方波三角波正弦波

1、電子線(xiàn)路CAD課程設(shè)計(jì)報(bào)告函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 班級(jí)：電科二班 姓名： 郭曉超 學(xué)號(hào)： 201301051210 指導(dǎo)老師： 宋戈 電子通信與物理學(xué)院日期： 2015 年 12 月 31 日指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)目 錄 1 緒論1 2 設(shè)計(jì)內(nèi)容2.1 設(shè)計(jì)總方案22.2 設(shè)計(jì)目的22.3 設(shè)計(jì)要求任務(wù)3 2.4設(shè)計(jì)要求.3 3 原理圖設(shè)計(jì)3.1 總體電路原理框圖43.2 各功能模塊的設(shè)計(jì)53.3 總體電路原理圖11 4 PCB板圖設(shè)計(jì)4.1布局與布線(xiàn)124.2本設(shè)計(jì)PCB板圖14 5 總結(jié)14 6 參考文獻(xiàn)151. 緒論 在電子工程、通信工程、自動(dòng)控制、遙測(cè)控制、測(cè)量?jī)x器、儀表和計(jì)

2、算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到各種各樣的信號(hào)波形發(fā)生器。用三角波，方波發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)的信號(hào)波形發(fā)生器與其它信號(hào)波形發(fā)生器相比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，都有了很大的提高。因此，本設(shè)計(jì)意在用LM324放大器設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)生方波正弦波的函數(shù)轉(zhuǎn)換器。為了使這三種波形實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，需要設(shè)計(jì)一個(gè)電路將直流電轉(zhuǎn)換成方波和三角波，繼而將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波。首先直流電源通過(guò)一個(gè)同相滯回比電路轉(zhuǎn)換為方波，方波通過(guò)一個(gè)積分電路轉(zhuǎn)換為三角波，最后經(jīng)濾波電路（Rc振蕩電路產(chǎn)生）轉(zhuǎn)換為正弦波。從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。（關(guān)鍵字：放大、波形轉(zhuǎn)換、積分）2. 設(shè)計(jì)內(nèi)容2.1 設(shè)計(jì)總方案 函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三

3、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 (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)。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(guò)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?。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

4、的電路設(shè)計(jì)方法，本課題中函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖如下所示：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(lái)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(xiàn)的非線(xiàn)性。2.2 設(shè)計(jì)目的1 掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法2掌握模擬IC器件的應(yīng)用3培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐的能力4掌握常用元器件的識(shí)別和測(cè)試5熟悉常用儀表，了解電路調(diào)試的基本方法2.3 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)方波-三角波-正弦波的函

5、數(shù)發(fā)生器2.4設(shè)計(jì)要求1設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試函數(shù)發(fā)生器2輸出波形：正弦波、方波、三角波；3頻率范圍 ：在1010000Hz范圍內(nèi)可調(diào) ；4輸出電壓：方波U24V，三角波U8V，正弦波U>1V；3 原理圖設(shè)計(jì)3.1 總體電路原理框圖系統(tǒng)功能框圖3.2 各功能模塊的設(shè)計(jì)系統(tǒng)包含哪些模塊？分模塊設(shè)計(jì)電路原理圖。3.2.1 方波發(fā)生電路的工作原理 此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過(guò)R3對(duì)電容C正向充電，如圖中實(shí)線(xiàn)箭頭所示。反相輸入端電位n隨時(shí)

6、間t的增長(zhǎng)而逐漸增高，當(dāng)t趨于無(wú)窮時(shí)，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過(guò)R3對(duì)電容C反向充電，如圖中虛線(xiàn)箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)而減低，當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開(kāi)始正相充電。上述過(guò)程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。3.2.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理方波三角波產(chǎn)生電路 工作原理如下：若a點(diǎn)斷開(kāi)，運(yùn)算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。運(yùn)放的反相

7、端接基準(zhǔn)電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱(chēng)為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+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Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設(shè)Uo1=+Vcc,則 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門(mén)限單位Uia-為 若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門(mén)限電位Uia+為 比較器的門(mén)限寬度由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3-71所示。a點(diǎn)斷開(kāi)后，運(yùn)放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波Uo1，則積分器的輸出Uo

8、2為時(shí)，時(shí)，可見(jiàn)積分器的輸入為方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關(guān)系下圖所示。a點(diǎn)閉合，既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。三角波的幅度為方波-三角波的頻率f為由以上兩式可以得到以下結(jié)論：1. 電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時(shí)，不會(huì)影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。2. 方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過(guò)電源電壓+Vcc。電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波-三角波的頻率。3.2.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理三角波正弦波的變換電路主要由差分

9、放大電路來(lái)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，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(xiàn)的非線(xiàn)性。分析表明，傳輸特性曲線(xiàn)的表達(dá)式為：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)式為式中Um三角波的幅度； T三角波的周期。為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見(jiàn)：（1） 傳輸特性曲線(xiàn)越對(duì)稱(chēng)，線(xiàn)性區(qū)越窄越好；（2） 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)。（3） 圖為實(shí)現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中Rp1調(diào)節(jié)三角波的幅度，R

10、p2調(diào)整電路的對(duì)稱(chēng)性，其并聯(lián)電阻RE2用來(lái)減小差分放大器的線(xiàn)性區(qū)。電容C1,C2,C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。 三角波正弦波變換電路3.2.4電路的參數(shù)選擇及計(jì)算1.方波-三角波中電容C1變化（關(guān)鍵性變化之一）實(shí)物連線(xiàn)中，我們一開(kāi)始很長(zhǎng)時(shí)間出不來(lái)波形，后來(lái)將C2從10uf（理論時(shí)可出來(lái)波形）換成0.1uf時(shí)，順利得出波形。實(shí)際上，分析一下便知當(dāng)C2=10uf時(shí)，頻率很低，不容易在實(shí)際電路中實(shí)現(xiàn)。2.三角波-正弦波部分比較器A1與積分器A2的元件計(jì)算如下。由式（3-61）得即取 ，則，取 ，RP1為47K的點(diǎn)位器。區(qū)平衡電阻由式（3-62）即當(dāng)時(shí)，取，則，取，為

11、100K電位器。當(dāng)時(shí) ，取以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻。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率很低，取，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。RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線(xiàn)性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點(diǎn)可通過(guò)觀(guān)測(cè)傳輸特性曲線(xiàn)，調(diào)整RP4及電阻R*確定。3.3 總體電路原理圖4 PCB板圖設(shè)計(jì)4.1布局與布線(xiàn)4.1.1 布局基本規(guī)則本PCB板中，器件布局遵循了哪些基本規(guī)則？元件布局基本規(guī)則1. 按電路模塊進(jìn)行布局，實(shí)現(xiàn)同一功能的相

12、關(guān)電路稱(chēng)為一個(gè)模塊，電路模塊中的元件應(yīng)采用就近集中原則，同時(shí)數(shù)字電路和模擬電路分開(kāi)2.定位孔、標(biāo)準(zhǔn)孔等非安裝孔周?chē)?.27mm 內(nèi)不得貼裝元、器件，螺釘?shù)劝惭b孔周?chē)?.5mm（對(duì)于M2.5）、4mm（對(duì)于M3）內(nèi)不得貼裝元器件。3. 臥裝電阻、電感（插件）、電解電容等元件的下方避免布過(guò)孔，以免波峰焊后過(guò)孔與元件殼體短路。4. 元器件的外側(cè)距板邊的距離為5mm。5. 貼裝元件焊盤(pán)的外側(cè)與相鄰插裝元件的外側(cè)距離大于2mm。6. 金屬殼體元器件和金屬件（屏蔽盒等）不能與其它元器件相碰，不能緊貼印制線(xiàn)、焊盤(pán)，其間距應(yīng)大于2mm。定位孔、緊固件安裝孔、橢圓孔及板中其它方孔外側(cè)距板邊的尺寸大于3mm。7.

13、 發(fā)熱元件不能緊鄰導(dǎo)線(xiàn)和熱敏元件；高熱器件要均衡分布8. 電源插座要盡量布置在印制板的四周，電源插座與其相連的匯流條接線(xiàn)端應(yīng)布置在同側(cè)。特別應(yīng)注意不要把電源插座及其它焊接連接器布置在連接器之間，以利于這些插座、連接器的焊接及電源線(xiàn)纜設(shè)計(jì)和扎線(xiàn)。電源插座及焊接連接器的布置間距應(yīng)考慮方便電源插頭的插拔。9. 其它元器件的布置所有IC 元件單邊對(duì)齊，有極性元件極性標(biāo)示明確，同一印制板上極性標(biāo)示不得多于兩個(gè)方向出現(xiàn)兩個(gè)方向時(shí)，兩個(gè)方向互相垂直。10、板面布線(xiàn)應(yīng)疏密得當(dāng)，當(dāng)疏密差別太大時(shí)應(yīng)以網(wǎng)狀銅箔填充，網(wǎng)格大于8mil(或0.2mm)。11、貼片焊盤(pán)上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虛焊。重要信號(hào)線(xiàn)不

14、準(zhǔn)從插座腳間穿過(guò)。12、貼片單邊對(duì)齊，字符方向一致，封裝方向一致。13、有極性的器件在以同一板上的極性標(biāo)示方向盡量保持一致4.1.2 布線(xiàn)基本規(guī)則本PCB板中，器件布線(xiàn)遵循了哪些基本規(guī)則？元件布線(xiàn)規(guī)則1、    畫(huà)定布線(xiàn)區(qū)域距PCB板邊1mm的區(qū)域內(nèi)，以及安裝孔周?chē)?mm內(nèi)，禁止布線(xiàn)2、    電源線(xiàn)盡可能的寬，不應(yīng)低于18mil；信號(hào)線(xiàn)寬不應(yīng)低于12mil；cpu入出線(xiàn)不應(yīng)低于10mil（或8mil）；線(xiàn)間距不低于10mil3、    正常過(guò)孔不低于30mil4、 

15、;    雙列直插：焊盤(pán)60mil，孔徑40mil1/4W電阻： 51*55mil（0805表貼）；直插時(shí)焊盤(pán)62mil，孔徑42mil無(wú)極電容：  51*55mil（0805表貼）；直插時(shí)焊盤(pán)50mil，孔徑28mil5、    注意電源線(xiàn)與地線(xiàn)應(yīng)盡可能呈放射狀，以及信號(hào)線(xiàn)不能出現(xiàn)回環(huán)走線(xiàn)4.1.3 PCB設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)本PCB板中，窗體頂端  在PCB電路板設(shè)計(jì)中，布線(xiàn)是完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟，可以說(shuō)前面的準(zhǔn)備工作都是為它而做的，在整個(gè)PCB中，以布線(xiàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程限定最高

16、，技巧最細(xì)、工作量最大。PCB布線(xiàn)有單面布線(xiàn)、雙面布線(xiàn)及多層布線(xiàn)。布線(xiàn)的方式也有兩種：自動(dòng)布線(xiàn)及交互式布線(xiàn)，在自動(dòng)布線(xiàn)之前，可以用交互式預(yù)先對(duì)要求比較嚴(yán)格的線(xiàn)進(jìn)行布線(xiàn)，輸入端與輸出端的邊線(xiàn)應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。必要時(shí)應(yīng)加地線(xiàn)隔離，兩相鄰層的布線(xiàn)要互相垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合。自動(dòng)布線(xiàn)的布通率，依賴(lài)于良好的布局，布線(xiàn)規(guī)則可以預(yù)先設(shè)定， 包括走線(xiàn)的彎曲次數(shù)、導(dǎo)通孔的數(shù)目、步進(jìn)的數(shù)目等。一般先進(jìn)行探索式布經(jīng)線(xiàn)，快速地把短線(xiàn)連通，然后進(jìn)行迷宮式布線(xiàn)，先把要布的連線(xiàn)進(jìn)行全局的布線(xiàn)路徑優(yōu)化，它可以根據(jù)需要斷開(kāi)已布的線(xiàn)。并試著重新再布線(xiàn)，以改進(jìn)總體效果。在PCB設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意的事項(xiàng)PCB電路板布局設(shè)計(jì)中格點(diǎn)的設(shè)置技巧設(shè)計(jì)在不同階段需要進(jìn)行不同的各點(diǎn)設(shè)置，在布局階段可以采用大格點(diǎn)進(jìn)行器件布局；對(duì)于IC、非定位接插件等大器件，可以選用50100mil的格點(diǎn)精度進(jìn)行布局，而對(duì)于電阻電容和電感等無(wú)源小器件，可采用25mil的格點(diǎn)進(jìn)行布局。大格點(diǎn)