波形发生器函数信号发生器设计课程设计

课程设计1目录一、设计要求------------------------------------------------2二、设计的作用与目的------------------------------------2三、波形发生器的设计------------------------------------31、函数波形发生器原理和总方案设计-------------------32、方案选择及单元电路的设计---------------------------53、仿真与分析----------------------------------------------94、PCB版电路制作-----------------------------------------13四、心得体会-----------------------------------------------15五、参考文献-----------------------------------------------16附录课程设计2波形发生器的设计电路函数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。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。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。一、设计要求设计一台波形信号发生器，具体要求如下：1.该发生器能自动产生正弦波、三角波、方波。2.指标：输出波形：正弦波、三角波、方波。频率范围：1Hz~10Hz，10Hz~100Hz,100Hz~1KHz,1KHz~10KHz。输出电压：方波VP-P≤24V，三角波VP-P=8V，正弦波VP-P＞1V；3.频率控制方式：通过改变RC时间常数手控信号频率。4.用分立元件和运算放大器设计的波形发生器要求用EWB进行电路仿真分析，然后进行安装调试。二、设计的作用与目的1.通过这次课程设计从而掌握方波——三角波——正弦波函数发生器的原理及设计方法。2.掌握迟滞型比较器的特性参数的计算。3.学会安装与调试由分立器件与集成电路组成的多级电子电路小系统。4.能够使用电路仿真软件进行电路调试。课程设计3三、波形发生器的设计1、函数波形发生器原理和总方案设计函数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，波形发生器电路可以采用不同的电路形式和元器件实现。有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是运算放大器和分立元件(如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用单片专用集成芯片设计(如单片函数发生器模块8038)。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或将方波变成正弦波等等。下面就对各种方案原理进行分析：1.1采用运算大放器和分立元件构成用运算放大器设计波形发生器电路的关键部分是振荡器，而设计振荡电路的关键是选择器件确定振荡电路的形式，以及确定元件参数值等。①用正弦振荡器实现多种波形发生器用正弦振荡器产生正弦波，正弦波信号通过变换电路（例如用施密特触发器）得到方波输出。其主要特点是采用串--并联网络作为选频网络和正反馈网络。它的振荡频率为f=1/2πRC，改变RC的值，可以得到不同频率的正弦波信号。为了输出电压的稳定，必须采用相应的稳幅措施。此方案原理框图如图1所示。课程设计4图1用正弦振荡器实现多种波形发生器原理框图②用多谐振荡器实现多种波形发生器利用多谐振荡器产生方波信号输出，用积分电路将方波变成三角波输出，用差分放大电路将三角波变成正弦波输出，也可以采用二极管折线电路近似实现三角波—正弦波的转换。也可以使方波进过滤波电路得到正弦波输出，同时方波经积分电路可得到三角波输出。此方案原理框图如图2所示。图2用多谐振荡器实现多种波形发生器原理框图1.2用单片函数发生器5G8038构成多功能波形发生器前面几种方法都是用分立元件或部分集成器件组成的信号产生电路，随着集成制造技术的不断发展，信号发生器已经被制造成专用集成电路。目前用的较多的集成函数发生器使5G80438。课程设计52方案选择及单元电路的设计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，先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。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。此方案设计起来简单方便，其中比较起于积分电路和反馈网络组成多谐振荡器，其中比较器中产生的方波通过积分电路变换成三角波，电容充放电时间决定三角波的频率。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。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。经过仿真得出了方波、三角波、正弦波，方波——三角波转换及三角波——正弦波转换的波形图。下面介绍由集成运算放大器及分立元件组成方波---三角波---正弦波波形发生器的设计步骤。其电路框图如图3所示图3波形发生器电路原理框图课程设计62.1方波的产生①方波发生电路的工作原理：在一般原理上分析，可以在滞回比较器电路的基础上，靠正反馈和RC充放电回路组成方波发生器。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。由于滞回比较器的输出只有两种可能的状态：高电平和低电平。两种不同的输出电平时RC电路进行充电或放电，于是电容上的电压将升高或降低，而电容上的电压由作为滞回比较器的输入电压控制其输出端状态发生跳变，从而使RC电路有充电过程变为放点过程或相反。如此循环往复，周而复始，最后在滞回比较器的输出端即可得到一个高低电平变化周期性交替的方波信号。方波发生电路中运算放大器接成同相输入滞回比较器型式，由这一端口反馈引入三角波信号，触发滞回比较器自动翻转形成方波信号，方波信号从运算放放大器输出端输出。②方波发生器元件参数的选择：运算放大器A1，A2选择双运算集成放大路，LM747（也可以选其他合适的运放），采用双电源供电+Vcc=12V，—Vcc=—12V。一起到稳定方波电压在12V的目的。2.2三角波的产生①三角波发生电路原理：为了得到线性度比较好的三角波，可以将前面所得方波进行积分以后得到，需要一个积分电路产生三角波。由于设计任务要求频率要求范围分别为：1Hz——10Hz，10Hz——100Hz，100Hz——1kHz，1kHz——10kHz4个波段，故电路的设计必须改进符合设计要求，即可以手动调节波形的频率。为了实现品路的调节，需对其电阻及其电容加以调节，采用多个电容的使用选择。课程设计7三角波发生电路，将运算放大器接成积分电路形式，利用电路的自激振荡，由滞回比较器电路输出的方波信号，经积分电路后产生三角波信号，从运放放大器的输出端输出。同时从运算放大器的输出端向方波电路中的运算放大器引入反馈信号，已达到产生方波的目的。②三角波参数的计算及元件参数的选择1.比较器与积分器的元件参数计算如下：由f=(3R+1pR)/42R(42pRR)C有42pRR=(3R+1pR)/4f2RC其中2R/（3R+1pR）≥1/3因为输出方波峰——峰值1C_ppU≤24V，题目要求三角波输出电压值VP-P=8V故要求2R/31pRR≥1/3取2R=10KΩ,则31pRR=30KΩ取3R=20KΩ，则1pR=20KΩ因为输出方波峰——峰值VP-P≤24V，故取两个IN4742稳压管，起到正反向输出的双向限副作用。由式ƒ=312424()ppRRRRRc得到42pRR=34fc所以当1Hz≤ƒ≤10Hz,取1C=10μF,则42pRR=7.5KΩ~75KΩ取4R=7.5KΩ,课程设计8当10Hz≤ƒ≤100Hz,取C=1μF;2pR=100KΩ;当10Hz≤ƒ≤100Hz,取C=1μF;当100Hz≤ƒ≤1KHz,取C=0.1μF;当1KHz≤ƒ≤10KHz,取C=0.01μF.改变开关E.F.G与电容1C，2C，3C和4C的连接位置，即可调节方波和三角波输出频率。2.3正弦波的产生①正弦波发生电路原理：可由RC振荡电路产生，也可以通过三角波——正弦波的变换电路产生，本设计方案中主要采用有差分放大器来完成。差分放大器工作电积分，输入阻抗高，抗干扰能力强，可以有效地抑制零点漂移，利用差分放大电路传输特性曲线的非线性，将三角波型号转化为正弦波信号，传输特性曲线越对称，线性区越好三角波的幅值U应正好是晶体管结晶饱和区和截止区。正弦波发生电路：在三角波产生电路的积分电路中RP3调节三角波的幅度，RP4调节差分放大电路的对称性，其并联RE1用来减小差分放大电路的线性区，电容C5，C6，C7为隔直电容由于输出频率较低，所以其容量一般较大。C8为滤波电容，以消除谐波分量，改善输出波形，差分放大器的静态工作点可通过观测传输型曲线，调整RP4和电阻R6确定。②正弦波参数的计算及元件参数的选择差分放大电路的4只晶体管选用晶体管2N3393，电路中晶体管放大倍数β1=β2=β3=β4=60，电源电压取+Vcc=12V，—Vcc=—12V。三角波经电容idU5C和分压电路7R、3pR给差分电路输入差模电压idU一般情况下,idU26mv,因为三角波幅度值为8V,故取课程设计97R=47KΩ,3pR=470Ω,因为三角波频率不高,所以隔直电容5C6C7C取得较大些,5C=6C=7C=470μF.滤波电路8C视输出波形而定,若含高次谐波成分较多,8C可取的较小,这里取8C=0.1μF.取2ER=100Ω,相并联,以减小差分放大电路的线性区。差分放大电路的静态工作点主要由恒流源oI决定的，oI越小恒流源越恒定，温漂越小，放大器输出阻抗越大，一般取几毫安左右，3、仿真与分析用分立元件和运算放大器时，应用Multisim10软件对电路进行仿真分析。3.1单元电路仿真分析及结果3.1.1方波发生电路仿真原理图，如图4所示图4方波发生电路仿真原理图课程设计10方波发生电路仿真结果，如图5所示图5方波仿真波形图3.1.2三角波发生电路仿真原理图，如图6所示图6三角波发生电路仿真原理图课程设计11三角波发生电路仿真结果，如图7所示图7三角波仿真波形图3.1.3正弦波发生电路仿真原理图，如图8所示图8正弦波发生电路仿真原理图课程设计12正弦波发生电路仿真结果，如图9所示图9正弦波仿真波形图3.2整体电路仿真分析及结果波形发生电路仿真原理图，如图10所示图10波形发生器电路仿真原理图课程设计13波形发生电路仿真结果，如图11所示图11波形发生器电路仿真波形图4、PCB版电路制作建立一个新的工程MyDesign1.ddb选择SchematicDocument，双击。双击新建出来的Sheet1.Sch图标，进入电路图编辑过程。选择所需器件。选择器件模型。在器件的选择栏中选出所需的全部器件，包括电阻器，电位器R电容器，运算放大器，晶体管，接地端和直流电源+Vcc。在编辑框中选中器件同时点击空格键可对器件进行旋转操作。用连接线将器件连接起来，构成的protel原理图。之后双击器件对器进行名称Designate的操作。课程设计14再在菜单栏中的的File中选择New，之后选择PCBDocument。进入PCBDocument后，BrowsePCB中的Libraries，在器件中分别选取单端口、双端口和三端口的模块，并在Sheet1.Sch中对应的在中对是几端口的器件分别填入在PCB中所对应的端口的名称。在Sheet1.Sch中对器件的Footprint中输入对应的模块型号，在菜单栏中的Desgian中选择CreatNetlist，创建网络表成功之后在PCBDocument中的菜单栏Desgian中选择LoadNets，将器件移至合适位置，在其周边使用Plac