電子線路課程設(shè)計(jì)函數(shù)信號發(fā)生器課程設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)電子線路課程設(shè)計(jì)說明書2011/2012 學(xué)年第 一 學(xué)期題 目： 函數(shù)信號發(fā)生器 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 3 學(xué) 院： 信息商務(wù)學(xué)院 專 業(yè)： 通信工程 指 導(dǎo) 教 師： 系 主 任： 2012 年 1 月 5 日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書1設(shè)計(jì)目的：1）綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識，掌握一般電子線路分析和設(shè)計(jì)的基本方法和步驟；2）培養(yǎng)一定的獨(dú)立分析問題、解決問題的能力；3）實(shí)踐利用eda軟件繪制電子線路原理圖、pcb圖及仿真；4）學(xué)會(huì)說明書的規(guī)范整理和書寫。2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）：1、產(chǎn)生方波（200-2000hz可調(diào)，輸出電壓0-5v可調(diào)）；2、鋸齒

2、波（200-2000hz可調(diào)，輸出電壓0-5v可調(diào)）；3、占空比可調(diào)的矩形波（30%-70%）。4、注意要求每種波幅度可調(diào)、頻率可調(diào)，并給出自己設(shè)計(jì)方法的可調(diào)范圍及依據(jù)。運(yùn)放：mc1595、mc4558、f007或自選分工：方波一人，鋸齒波一人，矩形波一人。3設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求1） 分析設(shè)計(jì)任務(wù)，查閱相關(guān)資料；1 引言信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、

3、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號或脈沖信號運(yùn)載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。2 技術(shù)性能指標(biāo)1、產(chǎn)生方波（200-2000hz可調(diào)，輸出電壓0-5v可調(diào)）；2、鋸齒波（200-2000hz可調(diào)，輸出電壓0-5v可調(diào)）；3、占空比可調(diào)的矩形波（30%-70%）。4、注意要求每種波幅度可調(diào)、頻率可調(diào)，并給出自己設(shè)計(jì)方法的可調(diào)范圍及依據(jù)。運(yùn)放：mc1595、mc4558、f007或自選分工：方波一人，鋸齒波一人，矩形波一

4、人。按照以上技術(shù)完成要求設(shè)計(jì)出電路，繪制電路圖，對設(shè)計(jì)的電路用multisim進(jìn)行必要的仿真，用pcb軟件進(jìn)行制板、焊接，然后對制作的電路完成調(diào)試，撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告測，通過答辯3 方案的選擇根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的要求，對信號產(chǎn)生部分可采用多種方案：如模擬電路實(shí)現(xiàn)方案，數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)方案，模數(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)方案等。鑒于波形信號的產(chǎn)生和模擬聯(lián)系緊密，我們用模擬電路實(shí)現(xiàn)方案。模擬電路的實(shí)現(xiàn)方案就是指全部采用模擬電路的方式，以實(shí)現(xiàn)信號產(chǎn)生電路的所有功能。就此方案，也有幾種電路方式。3.1 方案一 圖3.1 方波和正弦波產(chǎn)生電路 用方波和三角波產(chǎn)生電路輸出方波和三角波1，再通過三角波正弦波轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生正弦波。方波和三角波發(fā)生

5、器的工作原理：a1構(gòu)成遲滯比較器同相端電位vp由vo1和vo2決定。利用疊加定理可得： 當(dāng) vp0時(shí)，a1輸出為正，即vo1 = +vz；當(dāng) vp0時(shí)，a1輸出為負(fù)即vo1 =-vz。a2構(gòu)成反相積分器vo1為負(fù)時(shí)，vo2 向正向變化，vo1 為正時(shí)，vo2 向負(fù)向變化。假設(shè)電源接通時(shí)vo1=-vz，線性增加。當(dāng)： 時(shí)，可得： 當(dāng)vo2上升到使vp略高于0v時(shí)，a1的輸出翻轉(zhuǎn)到vo1=+vz。同樣： 時(shí)當(dāng)vo2下降到使vp略低于0時(shí)，vo1 =-vz 。這樣不斷的重復(fù)，就可以得到方波vo1和三角波vo2。其輸出波形如圖2-6所示。輸出方波的幅值由穩(wěn)壓管dz決定，被限制在穩(wěn)壓值vz之間。電路的振

6、蕩頻率： 方波幅值： = 三角波幅值： = 調(diào)節(jié) 可改變振蕩頻率，但三角波的幅值也隨之而變化。圖3.2 方波和正弦波波形圖3.2 方案二圖3.3 信號發(fā)生器方框圖用正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號，然后用電壓比較器產(chǎn)生方波，再經(jīng)積分電路產(chǎn)生三角波，電路框圖如圖二。此電路結(jié)構(gòu)簡單，且有良好的正弦波和方波信號。但經(jīng)過積分器電路產(chǎn)生同步的三角波信號，存在難度。原因是積分器電路的積分時(shí)間常數(shù)不變的，而隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時(shí)改變。若要保持三角波的輸出幅度不變，需同時(shí)改變積分時(shí)間常數(shù)的大小。而且方波占空比2和鋸齒波幅度改變會(huì)同時(shí)引起其它波形的變化。 3.3 方案三 在方案二的基礎(chǔ)上

7、，我們添加方波產(chǎn)生電路作為鋸齒波產(chǎn)生的信號源，解決了課程設(shè)計(jì)中提出的對鋸齒波和矩形波調(diào)節(jié)而互不影響的要求。（2） 確定系統(tǒng)方案三。4 單元電路設(shè)計(jì)4.1 正弦波產(chǎn)生電路采用rc選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩電路稱為rc振蕩電路，它適用于低頻振蕩，一般用于產(chǎn)生200hz2000hz的低頻信號。因?yàn)閷τ趓c振蕩電路來說，增大電阻r即可降低振蕩頻率，而增大電阻是無需增加成本的。常用lc振蕩電路3產(chǎn)生的正弦波頻率較高，若要產(chǎn)生頻率較低的正弦振蕩，勢必要求振蕩回路要有較大的電感和電容，這樣不但元件體積大、笨重、安裝不便，而且制造困難、成本高。因此，200khz以下的正弦振蕩電路，一般采用振蕩頻率較低的rc振蕩電路。

8、常用的rc振蕩電路有相移式和橋式兩種。(1) rc移相式振蕩器，具有電路簡單，經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)，但選頻作用較差，振幅不夠穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)不便，因此一般用于頻率固定、穩(wěn)定性要求不高的場合。其振蕩頻率是 f0=1/（2rc） (2)rc橋式振蕩器 將rc串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)和放大器結(jié)合起來即可構(gòu)成rc振蕩電路，放大器件可采用集成運(yùn)算放大器。 我們在方案選擇中，正弦波電路是最重要的部分，正弦波不僅是所需輸出信號，而且是方波電路的輸入信號。此部分電路我們采用的是典型的rc喬氏正弦波振蕩電路如下圖，其中r1、r2、r5及二極管d1、d2構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)rw可改變負(fù)反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)整放大電路的電

9、壓增益，是滿足振蕩的復(fù)制條件。二極管d1、d2為自動(dòng)振幅元件，其作用是：當(dāng)u0幅值很小時(shí)。二極管d1、d2相當(dāng)于開路，此時(shí)有d1、d2和r組成的并聯(lián)支路等效電阻較大，設(shè)r2、和r5、d1、d2并聯(lián)支路的總等效電阻為rf，則rf也較大，所以auf=（1+rf/r1）3,有利于起振;反之當(dāng)u0幅值較大時(shí)，d1、d2導(dǎo)通，并聯(lián)支路的等效電阻下降，rf也下降，所以auf隨之下降，如果此時(shí)auf3，則u0幅值趨于穩(wěn)定。另外，采用兩只二極管反向并聯(lián)，目的是使輸出電壓在正負(fù)兩個(gè)半周期內(nèi)輪流工作，使正半周和負(fù)半周振幅相等，這兩只管子特性應(yīng)相同。而rc串并聯(lián)電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)兼作反饋環(huán)節(jié)，連接于集成運(yùn)放的輸

10、出端和同向輸入端之間構(gòu)成正反饋，以產(chǎn)生正弦自激振蕩。根據(jù)振蕩器的頻率，計(jì)算rc乘積的值，有 rc=1/(2*3.14*f0) 已知給出f0=200hz2khz，則rc=0.795*10-60.795*10-7，為了使選頻網(wǎng)絡(luò)的特性不受運(yùn)算放大器輸入電阻和輸出電阻的影響，按rirr0的關(guān)系選擇r的值，為了計(jì)算方便，初選r=0.795k，則c=1uf0.1uf，我們采用雙層波段開關(guān)兩組兩支容值100倍的電容，則c1=0.1uf，c2=1uf。而r則取為1k的可調(diào)電阻。因此，鑒于設(shè)計(jì)要求頻率200hz2khz跨度較大，我們采用雙層波段開關(guān)兩組兩支電容和兩支同軸電位器來調(diào)節(jié)。選用不同的電容作為振蕩頻率

11、f0的粗調(diào)，用同軸電位器實(shí)現(xiàn)f0的微調(diào)。每一值電容和電位器組合都可以調(diào)節(jié)一段范圍，交叉，故實(shí)現(xiàn)頻率為連續(xù)可調(diào)。為了實(shí)現(xiàn)仿真，根據(jù)運(yùn)算放大器的技術(shù)參數(shù)，并且結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，運(yùn)算放大器為lm324n。正弦波產(chǎn)生電路如圖三。圖4.1 正弦波產(chǎn)生電路4.2 方波、矩形波產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生電路較簡單，主要由比較器lm339n4的反相輸入端接電壓構(gòu)成電壓比較器。在實(shí)用電路中為了滿足負(fù)載需要，常在集成運(yùn)算的輸出端加穩(wěn)壓管限幅電路。限幅電路的作用是把輸出信號幅度限定在一定的范圍內(nèi)，亦即當(dāng)輸入電壓超過或低于某一參考值后，輸出電壓將被限制在某一電平（稱作限幅電平），且再不隨輸入電壓變化。在此電路中，我們將限幅電路跨接在

12、輸出端和反相輸入端之間。圖4.2.1 方波產(chǎn)生電路圖4.2.2 矩形波產(chǎn)生電路4.3 矩形波產(chǎn)生鋸齒波電路輸出信號與輸入信號的積分成正比的電路，稱為積分電路。積分電路可將矩形脈沖波轉(zhuǎn)換為鋸齒波。電路原理很簡單，都是基于電容的沖放電原理。 圖4.3 鋸齒波產(chǎn)生電路5 總電路圖 圖5 函數(shù)信號發(fā)生器總電路圖 （3） 用相關(guān)軟件進(jìn)行仿 6 仿真結(jié)果6.1正弦波仿真結(jié)果 圖6.1 正弦波仿真圖6.2方波、矩形波仿真結(jié)果圖6.2.1 方波仿真圖圖6.2.2 占空比可調(diào)矩形波仿真圖6.3鋸齒波仿真結(jié)果圖6.3 鋸齒波產(chǎn)生圖6.4三種波形同時(shí)仿真結(jié)果圖6.4 三路波形仿真圖7 用protel軟件畫原理圖與p

13、cb及仿真結(jié)果圖7.1 protel原理圖圖7.2 pcb電路板制作 31233并用protel或12 4）按格式要求撰寫課程設(shè)計(jì)說明書。 由函數(shù)信號發(fā)生器題目要求，本次設(shè)計(jì)一共分為三部分，分別由方波（200-2000hz可調(diào)，輸出電壓0-5v可調(diào)）；鋸齒波（200-2000hz可調(diào)，輸出電壓0-5v可調(diào)）；占空比可調(diào)的矩形波（30%-70%）組成。其中，李佳潞負(fù)責(zé)正弦波和方波產(chǎn)生的模塊。首先，用rc橋式振蕩器產(chǎn)生正弦波，據(jù)計(jì)算可得符合要求的r、c值，并經(jīng)仿真調(diào)試，產(chǎn)生了可調(diào)頻調(diào)幅的正弦波；其次，將所產(chǎn)生的正弦波通過電壓比較器，得到產(chǎn)生方波的電路，經(jīng)仿真并調(diào)試，產(chǎn)生了200-2000hz可調(diào)、

14、輸出電壓0-5v可調(diào)的方波。姚美杏負(fù)責(zé)占空比可調(diào)的矩形波（30%-70%）產(chǎn)生的模塊。根據(jù)產(chǎn)生方波的電路可知，除了將產(chǎn)生的正弦波通過電壓比較器之外，還需將定值電阻改變成可調(diào)電阻，便可改變占空比。經(jīng)仿真并調(diào)試，產(chǎn)生占空比可調(diào)的矩形波（30%-70%）。閆永強(qiáng)負(fù)責(zé)鋸齒波（200-2000hz可調(diào)，輸出電壓0-5v可調(diào)）產(chǎn)生的模塊。將產(chǎn)生的矩形波通過可調(diào)電阻（用于進(jìn)行調(diào)幅），并經(jīng)積分電路，便可得到鋸齒波。經(jīng)仿真并調(diào)試，產(chǎn)生200-2000hz可調(diào)、輸出電壓0-5v可調(diào)的鋸齒波。8 結(jié)論函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案有多種，但我們所采取的方案能夠同時(shí)產(chǎn)生較好的正弦波、方波、矩形波、鋸齒波，而正弦波可調(diào)占空比

15、，鋸齒波可調(diào)斜率而不影響其它波形。在選擇方案時(shí)，通過比較，也有更簡單的方案，但是考慮到仿真結(jié)果和實(shí)際器件時(shí)剔除了，最后器件的選擇是根據(jù)最簡原則和從經(jīng)濟(jì)性方面考慮的，并且此電路實(shí)現(xiàn)了這次設(shè)計(jì)的最終目的。但是如果用于實(shí)際，部分器件應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況加以改變。 總結(jié)與體會(huì)： 經(jīng)過兩周的課程設(shè)計(jì)，終于達(dá)到了此次課設(shè)的目的，成功的做出了信號發(fā)生器。雖說過程有點(diǎn)曲折，有點(diǎn)累，但是最后得到了理想的結(jié)果，心里還是很高興的。 此次課程設(shè)計(jì)設(shè)需要有最終方案的選擇，自己通過比較，仿真軟件的仿真最終選擇了最優(yōu)的方案，經(jīng)過小組成員的努力，不斷地查閱資料，終于做出了滿意的方案。我們學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識，掌握一般電子線

16、路分析和設(shè)計(jì)的基本方法和步驟，這很好的鍛煉了我們的自學(xué)能力，對于培養(yǎng)我們獨(dú)立分析和設(shè)計(jì)的基本方法和步驟得到了進(jìn)一步的提升。并且在pcb制板和仿真過程中，更加熟悉了protel軟件，畫出電子線路原理圖后，雖然也遇到了各種各樣的問題，但是經(jīng)過仔細(xì)的分析電路，同時(shí)與同學(xué)討論，經(jīng)過各種調(diào)試，繪制出了pcb圖，并且得出了最終仿真結(jié)果。使自己的理論知識和動(dòng)手能力都有了很大的提高。此外，非常感謝給位老師的幫助，讓我們更加圓滿地完成了此次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)，讓我們有如此大的收獲。 防守對方dfgd4設(shè)計(jì)成果形式及要求：1) 用計(jì)算機(jī)仿真軟件制圖或仿真；2) 課程說明書用計(jì)算機(jī)打印，并裝訂；3）電子文檔一份。5主要

17、參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)1 畢滿清主編電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20052 陳曉文主編電子線路課程設(shè)計(jì).第1版.北京：電子工業(yè)出版社，20043 謝自美主編. 電子線路綜合設(shè)計(jì). 第1版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006 4 康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）第五版m.北京：高等教育出版社.2006.1. 5 康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）第五版m.北京：高等教育出版社.2006.1. 6 邱關(guān)源原著.電路第四版.北京:高等教育出版社m.2006. 7 吳運(yùn)昌主編.模擬集成電路原理與應(yīng)用m.華南理工大學(xué)出版社.1995 8 張慶雙主編.實(shí)用電子電路200例 m.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.46工作計(jì)劃及進(jìn)度：2011年12月26日 12月27日 分析設(shè)計(jì)任務(wù)書，查閱相關(guān)資料及設(shè)計(jì)手冊；2011年12月28日 12月30日 確定系統(tǒng)方案，組成模塊框圖，設(shè)計(jì)各模塊電路；2012年1月1日 1月3日 分析電路各參數(shù)及其特性并繪制電子線路原理圖、pcb圖及仿真分析，并撰寫課程