电子线路课程设计-信号发生器综述

电子线路课程设计设计题目：信号发生器设计班级：2012级电子信息科学与技术（3）班学号：080212095、080212104、080212103姓名：韦胜斌、张飞、宋亮指导教师：丁蕾设计时间：2014年11月I摘要信号发生器是一种能够产生多种波形，如锯齿波、三角波、方波、正弦波的电路。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。本设计通过对信号发生器的原理以及构成进行分析，设计了信号发生器，能够输出稳定的正弦波和方波，实现占空比50%,并且能够实现频率和输出幅度可调。设计中采用常用器件NE555为核心，通过比较获得最佳电路方案，并对电路各部分工作原理进行了分析，确定其能够稳定工作，利用相关仪器多次试验，测试达到了设计要求。关键词：振荡器；RC电路；射极输出器；方波；三角波；正弦波。II目录摘要..............................................................I1概述............................................................12课程设计任务及要求..............................................12.1设计任务...................................................12.2设计要求...................................................13理论设计........................................................13.1方案论证...................................................13.2系统设计...................................................23.2.1结构框图及说明........................................23.2.2系统原理图及工作原理.................................33.3单元电路设计...............................................43.3.1单元电路工作原理......................................43.3.2元件参数选择.........................................74.安装调试.......................................................74.1安装调试过程...............................................74.2故障分析..................................................105.结论..........................................................106.使用仪器设备清单..............................................107.收获、体会和建议..............................................118.参考文献......................................................1211概述信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。按照频率范围分类可以分为：超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。按照输出波形分类可以分为：正弦信号发生器和非正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：脉冲信号发生器，信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。2课程设计任务及要求2.1设计任务设计一信号发生器。2.2设计要求设计一信号发生器，至少能产生一定频率和幅值的方波、三角波。可拓展产生更多其他波形。3理论设计3.1方案论证方案一：通过RC震荡电路产生正弦波，然后经过过零比较器，产生三角波，在通过积分电路产生方波。其中，RC震荡电路为RC桥式正弦振荡电路，然后通过放大器构成过零比较器来实现方波的转换，在通过反向积分电路来实现方波到三角波的转化。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，如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：可以按照方波——三角波——正弦波的顺序来设计电路，其中，方2波可以通过模电中的方波发生电路来产生，也可以通过数电中的555多谐振荡电路来产生，方波到三角波为积分的过程，三角波到正弦波可以通过低通滤波来实现，也可以利用差分放大器的传输非线性来实现或者通过折现法来实现。可行性分析：纵观以上N种方案，对比如下，本着自己动手的观念，首先排除第二种用集成芯片的方法，因为这种方法对设计的要求太低；其次分析方案一可得其RC桥式正弦震荡电路的占空比受R和C共同影响，调节频率时需要调节的元器件参数太多，比较繁琐，并且此震荡电路的频率也不是很好的满足设计的要求。所以综上所述，选择方案三来实现本次的课程设计：555多谐振荡器的频率很好计算和调节，并且输出的波形比较准确；波到三角波的转化可通过简单RC积分电路来实现；角波到正弦波可通过简单RC低通滤波器来实现也可通过折现法或者差分法来实现。分析方案后最终选择方案三。3.2系统设计3.2.1结构框图及说明首先，将555定时器接成多谐震荡电路，多谐震荡电路的输出便是方波，接着接一个RC积分电路，从而产生三角波，最后接一个无源低通滤波器，从而产生正弦波。如框图1所示。555多谐振荡器积分电路低通滤波电路图1首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角波，如图2，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，如图3。图23图33.2.2系统原理图及工作原理NE555功能分析NE555是电子设计中常用元器件，在这个元件中既有模拟电路电压渐变、电位比较的特点，又具有数字电路中输出高电平或低电平的特点。在下表1功能表中“L”表示低电平，“H”表示高电平，“x”可以理解为不管是什么状态。在555中复位管脚4决定了555输入和输出的关系，复位管脚是低电平时，不管2、6管脚如何变化都不会影响输出状态，此时3管脚保持低电平。只有复位4为高电平时，2、6管脚才会决定输出状态。通用NE555的管脚图如下图4所示。表1图4NE555引脚图根据对NE555的分析，设计如初图如图5，工作过程为：4管脚一直接高电平，因此2、6管脚电平会直接影响输出管脚3的电平。首先电源通过R1、Rp1对C1充电，2、6管脚电位随着时间逐渐升高，达到阈值后，管脚3输出低电平，7管脚放电端开启，此时C1通过Rp1经7管脚放电，2、6管脚电位逐渐降低，低至阈值后，管脚3由低电平变为高电平，7脚放电端截止。再次重复初始过程，即电源通过R1、Rp1对C1充电，如此周而复始，管脚3即可输出方波。4图5方波经过积分电路、滤波电路以及射极输出电路，最终得到合适的三角波与正弦波，考虑到设计的要求，是频率与波形幅度可调，可采用电位器Rp1与Rp2来实现，但在这里要注意2个问题，第一：接入积分电路后，积分电路对前级存在一定影响，因此后级将信号分为2部分；第二：由于后级电路的衰减后导致输出信号比较弱，因此在最后引入射极输出器，以便于信号发生器具有带负载的能力。总体设计原理图如图6：图63.3单元电路设计3.3.1单元电路工作原理1.电源极性保护电路,如图7。5该部分电路的主要功能是保护电路以及电源探测电路，电源接入通电时，发光二极管D2(LDE灯)被点亮，而保护电路则是消除电源极性接法对电路的影响。其中，D1（1N4007）作为整流二极管，具有单向导电性，具有较强的正向浪涌承受能力。电解电容C9对电流具有缓冲作用。2.方波产生电路，如图8。图84管脚一直接高电平，因此2、6管脚电平会直接影响输出管脚3的电平。首先电源通过R1、Rp1对C1充电，2、6管脚电位随着时间逐渐升高，达到阈值后，管脚3输出低电平，7管脚放电端开启，此时C1通过Rp1经7管脚放电，2、6管脚电位逐渐降低，低至阈值后，管脚3由低电平变为高电平，7脚放电端截止。再次重复初始过程，即电源通过R1、Rp1对C1充电，如此周而复始，管脚3即可输出方波，通过对电位器Rp1的调节从而调节输出频率。63.三角波产生电路---积分电路，如图9。图9电路的时间常数R*C，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时，Uc=Oo.随后C充电，由于RC≥Tk,充电很慢,所以认为Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)∫Uidt这就是输出Uo正比于输入Ui的积分（∫Uidt)RC电路的积分条件：RC≥Tk当输入信号为方波时，积分电路的输出为三角波。4.正弦波产生电路——低通滤波电路，如图10。所谓的低通滤波器就是允许低频信号通过，而将高频信号衰减的电路，RC低通滤波器电路的组成如图所示。三角波可以分解成由无数不同频率的正弦波组成的复合波。当输入信号为三角波时，用低通滤波器将其高频成分滤掉后，波形将不再有尖顶部分，波形变得圆滑，从而变成类正弦波。图10图中正弦波是通过二次滤波得到的。5.后级信号放大电路，如图11。由于后级电路的衰减后导致输出信号比较弱，因此在最后引入射极输出器，以便于信号发生器具有带负载的能力。图11（R：+，H:-）73.3.2元件参数选择参数计算：改进型多谐振荡电路主要改进了电容充电和放电的回路，使得回路的时间常数相同即可。充电时间：T1=(R1+Rp1)C1ln2=0.7(R1+Rp1)C1放电时间：T2=0.7Rp1C1振荡周期：T=T1+T2=0.7(R1+2Rp1)C1振荡频率：f=1/T=1.43/(0.7(R1+2Rp1)C1)通过分析计算后，电阻R1取值1千欧姆，电位器Rp1取值10千欧姆，电容C1取值0.047微法。其他各元件依据分析计算取值如下：1.电源：9V直流电源。2.电阻（单位；欧姆）：R3=510、R4=R5=R6=R10=10K、R7=1M、R8=4.7K、R9=1K、R11=R12=100K。3.电容（单位：微法）：C2=C5=C7=0.01、C3=0.1、C4=C6=0.047、C8=C9=1。4.安装调试4.1安装调试过程在绘制电路的原理图时，我分别采用了multisim和AltiumDesigner软件，multisim用于仿真分析结果，AltiumDesigner则用于原理图绘制和PCB板图的绘制为后面制作PCB板做准备。multisim仿真及调试过程：首先设置好实验相关参数，接着画原理图，最后运行（用示波器观察波形）。一开始运行的时候示波器上并未出现预期的波形，示波器上出现了不规则的波形。接下来便是反复地修改参数。最后根据波形选择了合理的参数。各波形如下。方波：8三角波：正弦波：根据NE555振荡频率计算公式，带入元件参数计算得：波形的频率大约为1.4K—20KHz可调。波形幅度这是通过电位器Rp2