電路及電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、 電路與電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 課 程 設(shè) 計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱：電路與電子技術(shù)專 業(yè) 班 級(jí)：物聯(lián)網(wǎng)1502 學(xué) 生 姓 名： 楊凱 學(xué) 號(hào)： 201516070207 指 導(dǎo) 教 師： 金廣鋒 課程設(shè)計(jì)時(shí)間： 2017.1.22017.1.7 物聯(lián)網(wǎng) 專業(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名許雨專業(yè)班級(jí)物聯(lián)網(wǎng)1502 學(xué)號(hào)201516070207題 目信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)課題性質(zhì)工程設(shè)計(jì)課題來源電路與電子技術(shù)指導(dǎo)教師金廣鋒，馬浩歌，王彩紅，焦素敏，王勝軒同組姓名主要內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)發(fā)生器電路，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生低頻信號(hào)。要求:1 設(shè)計(jì)方波發(fā)生器； 2. 設(shè)計(jì)寬度可調(diào)矩形波發(fā)生器；3.三角波-方波發(fā)生器。任務(wù)要求1 根據(jù)功能要求選擇

2、設(shè)計(jì)方案原理，并進(jìn)行論證。2 用proteus畫出電路的原理圖。3 說明系統(tǒng)工作原理，對(duì)電路進(jìn)行仿真。4 寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告。參考文獻(xiàn)1 電子電路技術(shù)有關(guān)教材2 proteus電路設(shè)計(jì)使用手冊(cè)3 其他資料審查意見指導(dǎo)教師簽字： 金廣鋒，馬浩歌，王彩紅，焦素敏，王勝軒 教研室主任簽字： 焦素敏 年 月 日 目 錄摘 要11 概要22 Proteus 簡(jiǎn)介33 電路原理及設(shè)計(jì)43.1 方波發(fā)生電路43.1.1 整體電路原理43.1.2 電路的設(shè)計(jì)43.2 寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生電路73.3三角波方波發(fā)生電路8電路的仿真105 小結(jié)13摘 要 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波

3、、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)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(hào)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)。  產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊取１菊n題中函數(shù)發(fā)生器電路總方案為由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由文氏電橋震蕩電路來完成。1.概

4、要函數(shù)信號(hào)發(fā)生器廣泛地應(yīng)用于各大院校和科研場(chǎng)所。隨著科技的進(jìn)步，社會(huì)的發(fā)展，單一的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器已經(jīng)不能滿足人們的需求，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的正是多種波形發(fā)生器。本實(shí)驗(yàn)由兩個(gè)電路組成，方波三角波發(fā)生電路和三角波正弦波變換電路。方波三角波發(fā)生電路由自激的單線比較器產(chǎn)生方波，通過RC積分電路產(chǎn)生三角波，在經(jīng)過差分電路可實(shí)現(xiàn)三角波正弦波的變換。本電路振蕩頻率和幅度用電位器調(diào)節(jié)，輸出方波幅度的大小由穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值決定；而正弦波幅度和電路的對(duì)稱性也分別由兩個(gè)電位器調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)良好的正弦波輸出圖形。它的制作成本不高，電路簡(jiǎn)單，使用方便，有效的節(jié)省了人力，物力資源，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。2.Proteus簡(jiǎn)介Prote

5、us軟件是英國(guó)Lab Center Eproteuslectronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國(guó)總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前比較好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是英國(guó)著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。此外，Proteus軟件還有圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號(hào)，以圖形的方式實(shí)時(shí)

6、地顯示出來。對(duì)于單片機(jī)硬件電路和軟件的調(diào)試，Proteus提供了兩種方法：系統(tǒng)總體執(zhí)行效果和對(duì)軟件的分步調(diào)試。它還提供了比較豐富的測(cè)試信號(hào)用于電路的測(cè)試，這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。在用Proteus進(jìn)行仿真和程序調(diào)試時(shí)，只要關(guān)心從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過程和結(jié)果。它還提供Schematic Drawing、SPICE仿真與PCB設(shè)計(jì)功能，同時(shí)可以仿真單片機(jī)和周邊設(shè)備，可以仿真PIC、AVR、51系列等常用的MCU，并提供周邊設(shè)備的仿真，例如示波器、373、led等。Proteus是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)， 2010

7、年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是：1原理布圖2PCB自動(dòng)或人工布線3SPICE電路仿真革命性的特 點(diǎn)?；?dòng)的電路仿真用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。仿真處理器及其外圍電路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏

8、輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。3.電路原理和設(shè)計(jì)3.1 方波發(fā)生電路3.1.1 整體電路原理函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)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(chǎn)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，也可以采用集成電路。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實(shí)驗(yàn)調(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波方波，再將三角波

9、變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊?。本課題采用先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法。 由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。3.1.2 電路的設(shè)計(jì)函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以采用由運(yùn)放及分離元件構(gòu)成；也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器。根據(jù)用途不同

10、，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，本課題介紹方波、三角波、正弦波函數(shù)發(fā)生器的方法。 3.1.2 .1RC橋式正弦波振蕩器（文氏電橋振蕩器）圖為RC橋式正弦波振蕩器。其中RC串、并聯(lián)電路構(gòu)成正反饋支路，同時(shí)兼作選頻網(wǎng)絡(luò)，R1、R2、RW及二極管等元件構(gòu)成負(fù)反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)電位器RW，可以改變負(fù)反饋深度，以滿足振蕩的振幅條件和改善波形。利用兩個(gè)反向并聯(lián)二極管D1、D2正向電阻的非線性特性來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。D1、D2采用硅管（溫度穩(wěn)定性好），且要求特性匹配，才能保證輸出波形正、負(fù)半周對(duì)稱。R3的接入是為了削弱二極管非線性的影響，以改善波形失真。電路的振蕩頻率 起振的幅值條件 2 式中RfRWR2（R

11、3 / rD），rD 二極管正向?qū)娮?。調(diào)整反饋電阻Rf（調(diào)RW），使電路起振，且波形失真最小。如不能起振，則說明負(fù)反饋太強(qiáng)，應(yīng)適當(dāng)加大Rf。如波形失真嚴(yán)重，則應(yīng)適當(dāng)減小Rf。改變選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)C或 R，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般采用改變電容C作頻率量程切換，而調(diào)節(jié)R作量程內(nèi)的頻率細(xì)調(diào)。RC橋式正弦波振蕩器 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理方波-三角波轉(zhuǎn)換電路圖圖所示的電路能自動(dòng)產(chǎn)生方波三角波。電路工作原理若下：若a點(diǎn)斷開，運(yùn)放A1與R1、R2及R3、RP3組織成比較器，R1成為平衡電阻，運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，及U_=0，同相端接輸入電壓Uia；比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源

12、電壓+Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓VEE（|+Vcc|=|VEE |）,當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出U01從高電平+Vcc跳到低電平VEE，或從低電平VEE跳到高電平+Vcc。設(shè)U01=+Vcc，則 （3-2-1）式子中，RP1指的是電位器（以下同）。 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限電位 （3-2-2）若Uo1=VEE，則比較器翻轉(zhuǎn)的上門線電位 （3-2-3） 比較器的門限寬度 (3-2-4) 由式子（3-2-1）(3-2-4)可以得到比較器的電壓傳輸特性，如圖所示。比較器的電壓傳輸特性a點(diǎn)斷開后，運(yùn)放A2與R4、RP3、C2、及R5組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波U01，則

13、積分器的輸出 (3-2-5)當(dāng)U01=+Vcc時(shí)， (3-2-6)當(dāng)U01=-Vcc時(shí)， (3-2-7)可見積分器輸入方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速率與下降速率相等的三角波，其波形如圖所示。方波三角波波形當(dāng)a點(diǎn)閉合，即比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動(dòng)產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為 （3-2-8）方波三角波的頻率 （3-2-9）由式子（3-8）及（3-9）可以得出以下結(jié)論： 1.電位器RP2在調(diào)整方波三角波的輸出頻率時(shí)，一般不會(huì)影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍比較寬，則可用C2改變頻率的范圍，RP2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。2方波的輸出幅度約等于電源電壓+Vcc 。三角波的輸出幅度不超過電源

14、電壓+Vcc。電位器RP1可以實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波三角波的頻率 三角波-à正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理三角波-à正弦波轉(zhuǎn)換電路圖差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為： （3-3-1） Ic1=aIE1=aIo/1+e(-Uid/UT) （3-3-2）式中差分放大器的恒定電流；溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25oc時(shí)，UT26mV。如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為 （3-3-3）

15、式中Um三角波的幅度； T三角波的周期。 將式（3-3-3）代入式（3-3-2），得 4Um/T(t-T/4) (0<=t<=T/2)Uid= -4Um/T(t-3T/4) (T/2<=t<=T) （3-3-4） 波形變換過程如下圖：三角波正弦波變換為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：A、 傳輸特性曲線越對(duì)稱，線性區(qū)越窄越好；B、 三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。C、 圖為實(shí)現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中Rp3調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp4調(diào)整電路的對(duì)稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C3,C4,C5為隔直電容，C6為濾波電容，以濾除諧波

16、分波形量，改善輸出電路的參數(shù)選擇與計(jì)算.1方波-三角波部分運(yùn)放A1與A2用741，因?yàn)榉讲ǖ姆冉咏娫措妷?VCC=+12V,-VEE=-12V.比較器A1與積分器A2的元件參數(shù)計(jì)算如下。由式 （3-8）得 取 ，則R3+RP1=40K，取，RP1為47K的電位器。平衡電阻R1=R2(R3+RP1)=8k，取R1=8.2K由式（3-2-9）得即R4+RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2) 當(dāng)100Hzf1kHz時(shí)， 取C2=0.1uF, 則10K<R4+RP2<100K,取R4=1k, RP2=100 k。 當(dāng)1kHzf10kH時(shí)，取C1=0.01

17、uF以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻R5=10K。.2三角波>正弦波部分1、差分放大器元件參數(shù)確定取RC1=RC2=10 K,RB1=RB2=6.8 K,取I0=1.1mA, 而I0=(RE4/RE3)IREF (3-4-1)IREF=VEE-UBE/(RE4+R)=12-0.7/RE4+R (3-4-2)取RE4=R=20 K,代入(3-4-2)，得IREF=0.28 mA，將IREF=0.28 mA代入(3-4-1)，得RE3=5 K2、三角波>正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率不是很大，取C3

18、=47uF，C4=C5=470uF，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。這里取C6=0.1Uf, RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)可通過觀測(cè)傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R的確定。電路的仿真4.1 方波波形上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時(shí)的情況，此時(shí)f208Hz，V22V。4.2三角波波形上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時(shí)的情況，此時(shí)f200Hz，V6V。4.3 正弦波波形上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時(shí)的情況，此時(shí)f214Hz，V1.2V。4.4 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的仿真上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時(shí)的情況，此時(shí)f208Hz.4.5 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時(shí)的情況，此時(shí)f210Hz。5 小結(jié)一周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，可以說在本次的課程設(shè)計(jì)中，我的