方波 三角波 正弦波发生器模电设计.doc

课程设计报告题 目 方波、三角波、正弦波信号发生器设计 课 程 名 称 模拟电子技术课程设计 院 部 名 称 机电工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 13电气单 学 生 姓 名 王康健 学 号 1304201017 课程设计地点 C105 课程设计学时 1周 指 导 教 师 赵国树 金陵科技学院教务处制目录1、绪论············································································31.1相关背景知识···························································31.2课程设计目的·········· ················································31.3课程设计的任务························································41.4课程设计的技术指标··················································42、信号发生器的基本原理····················································5 2.1原理框图·································································5 2.2总体设计思路···························································53、各组成部分的工作原理···················································6 3.1方波产生电路·······················································6 3.1.1方波产生电路图··········································6 3.1.2方波产生电路的原理····································6 3.1.3方波电路参数的计算····································6 3.2方波到三角波的转换电路···········································7 3.2.1方波到三角波转换电路图·································7 3.2.2方波到三角波转换电路的工作原理·····················7 3.2.3方波到三角波转换电路参数的计算·····················7 3.3三角波到正弦波的转换电路···········································8 3.3.1三角波到正弦波转换电路图·································8 3.3.2三角波到正弦波转换电路的工作原理·····················8 3.3.3三角波到正弦波转换电路参数计算·························84、电路仿真结果·······························································9 4.1方波产生电路的仿真结果········································94.2三角波转换电路的仿真结果·······························9 4.3正弦波转换电路的仿真结果·······························9 5、设计结果分析与总结······················································12 主要参考文献·····························································121. 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。在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。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。正弦信号使使用最广泛的测试信号。信号发生器能产生多种波形，能三角波、锯齿波、方波、正弦波的电路被称为函数信号发生器。1.1相关背景知识信号发生器也称信号源，是用来产生振荡信号的一种仪器，为使用者提供需要的稳定、可信的参考信号，并且特征参数完全可控。所谓可控信号特征，主要是指输出信号的频率、幅度、波形、占空比、调制形式等参数都可以人为地控制设定。随着科技的发展，实际应用到的信号形式越来越多，越来越复杂，频率也越来越高，所以信号发生器的种类也越来越多，同时信号发生器的电路结构形式也不断向着智能化、软件化、可编程化发展。由于信号源信号的特征参数均可人为设定，所以可以方便的模拟各种情况下不同特性的信号，对于产品研发和电路实验特别有用。信号发生器技术发展至今，引导技术潮流的仍是国外的几大仪器公司，如日本横流、Agilent、Tektronix等。美国的FLUKE公司的FLUKE-25型函数发生器是现有的测试仪器中最具有多样性功能的几种仪器之一，它和频率计数器组合在一起，在任何条件下都可以给出很高的波形质量，能给出低失真的正弦波和三角波，还能给出过冲很小的快沿方波，其最高频率可以达到5MHz，最大输出幅度也达到10Vpp。国内信号发生器起步晚，但是发展至今，已经渐渐跟上国际的脚步，能够利用高新技术开发出达到国际水平的高性能多功能信号发生器。1.2课程设计目的通过本次课程设计所要达到的目的是：提高学生在模拟集成电路应用方面的技能，树立严谨的科学作风，培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力。学生通过电路设计初步掌握工程设计方法，逐步熟悉开展科学实践的程序和方法，为后续课程的学习和今后从事的实际工作打下必要的基础。1.3课程设计的任务设计一个方波、三角波、正弦波函数发生器；能同时输出一定频率一定幅度的三种波形：正弦波、方波和三角波；用±5V电源供电；1.4课程设计的技术指标输出波形：正弦波、方波、三角波；频率范围在10Hz-10000Hz范围内可调； 比较器用LM339,运算放大器用LM324，双向稳压管用两个稳压管代替。2. 信号发生器的基本原理2.1原理框图2.2信号发生器的总体设计信号发生器是一种能够产生多种波形,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，可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。它是一种不可缺少的通用信号源。 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信号发生器的设计方法。 本课题中信号发生器电路组成框图如下所示：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同样由积分环节来完成。电压比较器实现方波的发生，方波通过积分环节可以将方波变换成三角波，同样将三角波通过积分环节可将三角波变换成正弦波。 三角波 正弦波 方波 信号发生器电路组成框图3. 各组成部分的工作原理3.1.1方波产生电路图3.1.2方波产生电路的工作原理此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。调节R8可以调节频率幅度3.1.3 方波电路电路参数的计算U-=UcU+= (R3/ (R3+R4+Rp2) (+Uz)Ut = (R3/ (R3+R4+Rp2) (+Uz)Uc (t) =Uc (oo) + Uc (0)-Uc (oo) e -t/Ut+=Uz+ Ut_-Uz T=2/ln (1+2R3/（R4+Rp2)3.2.1方波到三角波转换电路图 3.2.2方波到三角转换电路的工作原理若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、R8组成电压比较器，C2为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+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Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。a点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器,其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出为Uo2。a点闭合，既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。调节R9可以调节频率幅度3.2.3方波到三角波转换电路参数的计算设Uo1=+Vcc,则 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 比较器的门限宽度由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-71所示。a点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为时，时，可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下图所示。a点闭合，既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。三角波的幅度为方波-三角波的频率f为3.3三角波到正弦波的转换电路3.3.1三角波到正弦波转换电路图3.3.2三角波到正弦波转换电路的工作原理将三角波变成正弦波是经过一个非线性的变换网络（正弦波变换器）而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波点位向两端顶点摆动时，网络提供的电流同路阻抗会变小，这样就使三角波的两端变为平滑的正弦波输出。调节R12可以调节频率幅度3.3.3三角波到正弦波转换电路参数计算比较器A1与积分器A2的元件计算如下。得即取 ，则，取 ，RP1为47K的点位器。区平衡电阻由式（3-62）即当时，取，则，取，为100K电位器。当时 ，取以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻。三角波>正弦波变换电路的参数选择原则是：根据不同频率段的输入的三角波变更换第二个积分环节的电容大小，根据需要控制反向放大器的放大倍数以得到符合要求的幅值。4. 电路仿真结果4.1 方波产生电路的仿真结果4.2 方波到三角转换电路的仿真结果4.3 三角波到正弦波转换电路的仿真结果5 设计结果分析与总结通过对函数信号发生器的设计，我还深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，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，明白了学以致用的真谛。也明白老师要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。本次实验采用集成运算放大器LM324来产生方波，三角波，正弦波，综合运用了迟滞比较器，积分器，二阶有源低通滤波电路，既让理论联系上了实际，又锻炼了我们的动手能力。  参考文献李万臣、模拟电子技术基础实验与课程设计、2001、哈尔滨工程大学出版社华成英、模拟电子技术基础、2005、高等教育出版社董 平、电子技术实验、2003、电子工业出版社童诗白、模拟电子技术基础（第四版）、2006、高等教育出版社于 卫、模拟电子技术实验及综合实训教程、2008、华中科技大学出版社谢自美、电子线路设计·实验·测试（第三版）、华中科技大学出版社李万臣、模拟电子技术基础 设计 仿真 编程与实践、哈尔滨工程大学出版社