電子技術課程設計方波 三角波 正弦波發(fā)生器

1、湖南人文科技學院課程設計報告課程名稱： 電子技術課程設計設計題目： 方波 三角波 正弦波發(fā)生器 系 別： 通信與控制工程系 專 業(yè)： 自動化 班 級： 07級二班 學生姓名: 學 號: 起止日期: 2009年06月02日2009年06月22日 指導教師: 教研室主任： 指導教師評語： 指導教師簽名： 年 月 日成績評定項 目權重成績宋贊龔玉洲劉慧平1、設計過程中出勤、學習態(tài)度等方面0.22、課程設計質量與答辯0.53、設計報告書寫及圖紙規(guī)范程度0.3總 成 績 教研室審核意見：教研室主任簽字： 年 月 日教學系審核意見： 主任簽字： 年 月 日摘 要波形發(fā)生器廣泛地應用于各大院校和科研場所。隨

2、著科技的進步，社會的發(fā)展，單一的波形發(fā)生器已經(jīng)不能滿足人們的需求，而我們設計的正是多種波形發(fā)生器。本文利用脈沖數(shù)字電路原理設計了多種波形發(fā)生器，該發(fā)生器可通過555數(shù)字芯片，運放來組成rc積分電路，低通濾波電路來分別實現(xiàn)方波，三角波和正弦波的輸出。它的制作成本不高，電路簡單，使用方便，有效的節(jié)省了人力，物力資源，具有實際的應用價值。關鍵詞：多諧振蕩器；積分電路；低通濾波電路目 錄 設計要求11前言12方波、三角波、正弦波發(fā)生器方案22.1 方案一原理框圖22.2方案二原理框圖22.3 函數(shù)發(fā)生器的選擇方案33各組成部分的工作原理43.1 方波發(fā)生電路的工作原理43.2 方波-三角波轉換電路的工

3、作原理53.3三角波-正弦波轉換電路的工作原理53.4總電路圖64.用multisim10電路仿真74.1輸出方波電路的仿真74.2方波三角波電路的仿真74.3方波正弦波電路的仿真85. protel制圖及pcb板的制作和電路的安裝105.1 protel制圖105.1.1 正弦波、三角波、方波產生原理圖105.1.2pcb布線圖105.1.3pcb板三維圖115.1.4. pcb板底層布線圖115.2 pcb板的制作125.3 將各元件安裝到pcb板上126.電路的實驗結果及分析146.1方波波形產生電路的實驗結果146.2 方波-三角波轉換電路的實驗結果146.3正弦波發(fā)生電路的實驗結果1

4、56.4實驗結果分析157實驗總結168儀器儀表清單179參考文獻1810.致謝19方波三角波正弦波函數(shù)信號發(fā)生器設計要求1設計、組裝、調試方波、三角波、正弦波發(fā)生器。2輸出波形：方波、三角波、正弦波；3頻率范圍 ：在501000hz范圍內可調 ；1前言在人們認識自然、改造自然的過程中，經(jīng)常需要對各種各樣的電子信號進行測量，因而如何根據(jù)被測量電子信號的不同特征和測量要求，靈活、快速的選用不同特征的信號源成了現(xiàn)代測量技術值得深入研究的課題。信號源主要給被測電路提供所需要的已知信號(各種波形)，然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)?？梢娦盘栐丛诟鞣N實驗應用和實驗測試處理中，它不是測量儀器，而是根據(jù)使用者

5、的要求，作為激勵源，仿真各種測試信號，提供給被測電路，以滿足測量或各種實際需要。波形發(fā)生器就是信號源的一種，能夠給被測電路提供所需要的波形。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術，由分立元件或模擬集成電路構成，其電路結構復雜，不能根據(jù)實際需要靈活擴展。隨著微電子技術的發(fā)展，運用單片機技術，通過巧妙的軟件設計和簡易的硬件電路，產生數(shù)字式的正弦波、方波、三角波、鋸齒等幅值可調的信號。與現(xiàn)有各類型波形發(fā)生器比較而言，產生的數(shù)字信號干擾小，輸出穩(wěn)定，可靠性高，特別是操作簡單方便。2方波、三角波、正弦波發(fā)生器方案2.1 方案一原理框圖 圖1 方波、三角波、正弦波、信號發(fā)生器的原理框圖首先由555定時器組成的

6、多諧振蕩器產生方波，然后由積分電路將方波轉化為三角波，最后用低通濾波器將方波轉化為正弦波，但這樣的輸出將造成負載的輸出正弦波波形變形，因為負載的變動將拉動波形的崎變。2.2方案二原理框圖正弦波方波三角波積分電路電壓比較器rc正弦波振蕩電路 圖2 正弦波、方波、三角波信號發(fā)生器的原理框圖rc正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波方波三角波函數(shù)發(fā)生器的設計方法，電路框圖如上。先通過rc正弦波振蕩電路產生正弦波，再通過電壓比較器產生方波，最后通過積分電路形成三角波。此電路具有良好的正弦波和方波信號。但經(jīng)過積分器電路產生的同步三角波信號，存在難度。原因是積分器電路的積分時間常數(shù)是不變的，

7、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改變。若要保持三角波幅度不變，需同時改變積分時間常數(shù)的大小。2.3 函數(shù)發(fā)生器的選擇方案函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件(如低頻信號函數(shù)發(fā)生器s101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調試技術，本課題未采用單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038。方案一的電路結構、思路簡單，運行時性能穩(wěn)定且能較好的符合設計要求，且成本低廉、調整方便，關于輸出正弦波波形的變形，可

8、以通過可變電阻的調節(jié)來調整。而方案二，關于三角波的缺陷，不是能很好的處理，且波形質量不太理想，且頻率調節(jié)不如方案一簡單方便。綜上所述，我們選擇方案一。3各組成部分的工作原理3.1 方波發(fā)生電路的工作原理圖3 由555定時器組成的多諧振蕩器 利用555與外圍元件構成多諧振蕩器，來產生方波的原理。用555定時器組成的多諧振蕩器如圖3所示。接通電源后，電容c2被充電，當電容c2上端電壓vc升到2vcc/3時使555第3腳v0為低電平，同時555內放電三極管t導通，此時電容c2通過r3、rp放電，vc下降。當vc下降到vcc/3時，v0翻轉為高電平。電容器c2放電所需的時間為tpl= ( r3 +rp

9、) c2ln2 (3-1) 當放電結束時，t截止，vcc將通過r1、r3、rp 向電容器c2充電，vc由vcc/3 上升到2vcc/3所需的時間為tph= (r1+r3+ rp) c2ln2=0.7( r1+r3+ rp) c2 (3-2) 當vc上升到2vcc/3時，電路又翻轉為低電平。如此周而復始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。電路的工作波形如圖4，其震蕩頻率為f=1/（tpl+tph）=1.43/(r1+2r3+2rp) c2 (3-3) 圖4 由555定時器組成的多諧振蕩器工作波形3.2 方波-三角波轉換電路的工作原理 圖5 積分電路產生三角波 rc積分電路是一種應用比

10、較廣泛的模擬信號運算電路。在自動控制系統(tǒng)中，常用積分電路作為調節(jié)環(huán)節(jié)。此外，rc積分電路還可以用于延時、定時以及各種波形的產生或變換。由555定時器組成的多諧振蕩器輸出的方波經(jīng)c4耦合輸出，如圖5所示為rc積分電路，再經(jīng)r與c積分，構成接近三角波。其基本原理是電容的充放電原理。 3.3三角波-正弦波轉換電路的工作原理圖6 三角波產生正弦波原理圖原理：采用低通濾波的方法將三角波變換為正弦波。3.4總電路圖圖7 函數(shù)發(fā)生器總電路圖總電路圖的原理：555定時器接成多諧振蕩器工作形式，c2為定時電容，c2的充電回路是r2r3rpc2；c2的放電回路是c2rpr3ic的7腳(放電管)。由于r3+rpr2

11、，所以充電時間常數(shù)與放電時間常數(shù)近似相等，由ic的3腳輸出的是近似對稱方波。按圖所示元件參數(shù)，其頻率為1khz左右，調節(jié)電位器rp可改變振蕩器的頻率。方波信號經(jīng)r4、c5積分網(wǎng)絡后，輸出三角波。三角波再經(jīng)r5、c6積分網(wǎng)絡，輸出近似的正弦波。c1是電源濾波電容。發(fā)光二極管vd用作電源指示燈。 4.用multisim10電路仿真4.1輸出方波電路的仿真 用multisim10電路仿真軟件進行仿真。從multisim10仿真元件庫中調出所需元件，按電路圖接好線路，方波輸出端接一個虛擬的示波器，接通電源后，可得如圖8所示的輸出方波仿真圖。圖8 輸出方波電路的仿真4.2方波三角波電路的仿真方法同輸出方

12、波電路的仿真方法，可得圖9所示的方波轉三角波波形仿真圖。 (a)(b) (c)圖9方波轉三角波波形(a)方波、(b)三角波、(c)方波與三角波重合4.3方波正弦波電路的仿真方法同輸出方波電路的仿真方法，可得圖10所示的三角波轉正弦波波形仿真圖。 (a) (b)圖10 三角波轉正弦波形圖(a)三角波、(b)正弦波仿真結果完全符合設計要求，說明電路圖可行，接下來就是pcb制圖、制板、焊接、調試。5 protel制圖及pcb板的制作和電路的安裝5.1 protel制圖5.1.1 pcb原理圖利用dxp 2004制圖軟件進行制圖。打開dxp 2004制圖軟件，創(chuàng)建一個項目：pcb項目，然后在這個pcb

13、項目里創(chuàng)建一個原理圖和一個pcb文件。在原理圖上，從軟件的元件庫里調出所需元件，按電路圖接好線，可得如圖11所示的正弦波、三角波、方波原理圖。 圖11 正弦波、三角波、方波產生原理圖5.1.2pcb布線圖將dxp 2004制圖軟件中的pcb原理圖封裝，布線。點擊軟件菜單欄中“設計”按鈕，然后點擊其下的“update pcb document.pcb2pcbdoc”按鈕，就將pcb原理圖封裝，布線到創(chuàng)建的pcb文件上，如圖12所示的pcb布線圖。圖12 pcb布線圖5.1.3pcb板三維圖 在pcb布線圖的視圖中，點擊菜單欄中的“查看”按鈕，然后點擊其下的“顯示三維pcb板”按鈕，就得到如圖13

14、所示的pcb板三維圖。 圖13 pcb板三維圖5.1.4. pcb板底層布線圖在pcb布線圖的視圖中，點擊菜單欄中的“文件”按鈕，然后點擊其下的“打印預覽”按鈕，在出現(xiàn)的各圖中就有如圖14所示的pcb板底層布線圖。圖14 pcb板底層布線圖5.2 pcb板的制作 將pcb板底層布線圖打印到熱轉印紙上，將其粘在一塊合適的銅板上，然后將銅板通過熱轉印器，將銅板腐蝕，用打孔機在其上的各個元件的引腳打孔，就得到如圖15所示的pcb板實物圖。圖15 pcb板實物圖5.3 將各元件安裝到pcb板上(1)把555集成塊插入pcb板，注意方向，然后焊接好。(2)注意直流源的正負及接地端。(3) 分別把各電阻，

15、電容放入所定位置，注意電容的極性，然后焊接好。安裝完各元件后的得到的電板實物圖如16、17所示：圖16 實物上層圖17 實物底層6電路的實驗結果及分析6.1方波波形產生電路的實驗結果把電路板的電源接好，將輸出端接示波器，進行整體測試、觀察。針對其出現(xiàn)的問題，進行排查校驗，使其滿足實驗要求?？傻玫綄崪y方波波形如圖18所示：圖18 實測方波波形其部分參數(shù)如下所示： vpp=5.86v，prd=969.6us，vavg=720mv，freq=1.03khz6.2 方波-三角波轉換電路的實驗結果實測三角波波形如圖19所示：圖19 實測三角波波形6.3正弦波發(fā)生電路的實驗結果 由示波器實測正弦波波形圖為

16、：圖20 實測正弦波波形由圖可知波形有一點失真。波形有些失真調節(jié)rp可改變幅頻、幅值大小。 6.4實驗結果分析 輸出的各波形的參數(shù)范圍有些許的偏差，是因為在各原件的參數(shù)選擇上有些偏差。正弦波稍微有點失真是因為積分電路中充放電的時間不夠。7實驗總結為期三個星期的課程設計已經(jīng)結束，在這三星期的學習、設計、焊接過程中我感觸頗深。使我對抽象的理論有了具體的認識。通過對函數(shù)信號發(fā)生器的設計，我掌握了常用元件的識別和測試；熟悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接、焊接方法；以及如何提高電路的性能等等。通過對函數(shù)信號發(fā)生器的設計，我還深刻認識到了“理論聯(lián)系實際”的這句話的重要性與真實性。而且通過對此課程的設計

17、，我不但知道了以前不知道的理論知識，而且也鞏固了以前知道的知識。最重要的是在實踐中理解了書本上的知識，明白了學以致用的真諦。也明白老師為什么要求我們做好這個課程設計的原因。他是為了教會我們如何運用所學的知識去解決實際的問題，提高我們的動手能力。在整個設計到電路的焊接以及調試過程中，我個人感覺調試部分是最難的，因為你理論計算的值在實際當中并不一定是最佳參數(shù)，我們必須通過觀察效果來改變參數(shù)的數(shù)值以期達到最好。而參數(shù)的調試是一個經(jīng)驗的積累過程，沒有經(jīng)驗是不可能在短時間內將其完成的，而這個可能也是老師要求我們加以提高的一個重要方面吧！其次，這次課程設計提高了我的團隊合作水平，使我們配合更加默契，體會了

18、在接好電路后測試出波形的那種喜悅，體會到成功來自于汗水，體會到成果的來之不易。在實驗過程中，我們遇到了不少的問題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問題。在老師和同學的幫助下，把問題一一解決，那種心情別提有多高興啦。實驗中暴露出我們在理論學習中所存在的問題，有些理論知識還處于懵懂狀態(tài)，老師們不厭其煩地為我們調整波形，講解知識點，實在令我感動。還有就是在實驗中，好多同學被電烙鐵燙傷了，這不得不讓我想起安全問題，所以在以后的實驗中我們應該注意安全，特別是在特殊的地方或者使用特殊工具時，如電烙鐵，電鉆，腐蝕機時，一定要特別注意，不讓危險事故發(fā)生。還有值得我們自豪的就是我們的線路連得橫豎分明，簡直就是藝術，當然，我們也有很多不足的地方，制板三次才成功，浪費了很多材料，錫焊還不是很會用，焊接的很粗糙。最后用一句話來結束吧：“實踐是檢驗真理的唯一標準”。與君共勉。8儀器儀表清單設計所用儀器及器件如表一所示：表一