信号发生器课程设计报告

1目录一、课题名称······································2二、内容摘要······································2三、设计目的······································2四、设计内容及要求································2五、系统方案设计··································3六、电路设计及原理分析····························4七、电路仿真结果··································7八、硬件设计及焊接测试····························8九、故障的原因分析及解决方案·····················11十、课程设计总结及心得体会·······················122一、课题名称：函数信号发生器的设计二、内容摘要：函数信号发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而此次课程设计旨在运用模拟电子技术知识来制作一个能同时输出正弦波、方波、三角波的信号发生器。三、设计目的：1、进一步掌握模拟电子技术知识的理论知识，培养工程设计能力和综合分析能力、解决问题的能力。2、基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力。3、学会运用Multisim仿真软件对所做出来的理论设计进行仿真测试，并能进一步解决出现的基本问题，不断完善设计。4、掌握常用元器件的识别和测试，熟悉万用表等常用仪表，了解电路调试的基本方法，提高实际电路的分析操作能力。5、在仿真结果的基础上，实现实际电路。四、设计内容及要求：1、要求完成原理设计并通过Multisim软件仿真部分（1）RC桥式正弦波产生电路，频率分别为300Hz、1KHz、10KHz、500KHz，输出幅值300mV~5V可调、负载1KΩ。（2）占空比可调的矩形波电路，频率3KHz，占空比可调范围10%~90%，输出幅值3V、负载1KΩ。（3）占空比可调的三角波电路，频率1KHz，占空比可调范围10%~90%，输出幅值3V、负载1KΩ。（4）多用信号源产生电路，分别产生正弦波、方波、三角波，频率范围3400Hz~5KHz、输出幅值≥5V、负载电阻1KΩ。软件仿真部分元器件不限，只要元器件库中有即可，但需要注意合理选取。2、要求实际制作部分上述（4）多用信号源产生电路，分别产生正弦波、方波、三角波，频率范围100Hz~3KHz、输出幅值≥5V、负载电阻1KΩ。3、硬件设计：组装、调试根据原理图焊接的函数信号发生器.硬件制作部分核心元器件：uA741、LM324、9013，电阻电容不限。五、系统方案设计：函数信号发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数信号发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路，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，如首先产生正弦波、然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波获将方波变成正弦波等等，本次设计采用先产生方波、三角波，再将三角波变换成正弦波的方法。由比较器和差分器组成方波--三角波产生电路，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，抗干扰能力强等优点，特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可以将频率很低的三角波转换为正弦波。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。波形转换电路：比较器产生方波积分器产生三角波用差分放大电路实现正弦波，相应转换关系如下:4六、电路设计及原理分析(一)总电路设计图：①R1、R2、R3、R4及U1构成同相输入迟滞比较器，在U1的6脚输出方波。R4为可变电阻，可调节相应方波幅度。②R5、R6、R16、C1和U2构成积分器，将方波变换成三角波，在U2的6脚输出三角波。R6为可变电阻，可调节方波和三角波的频率。③Q1、Q2及相应电阻、电容构成差分放大电路，利用差分放大电路传输特性曲线的非线性性将三角波转换成正弦波。C2、C3、C4均为隔直通交电容，R7、R11为可变电阻，R7用于调节波形失真情况，R11用于调节差分放大电路传输曲线的对称性。④Q3、Q4、R13、R14、R15构成比例电流源。(二)方波产生电路：5工作原理：由于同相迟滞比较器具有回差特性，有两个门限电压，设某个瞬间电路的输出电压为+Uz，此时滞回电压比较器的门限电压为UTH1，输出信号经电阻R对电容C充电，uc的波形如图（a）所示。当uc上升到UTH1时，比较器翻转，输出电压变为-Uz，门限电压也随之变为UTH2，此时，电容C经电阻R放电，当该电压下降到UTH2时，输出电压又回到+Uz，电容又开始充电的过程，周而复始，比较器输出端便得到矩形波信号Uo。其波形如图（b）所示。设电容器在t=0时开始充电，充电的初始电压uc（0）=UTH2，电容器的充电电压uc最终为+Uz，根据这些特点可得电容充电过程三要素为uc（0）=UTH2，uc（∞）=+Uz，τ=RC根据一阶RC电路的三要素表达式，可得电容上的电压随时间变化的关系：因滞回电压比较器的门限电压为：uc从UTH2充电到UTH1所需的时间为tw，因电容器充、放电的时间相等，所以，振荡的周期改变R1、R2、R和C的参数，即可改变输出信号的频率，使充、放电电路的时间常数不相等，就可改变输出信号的占空比。下图为仿真时的方波产生电路：12222ln(1)wRTtRCRCCCCZTH2Z()()(0)()ttutuuueUUUe1THZ12RUURR111212wtZZZZRRUUUUeRRRR21212122wtRRReRRRR6(三)三角波产生电路：工作原理：根据RC积分电路输入和输出信号波形的关系可知，当RC积分电路的输入信号为方波时输出信号是三角波，由此可得，利用方波信号发生器和积分电路就可以组成三角波信号发生器。根据叠加定理，A1同相端电位A1的u+=u-=0，则阈值电压uo1=±UZ，若初态从-UZ到+UZ，则该电路振荡信号的频率与三角波输出信号的幅度有关，根据三角波工作波形可知，正向积分的起始值为-UT，终值为+UT，积分时间为二分之一周期，可得出振荡周期，三角波输出信号的频率为电路中的R1、R2、R的阻值和C的容量，可以改变振荡频率；而调节R1和R2的值可以改变三角波的幅值。下图为仿真时的三角波产生电路：12Zo2121RRuUuRRRR12TZRUURO10O01()()ZuUttutRC124RRCTR214RfRRC7(四)正弦波产生电路：三角波转换成正弦波：波形变换的原理是利用差分放大的传输特性曲线的非线性，波形变换过程如图所示。由图可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好;三角波的幅度Ui应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。为实现三角波-正弦波转换电路，其中R7、R11为可变电阻，R7用于调节波形失真情况，R11用于调节差分放大电路传输曲线的对称性。C2、C3、C4均为隔直通交电容。8七、电路仿真结果1.方波仿真结果：2.三角波仿真结果：3.正弦波仿真结果：八、硬件设计及焊接测试：(一)按照电路原理图进行焊接：1.先使用万用表，测出所需的电阻值，分辨电容正负极性，三极管的发射极、9集电极和基极。2.按照信号发生器的原理电路图，首先在电路板上布置好电路元件，避免焊到最后，没有剩余空间供其他部分电路焊接。同时，必须认识到电路板上焊接点的分布，区分他们是否连接好，已经导通，避免短路。3.最后，依次焊接元器件，连接好导线，接通电源，进行测试。(二)焊接注意事项：1.依照器件分布原则，主要版块尽量分开，布好器件，然后进入焊接阶段；2.焊接时应该注意，焊剂加热挥发产生的化学物质对人体有害，操作时，鼻子尽量不要离烙铁太近，一般注意鼻子与焊接区域间保持不小于30cm的距离；3.在不使用电烙铁时，应把其放在右前方的烙铁架上，避免导线等被烫坏，并且在多人的环境中应避免烙铁头对准他人；4.在使用电烙铁时应注意手的握法，不能用手直接触摸烙铁头，避免手被烫伤；5.焊接并初步检查完后，检查电路板中是否存在虚焊，尤其注意电路中不要有短路的地方；6.开始进行波形调试，若开始发现没有产生波形，应该用万用表测试相应的参数并分析；7.注意芯片的引脚不能短路，否则可能会烧坏芯片；8.在调试时，有时会出现滑动变阻器的阻值调不了，这可能是有些引脚短路了，也有可能是滑动变阻器滑动端未接入电路。(三)焊接完后实物如下：10(四)调试：1.方波调试：在信号输出端接入示波器，观察是否有正弦波输出，调节R4实现方波的幅度可调，调节R6实现方波的频率可调。2.三角波调试：如果正弦波正常输出，换三角波输出端口，检测是否有三角波，调节R7实现三角波的幅度可调，调节R6实现三角波的频率可调。3.正弦波调试：接入直流电源后，将C3左边的线接地，测量差分放大电路的静态工作点。调节R11使差分放大电路的传输特性曲线对称，用示波器进行观察并调试实现正弦波的幅度和频率可调。(五)示波器输出波形：方波：11三角波正弦波九、故障的原因分析及解决方案：1.故障一：测试电路观测不到波形。原因分析：a.电路连接出现问题，例如：导线短路，未接地线或者电源线等；b.芯片为不合格品；c.杂波干扰，导致波形不能正常输出。解决方案：a.仔细检查电路，可通过借助万用表等工具测试线路问题；b.换另一块合格芯片c.添加滤波电路滤除杂波。2.故障二：频率增大时，正弦波和方波幅度不变，三角波幅度明显减小。原因分析：积分电路的积分时间常数通常是保持不变的，随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度将同时改变。解决方案：改变积分时间常数的大小。同步减小C1或者Rw1，延长积分时间。123.故障三：三角波顶部或底部失真。原因分析：a.方波信号边沿失真。b.积分电路时间常数选取不当。解决方案：a.在方波信号输出端增加稳幅电路。b.改变积分时间常数的大小，或者选择一大电阻（300K左右）与积分电容C1并联，调节三角波线性度。4.故障四：在方波及三角波正常输出情况下，正弦波失真或输出不正常。原因分析：a.三极管连接错误或三极管已坏，导致波形不能输出；b.测试线连接错误；c.滑动变阻器未调节好解决方案：a.取出三极管将工作正常的三极管重新焊接好；b.修改输出线路c.利用相关工具调节滑动变阻器使之处于正常输出状态。十、课程设计总结及心得体会：此次模电课程设计，从原理图的设计仿真，到硬件电路的焊接调试与设计报告的完成共持续了一个多星期的时间，是我们在专业领域内的一次深刻而极具意义的实践探索，不仅让我们更进一步了解了专业知识，也让我们看到了专业理论与实践相结合在当今信息时代的重要意义。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。此次实验的内容以完成设计和焊接一个函数信号发生器为主要内容，主要利用本专业