快速进步以及其性能价格比不断上升大大改变了传统电子行业的设计思想和观念，原来许多由硬件完成的功能今天能够依靠软件实现。2.面向对象技术、可视化程序开发语言在软件领域为更多易于使用、功能强大的软件开发提供了可能性。另一方面，传统的测控仪器越来越满足不了科技进步的要求，主要表现在：1.现代测控要求仪器不仅仅能单独测量到某个量，而更希望它们之间能够互相通信，实现信息共享，从而完成对被测各系统的综合分析、评估,得出准确判断。传统仪器在这方面显然存在严重不足，甚至根本不可能实现。2.对于复杂的被测系统，面对各个厂家的不同测试设备，使用者需要的知识很多。这样的仪器不仅使用频率和利用率低，而且硬件存在冗余。鉴于上述原因，基于计算机的测试仪器逐渐变得现实，其出现和广泛使用对测控仪器产生较为深远影响。对于复杂的被测系统，面对各个厂家的不同测试设备，使用者需要的知识很多。这样的仪器不仅使用频率和利用率低，而且硬件存在冗余。鉴于上述原因，基于计算机的测试仪器逐渐变得现实，其出现和广泛使用对测控仪器产生较为深刻的影响。作为传统仪器的革新产品，虚拟仪器的作用在今天已日渐普及。多用信号发生是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。与传统仪器一样，它同样可以划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能块。虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合,实现仪器的功能运作。仪器的内部功能划分应用程序将可选硬件（如GPIB、VXI、RS2232 、DAQ）和重复使用源码库函数的软件结合起来实现模块间的通信、定时与触发,源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减硬软件模块，或重新配置现有系统以满足现有系统的测试要求。所以，虚拟仪器是由用户自己定义、自由组合的计算机平台、硬件、软件以及完成系统功能所需附件，而这在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。电子测量仪器经历了由模拟仪器、带GPIB接口的智能化仪器到全部可编程虚拟仪器的发展历程，其中每次飞跃都是以计算机技术的进步为动力。由于计算机技术特别是计算机总线标准的发展直接导致了虚拟仪器在PXI 和VXI 两个领域中得到了快速发展，它们成为未来仪器行业的两大主流产品。给定计算机运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用虚拟仪器的关键在于应用软件。基于软件在虚拟仪器中的作用，美商国家仪器公司（Na2tional Inst rumens，简称NI）提出了“软件即仪器”（The software is the inst rumens）的口号，而其Lab2VIEW也不能不被提及，它提供了虚拟仪器的图形编程环境，在这个软件环境中提供的一种像数据流一样的编程模式，用户只需连接各个逻辑框即可构成程序。它还以图形方式提供了大量的显示和分析程序库，利用软件平台可大大缩短虚拟仪器控制软件的开发时间，而且用户可以建立自己的措施方案。大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步进行的。第一阶段：利用计算机增强传统仪器的功能。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。由于GPIB 总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，因而用户可以用计算机控制仪器，而随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。经过近十年的发展，这些用户得到了越来越多的关于计算机控制仪器的软件，并且这些软件易学易用。最新的软件包括写前仪器驱动库、数据分析函数库、图形接口函数库等。用户可以利用这些强有力的软件来增强自己仪器系统的功能，使它能够分析和处理特定的数据，并显示结果，而不是限于仪器的固定功能之上。实际上，只需要把传统仪器通过GPIB或RS2232同计算机连接起来，这些新增功能就能运转良好。因而，用户可将大量的独立仪器同计算机相连形成用户自己设计的虚拟仪器。在仪器销售市场上也发生了巨大的变化，通用的数字式仪器销售量猛增，而专用的传统仪器销售量大幅度下降。用户意识到有了计算机和数字化设备，他们就可以实现信号数字化，从而对他们的数据做特定分析处理并显示在计算机屏幕上。毕竟，台式计算机的处理能力远远超过一般仪器处理功能。第二阶段：开放式的仪器构成。为满足虚拟仪器市场不断增长的需求，这时在仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理卡（plug2in PC DAQ）；二是VXI 仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。仪器设计者们与用户一样，企图尽可能地提高效率和重复使用很多技术。仪器生产商建立了他们自己设计的内在标准，使得他们的位微处理器、存储器、数据采集、分析、显示的软件等产品有利可图。许多在仪器上通用的元器件就是计算机里的标准件，这样使得计算机成为一个构建虚拟仪器的理想平台。许多特殊功能键A/D、D/A、数字I/O、时间I/O 组件都是模块化的功能块，能够直接插在仪器上与仪器内部的处理器总线相连。众所周知，现代计算机也有扩展槽，所以用户可将这些模块化的插卡直接插在扩展槽内。传统的仪器相关软件都是固化在内部ROM内，这些软件也只针对专门仪器，虽然其中许多代码都是从其他仪器设计商的软件模块中得来的。而在虚拟仪器中，专用仪器的软件也是使用模块化的可重用代码。但不像传统仪器那样，只限于单一特殊的ROM，虚拟仪器的功能软件是以文件形式储存在硬盘和软盘上的，可以安装在任何计算机上。当然，多个虚拟仪器可以共存于一台计算机上。而且，某个特定的仪器在一段时间内可以独享计算机的显示和控制部分，像传统仪器一样，但是很多虚拟仪器能够共享显示，尽管每个仪器有其独特的硬件。正是由于第二阶段虚拟仪器在软硬件上的这些进步，使得它的构建具备了开放性和更大的灵活性，得到了更加广泛的应用。第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来，虚拟仪器将成为一种主流技术。许多行业标准在硬件和软件领域已产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段,人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。美商国家仪器公司总结了这些观点并提出了一句口号“软件即仪器”。他们的软件产品也创造了整体的仪器框架。信号发生器是一种常用的信号源，它广泛应用于教学及科学研究实验中。传统的信号发生器性价比低，功能少且模式固定。近年来，随着虚拟仪器（virtual instruments, 简称VI）技术的发展，诞生了虚拟信号发生器，但其发生信号类型较少。一般只有正弦、方波、三角波及锯齿波等几种常用基本信号，对信号的控制功能还有局限性，无法满足各种实验的广泛需要。本设计以声卡作为信号DSA通道，充分利用Lab-VIEW开发平台提供的丰富资源，采用模块化的设计方法，共有18个子VI，进一步完善了虚拟信号发生器的功能，能产生10种常用信号。该信号发生器对波形及数据文件具有处理功能，对输出通道具有选择控制功能，同时可以利用通用函数信号发生子VI进行数学模型的仿真。1.1.2信号发生器的发展前景信号发生器系统已成为仪器领域的一个基本仪器，是技术进步的必然结果。今天，它的应用已经遍及各行各业。很多测量工程师现在都在使用虚拟仪器,即:用计算机控制一台GPIB或RS2232仪器，通过计算机屏幕上的图形化前面板操作仪器，这与操作一台物理的仪器没有区别。计算机能够模仿远处的物理设备，整个过程给你一个感觉：你不在仪器旁边，却在远处虚拟地操作着这台仪器。另外的一种情况是将一个图形化仪器前置面板放在计算机上，计算机连接着一块插入式数据采集卡和一个VXI 功能模块，而不连接GPIB 仪器。这时，仪器本身没有前置面板，因而你不能将它作为一台独立的仪器来使用。因而，计算机成了这个仪器系统的一个组件，计算机的前置面板操作成了唯一的操作仪器的方式。还有一种情况就是没有任何功能模块连接在计算机上，虽然计算机上同样有前置软面板，计算机通过数据文件和网络得到数据，对它进行分析处理，或者它不用外部的真实数据，而是计算机处理一些“自己”的数据对一个物理过程或某个项目进行仿真。仪器技术经过十几年的发展,而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善，建立在VXI 技术上的各种先进仪器将会层出不穷。仪器技术在发达国家的推广应用也是十分普及，不仅在电子测量领域、过程控制领域，包括人们生活的其它许多领域，利用虚拟仪器实现复杂的测量与控制系统的例子也很多。我国目前还基本处于传统仪器与计算机化仪器互相分离的状态，世界各大相关的产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。结合我们的实际情况,我们必须走引进与自行开发相结合的道路。一方面，大力引进国外虚拟仪器方面的生产技术、部分产品,吸收最新成果技术；另一方面，发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术，发展图形化平台的软件产品，充分利用我们现有的计算机及测试技术软硬件，缩短与国际先进水平之间的差距。随着电信技术的发展，高性能的信号发生器对系统的测试起着至关重要的作用。传统的模拟信号发生器由于输出波形单一，频率及相位调节精度低，同时不能满足现代复杂电子系统设计的要求，利用多用途专用芯片直接数字合成设计信号发生器成本太高。本文提出基于单片机与技术的多功能信号发生器的设计，主要采用性价比较高的系列器件，即满足信号发生器性能要求又降低成本。1.2信号发生器的国内外现状仪器技术在发达国家的推广应用也是十分普及，不仅在电子测量领域、过程控制领域，包括人们生活的其它许多领域，利用虚拟仪器实现复杂的测量与控制系统的例子也很多。我国目前还基本处于传统仪器与计算机化仪器互相分离的状态，世界各大相关的产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。结合我们的实际情况，我们必须走引进与自行开发相结合的道路。一方面，大力引进国外虚拟仪器方面的生产技术、部分产品,吸收最新成果技术；另一方面，发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术，发展图形化平台的软件产品，充分利用我们现有的计算机及测试技术软硬件，缩短与国际先进水平之间的差距。为了共享测试系统资源，越来越多的用户正在转向网络。工业现场总线是一个网络通讯标准，它使得不同厂家的产品通过通讯总线使用共同的协议进行通讯。现在，各种现场总线在不同行业均有一定应用；工业以太网也有望进入工业现场，应用前景广阔；Internet已经深入各行各业乃至千家万户。嵌入式智能仪器设备联网的需求将越来越广泛。为此，NI等公司已开发了通过web浏览器观测嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过internet操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，人们能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络。利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关mcn（measurement and control networks）方面的标准已经取得了一定进展。由此可见，mcn网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。 现在电信技术的飞速发展，高性能的信号发生器对系统的测试起着至关重要的作用。传统的模拟信号发生器由于输出波形单一，频率及相位调节精度低，同时不能满足现代复杂电子系统设计的要求，利用多用途专用芯片直接数字合成设计信号发生器成本太高。本文提出基于单片机与技术的多功能信号发生器的设计，主要采用性价比较高的系列器件，即满足信号发生器性能要求又降低成本。综上所述，基于不同的通讯总线和联网总线，虚拟仪器可面向高中低端的不同应用。目前，全球有成千上万台测控设备中正在使用虚拟仪器，虚拟仪器正在深入各行各业，影响着人类的生产、教学、科学实验、国防等，甚至进入家庭自动化管理。由于可充分利用计算机、网络和通讯的相关技术，远程调控的虚拟仪器有望取代测量技术传统领域的各类仪器。1.3设计要求指标基于简单成本低而且能够输出至少三种波形的设计要求，所以，本信号设计指标如下1：1.输出为方波、三角波和正弦波三种波形，用开关切换输出；2.均为双极性；3.输出阻抗均为50；4.具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能。第2章 理论概述2.1信号发生器的设计方案函数信号发生器是是由基础的非正弦信号发生电路和正弦波形发生电路组合而成。下面我们将分别对各个波形的发生进行分析，并且提出几种方案，从而达到在合成电路时使电路更加合理。方案一：用分立元件组成的函数发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。方案二：可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。方案三：利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。鉴于此，美国马克西姆公司开发了新一代函数信号发生器ICMAX038，它克服了方案二中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件2。方案四：利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的频率，但成本较高。以上四种方案中，方案二与方案三均为可行的方案。方案二简单易行，在知识和设备有限的条件下，可选择方案二进行信号发生器的设计。2.2 原理电路2.2.1方波发生器图2-1为用运算放大器、滞回比较器和、C积分电路组成的方波发生电路，输出电压经、C反馈到运放的反相输出端，因此积分电路起延迟和负反馈作用3。图2-1 方波发生电路如图2-1所示，设在接通电源的时刻，电容器两端电压，输出电压，则加到运放同相输出端的电压为 （2-1）式中，。此时通过向C充电，使运放反相输入电压由零逐渐上升。在以前，保持不变。在时刻，上升到略高于，由高电平跳到低电平，即变为。时，同时通过向C充电，使运放反相输入端电压由零逐渐上升。在以前，保持不变。在时刻，下降到略低于，由低电平跳到高电平，即变为，又回到原始状态。如此周而复始，循环不已，因此产生振荡，输出方波。 根据上边的分析，可以画出与的波形如图2-2所示。图2-2 输入输出波形由波形可知，从时刻的4下降到时刻的，再上升到时刻的，所需的时间就是一个振荡周期，在到这段时间，的变化规律是简单RC电路充放电规律，其常数为，初始值为（时刻），终值为（t），故 （2-2）在时， ，代入式（2-2）后可求得 （2-3）同样可求得 （2-4）由于高低电平所占的时间相等，故是方波。其振荡周期为 （2-5）若选取适当的、值，使，则于是振荡频率为： （2-6）2.2.2三角波发生器根据RC积分电路输入和输出信号波形的关系5可知，当RC积分电路的输入信号为方波时，输出信号就是三角波，由此可得，利用方波信号发生器和RC积分电路就可以组成三角波信号发生器。三角波信号发生器的电路组成如图2-3所示6。图中的运算放大器组成方波信号发生器，组成RC积分电路。该电路的工作原理是：方波信号发生器输出的方波。图中等还可构成同相滞回比较器，和、C等组成反相积分电路。信号输入积分电路，在积分电路的输出端得到三角波信号。积分电路的输出端除了输出三角波信号外，并通过电阻R1将三角波信号反馈到滞回电压比较器的输入端，将三角波信号整形变换成方波信号输出。 图2-3 三角波发生电路根据上图可以看出在t=0时，比较器输出电压为高电平，电容两端的电压为零，即略低于，则积分电路输出电压。此时电容被充电，显然 （2-7）于是线性下降，也下降，直到时，略低于，即略低于零时，从突跳到，同时也跳变到更低的值（比零低的多）。可见，在前的一瞬间，而从流过和的电流相等，则，故后，由于，故电容放电，其两端电压 （2-8）因 （2-9）故 （2-10）于是线性上升，也上升。直到时，略大于零，从突跳到。可见，在前的一瞬间，则故 （2-11）在以后电路周而复始，循环不已，形成振荡。根据分析，我们可以得知三角波形成的电路的形成过程，并且可以具体的画出三角波的波形图，三角波信号发生器的电路组成是方波信号发生器输出的方波，当方波信号输入积分电路RC的时候，则在积分电路的输出端得到三角波信号。因此，可以画出和的波形，如图2-4所示。图2-4 与波形其中为方波，为三角波。之所以为三角波，是由于电容充放电的时间常数相等，积分电路输出电压上升和下降的幅度和时间相等，上升和下降的斜率的绝对值也相等。显然，三角波峰值为： （2-12）下面求振荡周期。由于，而当时，有 （2-13）则 （2-14）故 （2-15）则可以在调整三角波电路时，应先调整或,使其峰值达到所需要的值，然后再调整或C，使频率能满足要求。2.2.3正弦波发生器正弦波发生器又称文氏电桥振荡器7，如图2-5所示，其中A放大器由同相运放电路组成，因此， （2-16）（a） （b）图2-5 正弦波发生电路F网络由RC串并联网络组成7，由于运算放大器的输入阻抗Ri很大，输出阻抗Ro很小，其对F网络的影响可以忽略不计，从图2-5（a）有 （2-17）由自激振荡条件8：T=AF=1有 （2-18）所以上式分母中的虚部必须零，即 式（2-18）的实部为1，即 ，得到起振条件。对图2-5（b）所示同相运放，须满足。以上分析表明：1.文氏电桥振荡器的振荡频率，由具有选频特性的RC串联网络决定。 2.图2-5文氏电桥振荡器的起振条件为，即要求放大器的电压增益大于等于3，略大于3的原因是由于电路中的各种损耗，致使幅度下降而给予补偿。但A比3大得多了会导致输出正弦波形变差。2.3本章小结 本章主要讲述了信号发生器设计所提出的几种设想方案，并根据方案分别研究了方波、三角波和正弦波三种波形的基本原理及发生电路。第3章 电路设计及元件器选择为了实现设计指标的要求，将在原有方波，三角波和正弦波的电路基础上增加一级放大器，以实现输出电压的可调和，输出阻抗为50。3.1电路图设计设计的波形发生电路如图3-1及3-2所示。图3-1中增加了MC4558CD放大器8。可以准确输出所需要的方波信号。图3-2中同时加入了同样型号的放大器来满足设计指标的要求，可以准确输出三角波和正弦波信号。 图3-1 方波波形发生电路 图3-2三角波和正弦波发生电路3.2元器件及参数选择3.2.1方波信号发生器电路元器件及参数选择1运算放大器的选择：根据指标要求，这里主要考虑双电源、通用、无需调零型的运放，可选择MC455810。2和的选择：和一般在几千欧到几欧之间，这里选4.7k，5.1k。3、和C的选择：当满足时，。若不是很低，C可1F以下，可选几千欧到几万欧之间，图中，为电位器。设C0.33F，当0时，应有，由此可得，当最大时，应有由此可得68.4k。4电源电压的选择：MC4558的正常电源为15V左右。5稳压二极管的选择11：考虑输出电压和电源电压的要求，可选稳压二极管为1N4740，其稳压值约为10V。6和的选择：和一般在几千欧到几万欧之间，为实现输出电压可调，应为可调电位器。由于输入电压为10V，而输出电压要求最大为5V，因此，可选10k，4.7k的电位器。3.2.2三角波和正弦波信号发生器电路元器件及参数选择由于三角波是由方波电路进行积分得来的，所以只需在方波电路原基础上增加部分功能电路即可。大部分器件的选择也是相同的。3.3电路的仿真调试调试中，我们将第一节中的两个波形发生器整合做出一个完整的信号发生器如上图3-3所示。图3-3 函数信号发生器电路图12利用仿真软件Multiuse画出电路图，得出仿真结果如图3-4所示。 图3-4 仿真结果我们可以利用以上的仿真模式做出PCB电路图并可以在实验室进行准确的测试，可以很方便的在仿真模式下观测电路下设计的信号发生器的具体工作流程，并加以多方面的调试。可以利用Protel软件将电路画出，生成PCB板模式，进行布局和布线。做出一个信号发生器。PCB图如图3-5所示。 图3-5 PCB制成图如上图输出结果完全符合设计要求。3.4本章小结本章第一节主要讲述了产生方波、三角波和正弦波的电路设计图。第二节对设计所需要的元器件选择和参数的具体确定，并在最后对电路进行了仿真测试做出了信号发生器的电路图，同时在仿真模式下用Protel软件将电路做出生成PCB版式进行布线和布局，做出一个信号发生器。- 44 -第4章 信号发生器的制作4.1一种新型的信号发生器由于方案三的合理性、优越性和先进性这里我们将方案二和方案三进行比较，这里主要介绍基于方案三的一种新型信号发生器的工作原理和过程。用高精度集成芯片国产MX038作为核心制作函数信号发生器。MAX038内部含有精密带隙电压参考、鉴相器和TTL同步输出，能以最少的外部元件构成一台多波形的高频函数信号发生器，也可以单独用作电压控制振荡器、频率调制器、脉宽调制器、锁相环、频率合成器及FSK信号发生器，是目前较为理想的信号产生集成芯片。函数信号发生器在电路实验和设备检测中有十分广泛的用途。发生器可以有晶体管，运放集成电路等通用期间制作，更多的是用专门的函数信号发生器集成电路产生。早期的集成电路，如L8038、BA205、XR2207/2209等，他们功能叫少、精度也不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。MAX038是美信公司生产的一种通用波形发生芯片，鄙夷前的函数发生器从频率范围，频率精确度，对芯片，波形的控制性能以及用户的使用方便性等方面有很大的提高，因此广泛应用于波形的产生、压控震荡器、脉宽调节器、频率合成器及FSK发生器等。4.1.1芯片管脚功能管脚排列如图4-1所示13： 19 1 7 8 10 6 5 18 12 16 15 14 13 4 3 图 4-1芯片管脚图1脚VREF是2.5V基准电压输出端；2、6、9、11、18脚为模拟地；3、4脚为波形设定端；逻辑关系如附表所示；5脚外接振荡电容器；7脚FADJ频率调节端；8脚DADJ占空比调节端；10脚频率控制的电流输入端；12脚为相位比较器的输入端；13脚为相位比较器的输出端；14脚SYNC是同步输入端；是内部振荡器与外部信号保持同步；15脚为数字地；16脚是DV+数字电路的+5V电源；17V+为正电源端节+5V电源；19输出端；20V-为负电源端节-5V电源。4.1.2芯片内部电路的特点对于三角波、方波、正弦波三种信号，其信号产生电路的核心期间为MAX038，三种输出波形有波形设定端A0，A1控制其编码如下表。其中表示任意状态，1为高电平，0为低电平。正弦波矩形波三角波 A0 0 1 A1 1 0 04.1.3芯片内部结构图MAX038芯片结构电路图如图4-2所示：图4-2 MAX038芯片结构图14芯片内部有一个2.5V的基准电压源。该基准电压源的作用有：1.为10脚提供脉冲、放电流，以确定频率值；2.可设定8脚电压，进行频率微调；3.可设定7脚电压，进行占空比调节。4.2主要参数的确定接通电源控制在输出状态，此时波形产生电路工作，它产生我们所选择的波形并输出到外部电路，另一部分则送入计数器。波形发生器的这部分电路是由MAX038及其外围电路完成的。MAX038是一个精密高频波形产生器。它能产生频率高达20MHz的正弦波、三角波、方波等脉冲信号，其压控振荡器的频率分粗调和细调两层控制。另外MAX038还包括占空比调整电路、波形同步电路、相位检测电路、波形切换开关和电压基准源等电路，所需外部元件少，使用很方便。波形产生电路如图4-315 图4-3 实物制作电路本系统采用MAX038设计了输出三角波、方波和正弦波的函数信号发生器，频率范围为10Hz1MHz，能够满足大多数实验与检测的需求。Lin管脚电流范围在10400A时电路获得最佳工作性能。输出波形的选择由逻辑地址引脚A0和A1的组合来决定：A1A010或11时，输出正弦波；A1A000时，输出方波；A1A001时输出三角波；波形切换可在0.3s内完成，但输出波形有0.5s的延迟时间。输出频率由Lin引脚的电流、SOSC引脚的对地电容量和FADJ的电压来决定。当FADJ引脚接地时，输出频率由公式给出： （4-1）式中，F0是输出频率，单位MHz；Lin是管脚输入电流，单位A；CF是决定输出频率的串入电容值，单位pF。频率粗调在5脚和8脚接上电容CF以后，脚是频率控制的电流输入端，利用恒定电流向电容CF充电和放电，使可形成振荡。是受端8和端7电压的控制，振荡频率由下式确定 （4-2）则（1）因为我们要求频率范围在1HZ1MHZ,分六个频率来满足要求，在每个频段上连续可调，有芯片内部参数知道，当=10A400A时，CF容量范围在20PF100F时，芯片性能最佳。由此，由上可知 （4-3）（2）当=10A时，；当时，就是说，当在250K6.25 K时，性能最佳，为了调整方便，用一个固定电阻和一个精密多圈电位器来调整，这里为粗调电位器。MAX038的输出波形的频率不仅可以用改变IIN的大小来实现粗调，还可以改变8脚端的电压来对频率进行细调。当时，标准输出频率为，当时，输出频率的变化率为70%，对应频率为0.31.7。若保持恒定，则输出频率由式确定。由于再FADJ端有一个250的恒定输入，因此在端和FADJ端接可变电阻来调整，阻值得确定为 （4-4）根据计算可以得出，当=7.26K12.7 K时，频率细调为20%，即，故取标称值=5.6K, =7.2 K占空比的调节及调整电阻的确定MAX038的占空比的调整有两种方式，一种是利用内部基准电压源调整，另一种是利用外加电源调整，为使电路简单，采用第一种调整方式。占空比受控于7脚DADJ端。当=0V时，占空比C=50%，当=+2.3V-2.3V时，D从10%变化到90%，这表明每伏电压可使占空比变化17.4%。占空比D、脉冲宽度t的计算公式为%可有一个2的固定电阻和一个16的多圈精密电阻串联构成，调节，使占空比在15%85%内变化。4.3制作过程根据设计的指标购买元器件并进行焊接。选取的原则就是：所用元器件尽量与理论推算所用的元器件相符，在价格、货源允许的情况下尽量使用精密的元器件这样可以减少整个电路的误差。同时由于货源的问题本设计并没有采用精密多圈电位器而是采用一般的电位器这样会造成一定的误差但不大。实际布局是根据PCB原理图进行的。由于采用专门的集成芯片，所以整个电路的元器件比较少，这样有利于整个电路的布局。为了以后的检查和修改，应尽量使元器件之间的间隔较大，尽量减少导线的使用，并且尽量使用比较细的导线，最好使用专用的高温导线。4.3.1电子电路的组装 电子技术基础课程设计中组装电路通常采用焊接和在实验箱上插接两种方式。焊接组装可提高学生焊接技术，但器件可重复利用率低。在实验箱上组装，元器件便于插接且电路便于调试，并可提高器件重复利用率。下面介绍在实验箱上用插接方式组装电路的方法16。 1.集成电路的装插 插接集成电路时首先应认清方向，不要倒插，所有集成电路的插八方向要保持一致，注意管脚不能弯曲。 2.元器件的位置 根据电路图的各部分功能确定元器件在实验箱的插接板上的位置，并按信号的流同将元器件有顺序地连接，以易于调试。 3.导线的选用和连接 导线直径应和插接板的插孔直径相一致，过粗会损坏插孔，过细则与插孔接触不良。为橙壹电路的方便，根据不同用途。导线可以选用不同的颜色。一般习惯是正电源用红线，负电源用蓝线，地线用黑线，信号线用其他颜色的线等。连接用的导线要求紧贴在插接板上，避免接触不良。连线不允许跨接在集成电路上，一般从集成电路周围通过，尽量做到横平竖直，这样便于查线和更换器件。 组装电路时注意，电路之间要共地。正确的组装方法和合理的布局，不仅使电路整齐美观，而且能提高电路工作的可靠性，便于检查和排除故障。 4.3.2电子电路的调试 通常有以下两种调试电路的方法： 第一种是采用边安装边调试的方法。把一个总电路按框图上的功能分成若干单元电路分别进行安装和调试，在完成各单元电路调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围，最后完成整机调试。对于新设计的电路，此方法既便于调试，又可及时发现和解决问题。该方法适于课程设计中采用。 第二种方法是整个电路安装完毕，实行一次性调试。这种方法适于定型产品。调试时应注意做好调试记录，准确记录电路各部分的测试数据和波形，以便于分析和运行时参考。接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。如果出现异常现象，则应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。 4.3.3单元电路调试在调试单元电路时应明确本部分的调试要求。按调试要求测试性能指标和观察波形。调试顺序按信号的流向进行。这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号，为最后的整机联调创造条件。电路调试包括静态和动态调试，通过调试掌握必要的数据、波形、现象，然后对电路进行分析、判断、排除故障，完成调试要求。 4.3.4整机联调 各单元电路调试完成后就为整机调试打下了基础。整机联调时应观察各单元电路连接后各级之间的信号关系。主要观察动态结果，检查电路的性能和参数，分析测量的数据和波形是否符合设计要求，对发现的故障和问题及时采取处理措施。电路故障的排除可以按下述8 种方法进行： 信号寻迹法：寻找电路故障时，一般可以按信号的流程逐级进行。从电路的输入端加入适当的信号。用示波器或电压表等仪器逐级检查信号在电路内务部分传输的情况，根据电路的工作原理分析电路的功能是否正常，如果有问题，应及时处理。调试电路时也可从输出级向输入级倒推进行，信号从最后一级电路的输入端加入，观察输出端是否正常，然后逐 级将适当信号加入前面一级电路输入端，继续进行检查。这里所指的“适当信号”是指频率、电压幅值等参数应满足电路要求，这样才能使调试顺利进行。 对分法：把有故障的电路分为两部分，先检测这两部分中究竟是哪部分有故障，然后再对有故障的部分对分检测，一直到找出故障为止。采用“对分法”可减少调试工作量。 分割测试法：对于一些有反馈的环形电路，如振荡器、稳压器等电路，它们各级的工作情况互相有牵连，这时可采取分割环路的方法，将反馈环去掉，然后逐级检查，可更快地查出故障部分。对自激振荡现象也可以用此法检查。 电容器旁路法：如遇电路发生自激振荡或寄生调幅等故障，检测时可用一只容量较大的电容器并联到故障电路的输入或输出端，观察对故障现象的影响，据此分析故障的部位。在放大电路中，旁路电容失效或开路，使负反馈加强，输出量下降，此时用适当的电容并联在旁路电容两端，就可以看到输出幅度恢复正常，也就可断定旁路电容的问题这种检查可能要多处试验才有结果，这时要细心分析可能引起故障的原因。这种方法也用来检查电源滤波和去耦电路的故障。 对比法：将有问题的电路的状态，参数与相同的正常电路进行逐项对比此方法可以较快地从异常的参数中分析出故障 替代法：把已调试好的单元电路代替有故障或有疑问的相同的单元电路（注意共地），这样可以很快判断故障部位。有时元器件的故障不很明显，如电容器漏电、电阻变质，晶体管和集成电路性能下降等，这时用相同规格的优质元器件逐一替代实验，就可以具体地判断故障点，加快查找故障点的速度，提高调试效率。 静态测试法：故障部位找到后，要确定是哪一个或哪几个元件有问题，最常用的就是静态测试法和动态测试法，静态测试是用万用表测试电阻值、电容器漏电，电路是否断路或短路，晶体管和集成电路的各引脚电压是否正常等这种测试是在电路不加信号时进行的，所以叫静态测试。通过这种测试可发现元器件的故障。动态测试法：当静态测试还不能发现故障原因时，可以采用动态测试法测试时在电路输入端加上适当的信号再测试元器件的工作情况，观察电路的工作状况，分析、判别故障原因。组装电路要认真细心，要有严谨的科学作风。安装电路要注意布局合理调试电路要注意正确使用测量仪器，系统各部分要“共地”，调试过程中不断跟踪和记录观察的现象，测量的数据和波形。4.4本章小结本章主要讲述了运用MAX038芯片来制作信号发生器，同时对MAX038芯片的性能、特点和内部电路，以及运用方法进行了全面的论述。同时根据实物电路，进行内部调试并按照设计要求做出具体的参数确定。最后研究了电路的组装和调试。调试完成后，此信号发生器完成。结论本文设计了一种简单可行的信号发生器，可以正确输出设计指标中要求的三种波形。设计的第一章讲述了信号发生器的发展趋势和其发展前景，并提出了设计指标。第二章中提出了四个设计方案并决定运用方案二进行实际制作，在第二章的第二节中设计了方波发生器电路、三角波和正弦波的发生器电路。并且分别对三种电路进行了参数确定与论证比较。第三章中设计了三种波的实物电路，在将二种发生器进行整合合并之后做出了一个整体的信号发生器的实物电路，最后对电路进行了仿真调试，得出仿真结果和PCB线路制成图。最后一章里面首先介绍了一种比较先进的信号发生器（以MAX308芯片为核心制作的信号发生器），接着讲述了电子电路的调试方法和具体制作方法。本方案制作的信号发生器能很好完成设计指标中的要求，但是结果显示，它的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节。这种信号发生器的研究还处于发展新兴阶段，有待于进一步改进和研究。把信号发生和数据采集集成在一起，利用网络对其进行控制和处理，并且在软硬件的升级方面有很大的改善空间和灵活性。致谢值此论文完成之际，谨向导师李建新致以最诚挚的感谢。很长时间以来，李老师从学习、生活上给予我莫大的教诲和帮助，她渊博的知识和丰富的实践经验以及严谨务实的工作作风给了我很大的启迪和引导。系主任刘泊教授、实验室的老师们在整个的课题完成过程中也给予了我无私的关怀和帮助，指导学生完成大量的工作。主任刘泊教授为学生提供了良好的科研环境，并在百忙之中抽出时间对我的论文的完成给予了大量的指导，提出了宝贵修改意见。另外，我还要特别感谢好友刘光祥和曹志平，他们的鼓励和帮助为我提供了很大的前进动力。同时对各位帮助过我的老师和同学表示衷心的感谢! 参考文献1 童诗白模拟电子技术基础高等教育出版社，19882 石雄等DDS芯片AD9850的工作原理及其与单片机的接口国外电子元器件，20013 关贞珍，霍晓静，钱东平等基于虚拟仪器的信号采集与分析系统，河北农业大学学报，2002，25(30) ：84864 赵世强等编电子电路EDA技术西安电子科技大学出版社，20005 种兰祥，阎丽张，首军基于计算机声卡的多通道数据采集系统西北大学学报，2002，32(6)：629-6326 林家瑞编电子工程师指南华中工学院出版社，19877 全国大学生电子设计竞赛组委会全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编北京理工大学出版社，20048 朱定华，单片机原理及接口技术电子工业出版社，2001年9 石雄等DDS芯片AD9850的工作原理及其与单片机的接口国外电子元器件，200110 童诗白模拟电子技术基础高等教育出版社，198811 张迎新，雷文，姚静波编著C8051F系列SOC单片机原理及应用国防工业出版社，200512 戴柠，陈一尧DDS信号源的研制仪器仪表学报，1996，17(1)：242813 刘国荣编单片函数发生器15G8038及其应用电子技术应用，198714 程师指南华中工学院出版社，198715 中国集成电路大全编写委员会编中国集成电路全TTL 集成电路国防工业出版社，198516 仪器的技术现状及其发展趋势设计测控技术，2003，22(12)：1-417 B. Y. Lee, H. Juan and S. F. Yu. A Study of Computer Vision for Measuring Surface Roughness in the Turning Process18 Carpine L C R,Chotwynd D G. A new strategy for inspecting roundness features.Precision Engineering，1994附录ADIRECT DIGITAL SYNTHESIZERSAbstract：In this chapter, the operate inoft he direct digital synthesizer is described first. It is simple to add modulation capabilities to the DDS, because the DDS is a digital signal processing device. The digital quadrature modulator architectures, where the DDS generates in-phase and quadrature carriers, are also reviewed.Keywords：Direct Digital Synthesis；Phase accumulator；Source1.1Conventional Direct Digital SynthesizerThe direct digital synthesizer (DDS) is shown in a simplified form in Figure 4-1. The direct digital frequency synthesizer (DDFS) or numerically controlled oscillator (NCO) is also widely used to define this circuit. The DDS has the following basic blocks: a phase accumulator, a phase to amplitude converter (conventionally a sine ROM), a digital to analog converter and a filter Tie71, Web72, Gor75, Bra81. The phase accumulator consists of a j-bit frequency register that stores a digital phase increment word followed by a j-bit full adder and a phase register. The digital input phase increment word is entered in the frequency register. At each clock pulse, this data is added to the data previously held in the phase register. The phase increment word represents a phase angle step that is added to the previous value at each 1/fs seconds to produce a linearly increasing digital value. The phase value is generated using the modulo j 2overflowing property of a j-bit phase accumulator. The rate of the overflows is the output frequency.where P is the phase increment word, jj is the number of phase accumulator bits, sf is the sampling frequency and ouf t is the output frequency. The constraint in comes from the sampling theorem. The phase increment word. In is an integer, therefore the frequency resolution is found by setting P=1. The read only memory (ROM) is a sine look-up table, which converts the digital phase information into the values of a sine wave. In the ideal case with no phase and amplitude quantization, the output sequence is given by where P(n) is a (the j-bit) phase register value (at the nth clock period). The numerical period of the phase accumulator output sequence is where GCD (P, j 2) represents the greatest common divisor of P and The numerical period of the sequence samples recalled from the sine Redefined as the minimum value of Pe for which P(n) = P(n+Pe) for all n. The numerical period of the phase accumulator output sequence (in clock cycles) is Figure 4-1. Simplified block diagram of the direct digital synthesizer, and the signal flow in the DDS.j Phase Accumulator Phase to Amplitude D/A-Converter Output Filter Output Converter OutputThe spectrum of the output waveform of the DDS prior to a digital-to-analog conversion is therefore characterized by a discrete spectrum consisting of Preprints. The ROM output is presented to t he D/A-converter, which develops a quantified analog sine wave. The D/A-converter output spectrum contains fre quenches nsf ouf t, where n= 0, 1, etc. The amplitudes of these components are weighted by a function.1.2Pulse output DDSThe pulse output DDS is the simplest DDS type. It has only a phase accumulator. The MSB or carry output signal of the phase accumulator is used as an output. The average frequency of the DDS is obtained from (4.1). As long as P j divides into 2, the output is periodic and smooth (see column 3 in Table 4-1), but all other cases create jitter. The output can change its state only at the clock rate. If the desired output frequency is not a factor (a divider) of j 2 ,Table 1-1. For an accumulator of 3 bits j( =3) controlled with an input of P = 3 and P = 2.Accumulatoroutput P= 3 and j= 3Carry outputAccumulatoroutput P= 2 and j= 3Carry output000 (0)1 Cycle begins000 (0)1 Cycle begins011 (3)0010 (2)0110 (6)0100 (4)0001 (1)1110 (6)0100 (4)0000 (0)1111 (7)0010 (2)0010 (2)1100 (4)0101 (5)0110 (6)0000 (0)1000 (0)1 Paper 1-1This phase error will increase (or decrease) until it reaches a full clock period, at which time it returns to zero and starts to build up again (see column 1 in Table 4-1). Ideally, we would like to generate a transition every 8/3 = 2.6667 cycles (see column 1 in Table 4-1), but this is not possible because the phase accumulator can generate a transition only at integer multiples of the clock period. After the f irst transition the error is -1/3 clock period (we should transit after 2.6667 clocks, and we transit after 3), and after the second it is - 2/3 clock period (we should transit after 5.33, and we do after 6). There is a clear relation between the error and the parameters P (phase increment word) and CC (phase accumulator output at the moment of carry generation). The error is exactly .By using a digital delay generator (see Figure 4-2), the carry output is first connected to a logic circuit that calculates first the ratio -/C P and delays the carry signal Nuy90, Gol96, Rah01, Nos01a, Nos01b, Ric01. The negative delay must be converted into a positive delay, which is in all cases (the carry overflow error can never be as large as.It is assumed that the delay-time of the whole delay line meets exactly sT = 1/f s . For the delay components inside the delay line there are B outputs with delay times and where B= 2b in this case. The applied delay y(Ts B/) is a multiple of the delay components inside the delay line, and the positive delay time is where denotes truncation to integer values.4.3 DDS Architecture for Modulation CapabilityIt is simple to add modulation capabilities to the DDS, because the DDS is a digital signal processing device. In the DDS it is possible to modulate numerically all three waveform parameters where A(n) is the amplitude modulation, P (n) is the frequency modulation, and P(n) is the phase modulation. All known modulation techniques use one, two or all three basic modulation types simultaneously. Consequently, any known waveform can be synthesized from these three basic types within the SyQuest band limitations in the DDS. Figure 4-3 shows a block diagram of a basic DDS system with all three basic modulations in place Zav88a, McC88. The frequency modulation is made possible by placing an adder before the phase accumulator. The phase modulation requires an adder between the phase accumulator and the phase to amplitude converter. The amplitude modulation is implemented by inserting a multiplier between the phase to amplitude converter and the D/A-converter. The multiplier adjusts the digital amplitude word applied to the D/A-converter. Also, with some D/A-converters, it is possible to provide an accurate analog amplitude control by varying a control voltage Sta94.4.4 QAM ModulatorThe block diagram of the conventional QAM modulator with quadrate outputs is shown in Figure 4-4. The QAM mo duration can be performed by two cascaded rotation stages, a coarse rotation stage an d a fine rotation stage (see Sect ion 6.4 ) Ahm89, Cur01, Tor03, Son03.If the quartered output is not needed, then the complex multiplier can be replaced with the two multipliers and an adder, as shown in Figure 4-5. The output of the quartered modulator is shown in Figure. The pulse shaping filter in Figure 4-4 and Figure 4-5 reduces the transmitted signal bandwidth, which results in an increase in the number of available channels, and at the same time it maintains low adjacent channel interferences. Furthermore, it minimizes the inter-symbol interference (ISI). The interpolation filters increase the sampling rate and reject the extra images of the signal spectrum resulting from the interpolation operations. The quadrate DDS and the complex multiplier translate the signal spectrum from the base band into the IF.All the wave shaping is performed by the lower sample rate in the pulse shaping filter, and it is essential that the interpolation filters do not introduce any additional magnitude and phase distortion Cro83. The interpolation filters are usually implemented with multirate FIR structures. There exists a well-known multirate architecture for implementing very narrow-band FIR filters, which consists of a programmable coefficient FIR filter, and halfband filters (see Section 11.9) followed by the cascaded-integrator-comb (CIC) structure (see Section 11.10) Hog81. A re-sampler allows the use of sampling rates that are not multiples of the symbol rates.REFERENCESAhm89 H. M. Ahmed, Efficient Elementary Function Generation with Multipliers, in Proc. 9th Symposium on Computer Arithmetic, Santa Monica, CA, USA, Sept. 1989, pp. 52-59.Bra81 A. L. Bramble, Direct Digital Frequency Synthesis, in Proc. 35th Annu. Frequency Contr. Symp., USERACOM (Ft. Monmout h, NJ ), May 1981, pp. 406-414.Cro83 R. E. Crochiere, and L. R. Rabiner, Multirate Digital Signal Processing, Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1983.Cur01 F. Curticpean, and J. Niittylahti, An Improved Digital Quadrature Frequency Down-Converter Architecture, Asilomar Conf. on Signals, Syst. and Comput., Nov. 2001, pp. II-1318-1321.Dar70 S. Darlington, On Digital Single-Sideband Modulators, IEEE Trans. Circuit Theory, Vol. 17, No. 3, pp. 409-414, Aug. 1970.Dut78 D. L. Duttweiler, an d D. G. Messersc hmitt, Analysis of Digitally Generated Sinusoids with Application to A/D and D/A Converter Testing, IEEE Trans. on Commun., Vol. COM-26, pp. 669-675, May 1978. Gol96 B. G. Goldberg, Digital Techniques in Frequency Synthesis, McGraw-Hill, 1996.附录B多波形数字频率合成器摘要：直接数字频率合成(DDSDigital Direct Frequency Synthesis)技术是一种新的频率合成方法，是频率合成技术的一次革命，JOSEPH TIERNEY等3人于1971年提出了直接数字频率合成的思想，但由于受当时微电子技术和数字信号处理技术的限制，DDS技术没有受到足够重视，随着电子工程领域的实际需要以及数字集成电路和微电子技术的发展，DDS技术日益显露出它的优越性。关键词：直接数字频率合成器；相位累加器；信号源1.1 采用高性能DDS单片电路的解决方案随着微电子技术的飞速发展，目前市场上性能优良的DDS产品不断推出，主要有Qualcomm、AD、Sciteg和Stanford等公司单片电路(monolithic)。Qualcomm公司推出了DDS，系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的时钟频率为130MHz，分辨率为0.03Hz，杂散控制为-76dBc，变频时间为0.1s；美国AD公司也相继推出了他们的DDS系列：AD9850、AD9851、可以实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。AD公司的DDS系列产品以其较高的性能价格比，目前取得了极为广泛的应用。AD公司的常用DDS芯片选用列表见表1。下面仅对比较常用的AD9850芯片作一简单介绍。DDS在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系统提供了优于模化信号源的性能。(1)输出频率相对带宽较宽 输出频率带宽为50%fs(理论值)。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到40%fs。 (2)频率转换时间短 DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得DDS的频率转换时间极短。事实上，在DDS的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率转换的时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。DDS的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。 (3)频率分辨率极高 若时钟fs的频率不变，DDS的频率分辨率就由相位累加器的位数N决定。只要增加相位累加器的位数N即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数DDS的分辨率在1Hz数量级，许多小于1mhz甚至更小。 (4)相位变化连续 改变DDS输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。 (5)输出波形的灵活性 只要在DDS内部加上相应控制如调频控制FM、调相控制PM和调幅控制AM，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生FSK、PSK、ASK和MSK等信号。另外，只要在DDS的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当DDS的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。 (6)其他优点 由于DDS中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。 DDS也有局限性，主要表现在： (1)输出频带范围有限 由于DDS内部DAC和波形存储器(ROM)的工作速度限制，使得DDS输出的最高频率有限。目前市场上采用CMOS、TYL、ECL工艺制作的DDS芯片，工作频率一般在几十MHz至400MHz左右。采用GaAs工艺的DDS芯片工作频率可达2GHz左