函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)(三角波、方波、正弦波發(fā)生器)

1、 基于AT89C51的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：郭棟、陳磊、集煒、査榮杰指導(dǎo)老師：程立新2011-11-13 目錄1、概述32、技術(shù)性能指標(biāo)32.1、設(shè)計(jì)內(nèi)容及技術(shù)要求33、方案的選擇33.1、方案一43.2、方案二63.3、方案三64、單元電路設(shè)計(jì)64.1、正弦波產(chǎn)生電路64.2、方波產(chǎn)生電路84.3、矩形波產(chǎn)生鋸齒波電路95、總電路圖106、波形仿真結(jié)果106.1正弦波仿真結(jié)果106.2矩形波仿真結(jié)果116.3鋸齒波仿真結(jié)果127、 PCB版制作與調(diào)試138、元件清單14結(jié) 論15總結(jié)與體會(huì)15參 考 文 獻(xiàn)16 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1、 概述信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域

2、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(hào)發(fā)生器。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、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(hào)或脈沖信號(hào)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)2.1、設(shè)計(jì)內(nèi)容及技術(shù)要求：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，具體要求如下：1、能夠輸出正弦波、方波、三角波；2

3、、輸出信號(hào)頻率范圍為10Hz10KHz；3、輸出信號(hào)幅值：正弦波3V，矩形波10V，鋸齒波4V；4、輸出矩形波占空比50%-95%可調(diào)，矩形波斜率可調(diào)。5、信號(hào)發(fā)生器用220V/50Hz的工頻交流電供電；6、電源：220V/50Hz的工頻交流電供電。按照以上技術(shù)完成要求設(shè)計(jì)出電路，繪制電路圖，對(duì)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(duì)制作的電路完成調(diào)試，撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告測(cè)，通過答辯3、方案的選擇根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的要求，對(duì)信號(hào)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(hào)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

4、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(hào)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0

5、V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2 方波和正弦波波形圖3.2、方案二圖3 信號(hào)發(fā)生器方框圖用正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號(hào)，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(jiǎn)單，且有良好的正弦波和方波信號(hào)。但經(jīng)過積分器電路產(chǎn)生同步的三角波信號(hào)，存

6、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(hào)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，我們添加方波產(chǎn)生電路作為鋸齒波產(chǎn)生的信號(hào)源，解決了課程設(shè)計(jì)中提出的對(duì)鋸齒波和矩形波調(diào)節(jié)而互不影響的要求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1Hz1MHz的低頻信號(hào)。因?yàn)閷?duì)于RC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

7、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(shì)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。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(jiǎn)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(chǎng)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?cè)诜桨高x擇中，正弦波電路是最重要的部分，正

8、弦波不僅是所需輸出信號(hào)，而且是方波電路的輸入信號(hào)。此部分電路我們采用的是典型的RC橋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

9、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=10Hz10KHz，則RC=1.59*10-51.59*10-2，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Ri>>R>>R0的關(guān)系選擇R的值，為了計(jì)算方便，初選R=15.9k，則C=

10、1uF0.001uF，我們采用雙層波段開關(guān)兩組兩支容值100倍的電容，則C1=1uF，C2=0.01uF。而R則取為50k的可調(diào)電阻。因此，鑒于設(shè)計(jì)要求頻率10Hz10KHz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 正弦波產(chǎn)生電路4.2、方波產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生電路較簡(jiǎn)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。

11、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(hào)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輸出端和反相輸入端之間。圖5 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(hào)與輸入信號(hào)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)換為三角波。電路原理很簡(jiǎn)單，都是基于電容的沖放電原理。 圖6 鋸齒波產(chǎn)生電路5、總電路圖圖7 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器總電路圖6、Multisim 10.1波形仿真結(jié)果6.1正弦波仿真結(jié)果 圖8 正弦波仿真圖

12、6.2矩形波仿真結(jié)果圖9 矩形波仿真圖6.3三角波仿真結(jié)果圖11 三角波產(chǎn)生圖7、 PCB版制作與調(diào)試1、PCB設(shè)計(jì)。PCB板的制作是運(yùn)用Protel DXP軟件來繪制，利用DXP制板的基本流程：準(zhǔn)備原理圖，設(shè)置PCB設(shè)計(jì)環(huán)境，載入網(wǎng)絡(luò)表，并糾正網(wǎng)絡(luò)表的宏錯(cuò)誤，布線規(guī)則設(shè)置，布線，PCB的優(yōu)化，DTC檢查，保存文件與輸出。準(zhǔn)備原理圖：根椐所畫的電路圖，在元件庫中查找到所要求的元件符號(hào)，在DXP中繪制出原理圖，在選擇元件的時(shí)候特別要注意元件的封裝是否符合所需的封裝要求。布線設(shè)置主要設(shè)置線寬為40mil、孔大小為0.8mil，采用低層布線，其他為默認(rèn)設(shè)置。布線采用單面板布線。布線原則：邏輯清晰、接

13、線牢固、測(cè)試方便、美觀大方。PCB的優(yōu)化主要設(shè)置焊盤的大小與某些線的寬度及布線的路徑。焊盤一般采用方框?yàn)?8.74mil×39.37mil。DTC檢查的主要任務(wù)是對(duì)先前的設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行檢查,查看是否有違反規(guī)則的地方,如實(shí)際線寬是否比規(guī)則設(shè)置中的最大值還大或小,是否還存在沒有徹底布通的網(wǎng)絡(luò)等。保存文件與輸出是保存設(shè)計(jì)中的各種文件，并打印輸出，包括PCB文檔、元件清單等。設(shè)計(jì)工作結(jié)束。打印時(shí)可以把孔打印成實(shí)心，可以自己控制孔的大小方便打孔。2、熱轉(zhuǎn)印，通過打印機(jī)PCB圖打印到熱轉(zhuǎn)印上，然后選擇大小合適的銅板，將銅板表面打磨干凈之后，用帶有PCB圖的那一面同銅板貼緊，經(jīng)過熱轉(zhuǎn)印機(jī)，溫度約12

14、0度，轉(zhuǎn)印三次，即把熱轉(zhuǎn)印紙上的PCB圖轉(zhuǎn)印到銅板上。3、腐蝕，腐蝕這一過程是電路板成功的關(guān)鍵，將腐蝕液倒入腐蝕機(jī)加熱至75度后，將已經(jīng)熱轉(zhuǎn)印的銅板放入腐蝕機(jī)進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間約一分鐘即可。拿出洗凈后如果沒有發(fā)現(xiàn)斷線、短路等情況即可。 4、焊接元件，根據(jù)原理圖，在PCB板上焊接元件。焊接時(shí)要特別注意不要出現(xiàn)虛焊、短路等，元件的正負(fù)極反接、錯(cuò)接。8、元件清單表一 元件清單元器件型號(hào)數(shù)量芯片Lm339n1芯片Lm324d1二極管In40012瓷片電容1uf2電解電容220uf2電解電容4.7mf2瓷片電容1042瓷片電容1022穩(wěn)壓管78121穩(wěn)壓管7912二極管IN40016園橋1b4b421電

15、源變壓器17.5v1電阻1k2電阻1.5K1電阻2k4電阻10k1電阻152電阻20K1電位器2k2電位器20k3雙刀雙擲開關(guān)1結(jié) 論此電路能夠同時(shí)產(chǎn)生較好的正弦波和矩形波和鋸齒波，而正弦波可調(diào)占空比，鋸齒波可調(diào)斜率而不影響其它波形。在選擇方案時(shí)，也有更簡(jiǎn)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(jiǎn)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?？偨Y(jié)與體會(huì) 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，這很好的鍛煉了我們的自學(xué)能力。并且在PCB制板和仿真過程中，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，得出了最終仿真結(jié)果。使自己的理論知識(shí)和動(dòng)手能力都有了很大的提高。參 考 文 獻(xiàn)1康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分