简易信号发生器的设计(DOC)

课程设计说明书第II页1绪论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）、正弦波的电路被称简易信号发生器。简易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概要在工业，科研和学校等单位和一般无线电爱好者，维修人员都需要多电子设备进行必要的测量，在电子测量中又需要大量的、不同的测量仪器和仪表，而信号发生器是重要的测量仪器之一。最常用的波形包括：正弦波、方波和三角波。本设计重点在于应用模拟电子技术，采用集成运算放大器，选用RC串并联正弦波产生电路，实现正弦波的输出。采用限幅过零比较器实现方波输出，进而应用反相积分电路产生三角波。1.2设计要求设计一个简易信号发生器，要求产生正弦波，方波，三角波。并且要求稳压电源自行设计。该设计要求设计出正确的电子线路、选择合适的元器件（包括元的型号，特性和应用技巧），并对线路原理做出较深入地分析探讨，同时要求写出相应的设计说明书，画出电路图。对于设计说明书要求层次清楚，行文流畅，概念正确，原理分析准确详实等等课程设计说明书第III页2设计过程2.1简易信号产生方案对于波形产生电路的模拟电路的实现方案，也有几种电路方式可供选择。本实验选用最常用的，线路比较简单的电路加以分析。用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，其电路框图如图1所示。正弦波发生器方波三角波正弦波过零比较器积分器图12.2单元电路设计2.2.1稳压电源设计一.设计思路首先，题目要求设计的是一个直流稳压电源，而电网电压的有效值与所需的直流课程设计说明书第IV页电压相差较大，且电网电压含有的交流成分大，波动也较大。所以先让电网电压经过电源变压器、整流电路、滤波电路转换成直流电压。由于题目要求的输出电压是正负12v，说明稳压电路的集成块需要固定的，这里我选用三端固定的W7812.W7912集成电路。二.设计电路与原理1.直流稳压电源的基本原理直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。一般由电源变压器、整流电路、滤波电路及稳压电路组成，基本框图如下图2：图2其中：电源变压器：这里用的是降压变压器，它的作用是将220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压。(1)整流电路：将变压器副边的交流电压转换成直流电压，即将正弦波电压转换成单一方向的脉动电压。整流有半波整流和全波整流，它们的电路图和输出波形如下。在实用电路中多采用单相全波整流电路，最常用的就是单相桥式整流电路。本试验中采用也是单相桥式整流电路。课程设计说明书第V页图3图图图(2)滤波电路：整流电路的输出电压含有较大的交流成分，不能适应大多数电子电路及设备的需要，所以利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。最常用也最简单的滤波电路是电容滤波电路，电路图如下。电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。(3)(4)图4(4)稳压电路:由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值，当电网电压波动课程设计说明书第VI页时，输出电压平均值将随之产生相应的波动；另外，当负载变化时，整流滤波电路内阻上的电压将产生变化，输出电压平均值也随之产生相反的变化。为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。最简单的稳压电路是由稳压二极管和限流电阻组成的。在电路中，利用稳压管所起的电流调节作用，通过限流电阻上电压或电流的变化进行补偿，来达到稳压目的。本课程设计中采用可调式三端集成稳压器W7812,W7912。图52.2.2正弦波发生器课程设计说明书第VII页RC桥式正弦振荡电路如图所示。其中R1、C1和R3、C4为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。R3、RW及R4组成负反馈网络，调节RW可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。为了维持振荡输出，必须让3156RR为了保证电路起振，起振的幅值条件：电路的振荡频率：f0=1／2πRCR=(R5+RW)因为现频率可调范围是：20Hz~~200kHz所以R１=R3=50,R2=R4=10K,C1=C4=0.1uF,C2=C5=1uF,C3=C6=10uF3156RR课程设计说明书第VIII页2.2.3方波发生器过零比较器电压比较器简称比较器，其基本功能是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平或低电平电压，据此来判断输入信号的大小和极性。电压比较器通常由集成运放构成，与普通运放电路不同的是，比较器中的集成运放大多处于开环或正反馈的状态。只要在两个输入端加一个很小的信号，运放就会进入非线性区，属于集成运放的非线性应用范围。在分析比较器时，虚断路原则仍成立，虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适应。电压比较器是将一个模拟输入信号ui与一个固定的参考零电压进行比较和鉴别的电路。参考电压为零的比较器称为零电平比较器。如下图图7图7同相过零比较器课程设计说明书第IX页图8方波产生电路2.2.4三角波发生器积分电路在图9所示电路中，激励源为一矩形脉冲信号，响应是从电容两端取出的电压，即，且电路时间常数大于脉冲信号的脉宽，通常取。因为时，，在t=0时刻突然从0V上升到时，仍有，故。在期间内，，此时为RC串联状态的零状态响应，即。由于，所以电容充电极慢。当时，。电容尚未充电至稳态时，输入信号已经发生了突变，从突然下降至0V。则在期间内，，此时为RC串联电路的零输入响应状态，即。课程设计说明书第X页由于，所以电容从处开始放电。因为，放电进行得极慢，当电容电压还未衰减到时，又发生了突变并周而复始地进行。这样，在输出端就得到一个锯齿波信号，如图4-20所示。锯齿波信号在示波器、显示器等电子设备中作扫描电压。由图10波形可知：若越大，充、放进行得越缓慢，锯齿波信号的线性就越好。从图10波形还可看出，是对积分的结果，故称这种电路为积分电路。RC积分电路应满足三个条件：①为一周期性的矩形波；②输出电压是从电容两端取出；③电路时间常数远大于脉冲宽度，即。图9积分电路图图10积分电路的ui与uo波形本设计集成运放组成的反相积分电路，实现将方波转换为三角波如下图11图11三角波产生电路课程设计说明书第XI页3方波和三角波3.1方波和三角波的发生迟滞比较器的电路图如图12所示。该比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。由于正反馈作用，这种比较器的门限电压是随输出电压V0的变化而变化。在实际电路中为了满足负载的需要，通常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的VOH和VOL。图12由集成运算放大器构成的方波和三角波发生器，一般均包括比较器和RC积分器两大部分。如图13所示为由迟滞比较器和集成运放组成的积分电路所构成的方波和三角波发生器。图13方波和三角波发生器的工作原理ANVPVR1R2R3ZV0ViVZDTVTV0ViV0HV0LVR1R2R3WR10K20K1K0.022FCPV01V02VZDZV50KA1A2NV课程设计说明书第XII页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Vp＞0时A1输出为正，即VO1=+Vz；当Vp＜0时，A1输出为负即VO1=-Vz。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5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。0212201121VRRRVRRRVPZVRRV21020)()(21122121ZZPVRRRRRVRRRVZVRRV21022014WRfRRC01VZV02V21RRZVWR课程设计说明书第XIII页ZVZV12ZRVR12ZRVRt0V图143.2元件选择LM324二极管1N4148滑变电阻100K10K20K电阻10K1K2K3K51K电容0.01u0.022u课程设计说明书第XIV页4总体电路设计4.1设计原理图4.2元件清单电容:C1=C6=0.002μf;C2=C5=0.2μf;C3=C4=2μF;C7=0.022μf电阻:R1=4.7KΩ;;R3=4.7KΩ;R4=4KΩ;R5=4KΩ;R6=10KΩ;R7=0.7KΩ;R8=1KΩ;;R10=200KΩ；R11=10KΩ;R12=10KΩ;;R14=10KΩ;R15=10KΩ滑动变阻器：R2=20KΩ；R13=20KΩ；R9=50KΩ；R16=20KΩ二极管：D1，D2稳压二极管：D4，D5集成运放TL072(双点源供电+-12v)课程设计说明书第XV页总结通过这次设计，我的理论知识掌握得更扎实，动手能力明显提高。同时，通过网上搜索等多方面的查询资料，我学到许多在书本上没有的知识，也认识到理论联系实践的重要。理论学得好，但如果只会纸上谈兵，一点用都没有。以后也很难找到工作。这次设计，计算量大，调试繁琐，但是基本上实现了功能，在整个设计的过程中，遇到不少麻烦，通过此次设计，让我明白了理论知识在整个设计中的重要性，让自己在实践中也更加深沉的理解了理论知识，巩固理论知识。同时也体会到了电子技术的魅力。也领会到了团结，合作在电子设计中的重要性。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。也明白老师为什么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。致谢首先感谢我的指导老师贺老师对课题的讲解，让我对课题有一个全面充分全面的认识，让我在本次设计的课程中能够课题有一个很好的了解，在查资料的过程中知道哪方面的内容是我需要的，这样就减少许多不必要麻烦，能够在短时间内找到很大一部分有用的资料，这样对我的课程设计有非常大的帮助，表示感谢。其次感谢我的同学的帮助，大家在一块讨论的过程中，大家说出自己的想法，同时也让我找到了灵感，在讨论的过程中也是一个学习的过程，在讨论的过程中每个人说出自己的想法，这样肯定有自己不知道的东西，吸收到自己有用的东西，这样就是极大的帮助，在这里表示感谢。最后感谢指导老师贺老师对我的课程设计的审阅，并进行了精心的指导和修改，使我的课程设计更加的完善，同时是我的知识有了一次极大的丰收，总之本次课程设计是以此收获的过程，在这之中收获到许多，对贺老师表示感谢。课程设计说明书第XVI页参考资料[1]杨素行．模拟电子技术简明教材（第二版）[M]，北京：高等教育出版社，1998.10[2]江晓安.模拟电子技术[M]，西安电子科技大学出版社，2003.5[3]船舶工业总公司七一三所，常用电子电器元件手册[M],中国标准出版[4]胡宴如.模拟电子技术(第二版).高等教育出版社2006[5]康华光.电子技术基础--模拟部分（第四版）.高等教育出版社1998[6]谢自美.电子线路设计.实验.测试(第二版).华中科技大学出版社2000[7]电子电路大全(合定本).中国计量出版社1991[8]郝鸿安.常用