电子线路课程设计函数信号发生器课程设计.doc

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1、中北大学电子线路课程设计说明书2011/2012 学年第 一 学期题 目： 函数信号发生器 学生姓名： 学 号： 3 学 院： 信息商务学院 专 业： 通信工程 指 导 教 师： 系 主 任： 2012 年 1 月 5 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1）综合运用所学的理论知识，掌握一般电子线路分析和设计的基本方法和步骤；2）培养一定的独立分析问题、解决问题的能力；3）实践利用EDA软件绘制电子线路原理图、PCB图及仿真；4）学会说明书的规范整理和书写。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1、产生方波（200-2000Hz可调，输出电压0-5V可调）；2、锯齿

2、波（200-2000Hz可调，输出电压0-5V可调）；3、占空比可调的矩形波（30%-70%）。4、注意要求每种波幅度可调、频率可调，并给出自己设计方法的可调范围及依据。运放：MC1595、MC4558、F007或自选分工：方波一人，锯齿波一人，矩形波一人。3设计工作任务及工作量的要求1） 分析设计任务，查阅相关资料；1 引言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、

3、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。2 技术性能指标1、产生方波（200-2000Hz可调，输出电压0-5V可调）；2、锯齿波（200-2000Hz可调，输出电压0-5V可调）；3、占空比可调的矩形波（30%-70%）。4、注意要求每种波幅度可调、频率可调，并给出自己设计方法的可调范围及依据。运放：MC1595、MC4558、F007或自选分工：方波一人，锯齿波一人，矩形波一

4、人。按照以上技术完成要求设计出电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim进行必要的仿真，用PCB软件进行制板、焊接，然后对制作的电路完成调试，撰写设计报告测，通过答辩3 方案的选择根据实验任务的要求，对信号产生部分可采用多种方案：如模拟电路实现方案，数字电路实现方案，模数结合实现方案等。鉴于波形信号的产生和模拟联系紧密，我们用模拟电路实现方案。模拟电路的实现方案就是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。就此方案，也有几种电路方式。3.1 方案一 图3.1 方波和正弦波产生电路 用方波和三角波产生电路输出方波和三角波1，再通过三角波正弦波转换器产生正弦波。方波和三角波发生

5、器的工作原理：A1构成迟滞比较器同相端电位Vp由VO1和VO2决定。利用叠加定理可得： 当 Vp0时，A1输出为正，即VO1 = +Vz；当 Vp0时，A1输出为负即VO1 =-Vz。A2构成反相积分器VO1为负时，VO2 向正向变化，VO1 为正时，VO2 向负向变化。假设电源接通时VO1=-Vz，线性增加。当： 时，可得： 当VO2上升到使Vp略高于0V时，A1的输出翻转到VO1=+Vz。同样： 时当VO2下降到使Vp略低于0时，VO1 =-Vz 。这样不断的重复，就可以得到方波VO1和三角波VO2。其输出波形如图2-6所示。输出方波的幅值由稳压管DZ决定，被限制在稳压值Vz之间。电路的振

6、荡频率： 方波幅值： = 三角波幅值： = 调节 可改变振荡频率，但三角波的幅值也随之而变化。图3.2 方波和正弦波波形图3.2 方案二图3.3 信号发生器方框图用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用电压比较器产生方波，再经积分电路产生三角波，电路框图如图二。此电路结构简单，且有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生同步的三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波的输出幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。而且方波占空比2和锯齿波幅度改变会同时引起其它波形的变化。 3.3 方案三 在方案二的基础上

7、，我们添加方波产生电路作为锯齿波产生的信号源，解决了课程设计中提出的对锯齿波和矩形波调节而互不影响的要求。（2） 确定系统方案三。4 单元电路设计4.1 正弦波产生电路采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于产生200Hz2000Hz的低频信号。因为对于RC振荡电路来说，增大电阻R即可降低振荡频率，而增大电阻是无需增加成本的。常用LC振荡电路3产生的正弦波频率较高，若要产生频率较低的正弦振荡，势必要求振荡回路要有较大的电感和电容，这样不但元件体积大、笨重、安装不便，而且制造困难、成本高。因此，200kHz以下的正弦振荡电路，一般采用振荡频率较低的RC振荡电路。

8、常用的RC振荡电路有相移式和桥式两种。(1) RC移相式振荡器，具有电路简单，经济方便等优点，但选频作用较差，振幅不够稳定，频率调节不便，因此一般用于频率固定、稳定性要求不高的场合。其振荡频率是 f0=1/（2RC） (2)RC桥式振荡器 将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC振荡电路，放大器件可采用集成运算放大器。 我们在方案选择中，正弦波电路是最重要的部分，正弦波不仅是所需输出信号，而且是方波电路的输入信号。此部分电路我们采用的是典型的RC乔氏正弦波振荡电路如下图，其中R1、R2、R5及二极管D1、D2构成负反馈网络和稳幅环节。调节Rw可改变负反馈的反馈系数，从而调整放大电路的电

9、压增益，是满足振荡的复制条件。二极管D1、D2为自动振幅元件，其作用是：当u0幅值很小时。二极管D1、D2相当于开路，此时有D1、D2和R组成的并联支路等效电阻较大，设R2、和R5、D1、D2并联支路的总等效电阻为Rf，则Rf也较大，所以Auf=（1+Rf/R1）3,有利于起振;反之当u0幅值较大时，D1、D2导通，并联支路的等效电阻下降，Rf也下降，所以Auf随之下降，如果此时Auf3，则u0幅值趋于稳定。另外，采用两只二极管反向并联，目的是使输出电压在正负两个半周期内轮流工作，使正半周和负半周振幅相等，这两只管子特性应相同。而RC串并联电路构成选频网络，同时兼作反馈环节，连接于集成运放的输

10、出端和同向输入端之间构成正反馈，以产生正弦自激振荡。根据振荡器的频率，计算RC乘积的值，有 RC=1/(2*3.14*f0) 已知给出f0=200Hz2KHz，则RC=0.795*10-60.795*10-7，为了使选频网络的特性不受运算放大器输入电阻和输出电阻的影响，按RiRR0的关系选择R的值，为了计算方便，初选R=0.795k，则C=1uF0.1uF，我们采用双层波段开关两组两支容值100倍的电容，则C1=0.1uF，C2=1uF。而R则取为1k的可调电阻。因此，鉴于设计要求频率200Hz2KHz跨度较大，我们采用双层波段开关两组两支电容和两支同轴电位器来调节。选用不同的电容作为振荡频率

11、f0的粗调，用同轴电位器实现f0的微调。每一值电容和电位器组合都可以调节一段范围，交叉，故实现频率为连续可调。为了实现仿真，根据运算放大器的技术参数，并且结合经济性，运算放大器为LM324N。正弦波产生电路如图三。图4.1 正弦波产生电路4.2 方波、矩形波产生电路方波产生电路较简单，主要由比较器LM339N4的反相输入端接电压构成电压比较器。在实用电路中为了满足负载需要，常在集成运算的输出端加稳压管限幅电路。限幅电路的作用是把输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。在此电路中，我们将限幅电路跨接在

12、输出端和反相输入端之间。图4.2.1 方波产生电路图4.2.2 矩形波产生电路4.3 矩形波产生锯齿波电路输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波。电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理。 图4.3 锯齿波产生电路5 总电路图 图5 函数信号发生器总电路图 （3） 用相关软件进行仿 6 仿真结果6.1正弦波仿真结果 图6.1 正弦波仿真图6.2方波、矩形波仿真结果图6.2.1 方波仿真图图6.2.2 占空比可调矩形波仿真图6.3锯齿波仿真结果图6.3 锯齿波产生图6.4三种波形同时仿真结果图6.4 三路波形仿真图7 用PROTEL软件画原理图与P

13、CB及仿真结果图7.1 PROTEL原理图图7.2 PCB电路板制作 31233并用PROTEL或12 4）按格式要求撰写课程设计说明书。 由函数信号发生器题目要求，本次设计一共分为三部分，分别由方波（200-2000Hz可调，输出电压0-5V可调）；锯齿波（200-2000Hz可调，输出电压0-5V可调）；占空比可调的矩形波（30%-70%）组成。其中，李佳潞负责正弦波和方波产生的模块。首先，用RC桥式振荡器产生正弦波，据计算可得符合要求的R、C值，并经仿真调试，产生了可调频调幅的正弦波；其次，将所产生的正弦波通过电压比较器，得到产生方波的电路，经仿真并调试，产生了200-2000Hz可调、

14、输出电压0-5V可调的方波。姚美杏负责占空比可调的矩形波（30%-70%）产生的模块。根据产生方波的电路可知，除了将产生的正弦波通过电压比较器之外，还需将定值电阻改变成可调电阻，便可改变占空比。经仿真并调试，产生占空比可调的矩形波（30%-70%）。闫永强负责锯齿波（200-2000Hz可调，输出电压0-5V可调）产生的模块。将产生的矩形波通过可调电阻（用于进行调幅），并经积分电路，便可得到锯齿波。经仿真并调试，产生200-2000Hz可调、输出电压0-5V可调的锯齿波。8 结论函数信号发生器的设计方案有多种，但我们所采取的方案能够同时产生较好的正弦波、方波、矩形波、锯齿波，而正弦波可调占空比

15、，锯齿波可调斜率而不影响其它波形。在选择方案时，通过比较，也有更简单的方案，但是考虑到仿真结果和实际器件时剔除了，最后器件的选择是根据最简原则和从经济性方面考虑的，并且此电路实现了这次设计的最终目的。但是如果用于实际，部分器件应该根据实际情况加以改变。 总结与体会： 经过两周的课程设计，终于达到了此次课设的目的，成功的做出了信号发生器。虽说过程有点曲折，有点累，但是最后得到了理想的结果，心里还是很高兴的。 此次课程设计设需要有最终方案的选择，自己通过比较，仿真软件的仿真最终选择了最优的方案，经过小组成员的努力，不断地查阅资料，终于做出了满意的方案。我们学会综合运用所学的理论知识，掌握一般电子线

16、路分析和设计的基本方法和步骤，这很好的锻炼了我们的自学能力，对于培养我们独立分析和设计的基本方法和步骤得到了进一步的提升。并且在PCB制板和仿真过程中，更加熟悉了PROTEL软件，画出电子线路原理图后，虽然也遇到了各种各样的问题，但是经过仔细的分析电路，同时与同学讨论，经过各种调试，绘制出了PCB图，并且得出了最终仿真结果。使自己的理论知识和动手能力都有了很大的提高。此外，非常感谢给位老师的帮助，让我们更加圆满地完成了此次课程设计的任务，让我们有如此大的收获。 防守对方dfgd4设计成果形式及要求：1) 用计算机仿真软件制图或仿真；2) 课程说明书用计算机打印，并装订；3）电子文档一份。5主要

17、参考文献：参考文献1 毕满清主编电子技术实验与课程设计.第3版.北京：机械工业出版社，20052 陈晓文主编电子线路课程设计.第1版.北京：电子工业出版社，20043 谢自美主编. 电子线路综合设计. 第1版.武汉：华中科技大学出版社，2006 4 康华光主编.电子技术基础（模拟部分）第五版M.北京：高等教育出版社.2006.1. 5 康华光主编.电子技术基础（数字部分）第五版M.北京：高等教育出版社.2006.1. 6 邱关源原著.电路第四版.北京:高等教育出版社M.2006. 7 吴运昌主编.模拟集成电路原理与应用M.华南理工大学出版社.1995 8 张庆双主编.实用电子电路200例 M.

18、北京：机械工业出版社，2003.46工作计划及进度：2011年12月26日 12月27日 分析设计任务书，查阅相关资料及设计手册；2011年12月28日 12月30日 确定系统方案，组成模块框图，设计各模块电路；2012年1月1日 1月3日 分析电路各参数及其特性并绘制电子线路原理图、PCB图及仿真分析，并撰写课程设计说明书；2012年1月4日 1月5日 按格式要求完成课程设计说明书；2012年1月6 日 成绩考核系主任审查意见： 签字： 年 月 日目录1、引言32、技术性能指标33、方案的选择43.1、方案一43.2、方案二73.3、方案三84、单元电路设计84.1、正弦波产生电路84.2、方波、矩形波产生电路114.3、矩形波产生锯齿波电路135、总电路图146、波形仿真结果156.1正弦波仿真结果156.2方波、矩形波仿真结果156.3锯齿波仿真结果176.4三种波形同时仿真结果177、 PCB版制作188、结 论21总结与体会21参 考 文 献23