電子設(shè)計(jì)大賽簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告

1、簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器摘要函數(shù)發(fā)生器是一種在科研和生產(chǎn)中經(jīng)常用到的基本波形產(chǎn)生器， 集成函數(shù)波 形發(fā)生器一般都采用ICL8038或5G8038而它們只能產(chǎn)生300kHz以下的中低頻 正弦波、矩形波和三角波，且頻率與占空比不能單獨(dú)調(diào)節(jié)，從而給使用帶來很大 不便。本文介紹由LM324W穩(wěn)壓管組成的函數(shù)波形發(fā)生器， 該電路能夠產(chǎn)生正弦 波、方波和三角波信號(hào)，頻率能擴(kuò)展至 0.0lHz 1MHz關(guān)鍵詞：函數(shù)波形發(fā)生器；LM324電位器；穩(wěn)壓管；二極管；第一部分：系統(tǒng)需求分析一、概論信號(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，

2、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。本設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，能夠產(chǎn)生正弦波，三角波和方波；信號(hào) 源的輸出可以是電壓型或電流型。二、技術(shù)指標(biāo)1、頻率范圍1Hz10MHz2-頻率可調(diào)每次小于10HZ3、幅度范圍2mV10V4、

3、穩(wěn)定度小于0.001 ;5、波形失真度小于3%三、要求1、產(chǎn)生正弦波，方波，三角波；2、頻率可調(diào)；3、幅度可調(diào)。第二部分：方案設(shè)計(jì)與論證函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法通常有以下幾種：（1）用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器：通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作 不很穩(wěn)定，不易調(diào)試。（2）可以由晶體管、運(yùn)放IC等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號(hào)發(fā) 生器IC產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 IC,如L8038、BA205 XR2207/2209等， 它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有 300kHz,無法產(chǎn)生更高頻率的信號(hào)， 調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，二者互相影響。(3)利用單片集成芯片

4、的函數(shù)發(fā)生器：它能產(chǎn)生多種波形，達(dá)到較高的頻率，且易于調(diào)試。鑒于 止匕，美國馬克西姆公司開發(fā)了新一代函 數(shù)信號(hào)發(fā)生器 ICMAX038它克服了( 2)中芯片的缺點(diǎn)，可以達(dá)到更高的技術(shù)指標(biāo)，是上述芯 片望塵莫及的。MAX03剛率高、精度好，因此它被稱為高頻精密函數(shù)信號(hào)發(fā)生 器IC。在鎖相環(huán)、壓控振蕩器、頻率合成器、脈寬調(diào)制器等電路的設(shè)計(jì)上，MAX038 都是優(yōu)選的器件。(4)利用專用直接數(shù)字合成DD S芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達(dá)到 很高的頻率。但成本較高。函數(shù)信號(hào)產(chǎn)生方案對(duì)于函數(shù)信號(hào)產(chǎn)生電路，一般有多種實(shí)現(xiàn)方案，如模擬電路實(shí)現(xiàn)方案、數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)方案(如DDST式)、模數(shù)結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方案等

5、。數(shù)字電路的實(shí)現(xiàn)方案：一般可事先在存儲(chǔ)器里存儲(chǔ)好函數(shù)信號(hào)波形， 再用D/A 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行逐點(diǎn)恢復(fù)。這種方案的波形精度主要取決于函數(shù)信號(hào)波形的存儲(chǔ)點(diǎn) 數(shù)、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度、以及整個(gè)電路的時(shí)序處理等。具信號(hào)頻率的高低， 是通過改變D/A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的速率來實(shí)現(xiàn)的。模擬電路的實(shí)現(xiàn)方案：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，本實(shí)驗(yàn)的函數(shù)信號(hào)產(chǎn)生電路采用全模擬電路的實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)于波形產(chǎn)生電路的模擬電路的實(shí)現(xiàn)方案，也有幾種電路方式可供選擇。本 實(shí)驗(yàn)選用最常用的，線路比較簡(jiǎn)單的電路加以分析。如用正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦 波信號(hào)，然后用過零比較器產(chǎn)生方波，再經(jīng)過積分電路產(chǎn)生三角波，其

6、電路框圖 如圖2-1所示。正弦波方波圖2-1模擬電路實(shí)現(xiàn)方案框圖第三部分：電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇RC橋式正弦振蕩電路：RC橋式正弦振蕩電路如圖2-2所示。其中R1、C1和 R2、C2為申、并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，接于運(yùn)算放大器的輸出與同相輸入端之間，構(gòu)成 正反饋，以產(chǎn)生正弦自激振蕩。R3 RW及R4組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié) RW可改變 負(fù)反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)節(jié)放大電路的電壓增益，使電壓增益滿足振蕩的幅度 條件。10KR/v50KJ0 2.2KV。G0.0WFR10.01/F15K1圖2-2 RC橋式正弦振蕩電路為了使振蕩幅度穩(wěn)定，通常在放大電路的負(fù)反饋回路里加入非線性元件來自 動(dòng)調(diào)整負(fù)反饋放大電路的增益，從而

7、維持輸出電壓幅度的穩(wěn)定。圖中的兩個(gè)二極 管D1, D2便是穩(wěn)幅元件。當(dāng)輸出電壓的幅度較小時(shí)，電阻 R4兩端的電壓低，二 極管D1、D2截止，負(fù)反饋系數(shù)由R3 RW及R4決定；當(dāng)輸出電壓的幅度增加到 一定程度時(shí)，二極管D1、D2在正負(fù)半周輪流工作，其動(dòng)態(tài)電阻與 R4并聯(lián)，使負(fù) 反饋系數(shù)加大，電壓增益下降。輸出電壓的幅度越大，二極管的動(dòng)態(tài)電阻越小， 電壓增益也越小，輸出電壓的幅度保持基本穩(wěn)定。為了維持振蕩輸出，必須讓R31為了保證電路起振，1 旦 3 Rf 二 Rw(RdR3當(dāng)：R1=R2=R C1=C2=C寸，電路的振蕩頻率 ：起振的幅值條件：f比較器：遲滯比較器的電路圖如圖R32 RC2-3所

8、示。該比較器是的比較器。由于正反饋?zhàn)饔?，這種比較器的門限電壓是隨輸出電壓V0的變化而通常在集成運(yùn)放的輸出端加穩(wěn)壓管限變化。在實(shí)際電路中為了滿足負(fù)載的需要，幅電路，從而獲得合適的、/和、/VOH VOLV圖2-3 遲滯比較器圖2-4遲滯比較器電壓傳輸特性電路翻轉(zhuǎn)時(shí):Vn由圖2-3可知：VPR1R2Vo成的積分電路所構(gòu)成的方波和三角波發(fā)生器。方波和三角波發(fā)生器由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的方波和三角波發(fā)生器，一般均包括比較器和RC積分器兩大部分。如圖2-5所示為由遲滯比較器和集成運(yùn)放組10KQ 11R2Dz；20K11圖2-5方波和三角波發(fā)生器電路方波和三角波發(fā)生器的工作原理: A1構(gòu)成遲滯比較器同相端電

9、位Vp由VO1和VO2決定。利用疊加定理可得:RR2Vo1一R2 + R1 - 4 01R2 + R1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 =-VzoA2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):=R1 時(shí)，可得： TOC o 1-5 h z V 02VZR2R旦RVp、(-Vz)M(、Vz)=0R + R R + R R當(dāng)VO2升至ij使Vp略高于0V時(shí)，A1的輸出翻轉(zhuǎn)到VO1=+Vz同樣：v =-旦V時(shí)R2當(dāng)VO2下降到使Vp略低于0時(shí)，VO1=-Vz。這樣不斷的重

10、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)壓值土 Vz之間。電路的振蕩頻率:4 R1 Rw CC?M9512LJLM班匕LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外 形如左圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器， 除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖3-1所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、 “-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè) 信號(hào)輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo的信號(hào)與該輸入端 的相位相反；Vi+ (+

11、)為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo的信號(hào)與該輸入端的 相位相同。LM324勺弓唧排歹見圖3-2。圖3-1圖3-2圖3-3各對(duì)應(yīng)管腳由于LM32研運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用, 價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。如下圖 3-3各對(duì)應(yīng)管腳第四部分：測(cè)試方法與數(shù)據(jù)記錄按照?qǐng)D4-1所示連接電品首先將 K1斷開、K2閉合分別進(jìn)行RC橋式正弦 波振蕩器和方波、三角波發(fā)生器的調(diào)試。然后將 K1閉合、K2斷開進(jìn)行函數(shù)信號(hào) 發(fā)生器電路的聯(lián)調(diào)。-6 -圖4-1函數(shù)信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)電路我們的測(cè)試分為兩部分。第一部分是在電路仿真軟件Multisim7上對(duì)原理圖進(jìn)行驗(yàn)證，具體情況如 下

12、所述：1、RCft式正弦波振蕩器按照正弦波發(fā)生電路（圖4-1 ）,在Multisim7中搭建好原理圖。在仿真的 過程中我們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)R4=2K（2K是我們的實(shí)驗(yàn)前的計(jì)算理論值）時(shí)，緩慢調(diào)節(jié) 電位器RW1我們發(fā)現(xiàn)，不容易達(dá)到起振的條件；于是我們?cè)龃驲4的值，使它等于4.7K,這時(shí)當(dāng)我們?cè)俅握{(diào)節(jié) RW1電阻時(shí)，很容易使電路起振，并且我們得 到了很好的正弦波形。仿真的波形如圖 5-1所示：圖5-1正弦波仿真效果圖2、方波、三角波發(fā)生器按照方波、三角波發(fā)生電路（圖 4-1 ）,在Multisim7中搭建好原理圖。當(dāng) R8等于47K （47K是我們的實(shí)驗(yàn)前的計(jì)算理論值）時(shí)，緩慢調(diào)節(jié)電位器RW2我們發(fā)現(xiàn)，很

13、難達(dá)到起振的目的；于是我們?cè)诜抡姝h(huán)境下調(diào)節(jié)R8的值，使它等于200K,這時(shí)當(dāng)我們?cè)俅握{(diào)節(jié)RW1電阻時(shí)，很容易使電路起振，并且我們得出了一 系列數(shù)據(jù)。在仿真條件下方波、三角波發(fā)生電路產(chǎn)生的波形如圖5-2所示。a）方波仿真效果圖b）三角波仿真效果圖圖5-2方波、三角波仿真效果圖通過仿真我們發(fā)現(xiàn)，原理圖方案是可行，可以達(dá)到設(shè)計(jì)的效果。第二部分是根據(jù)仿真的數(shù)據(jù)搭建正弦波、方波、三角波發(fā)生電路的實(shí)物電路 板（如圖5-3所示），并在示波器上觀察各部分輸出的波形。通過對(duì)實(shí)物電路的 調(diào)試，通過調(diào)節(jié)位器RW1 RW2勺值可以從示波器上觀察到預(yù)計(jì)的波形 （如圖5-4所示）。同時(shí)，通過改變實(shí)物電路的參數(shù)可以對(duì)輸出波

14、形的幅值和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié),得到不同幅值和頻率的波形。圖5-3波形發(fā)生電路板圖a）正弦波b）方波c）三角波圖5-4各波形產(chǎn)生電路輸出的實(shí)際波形圖-10 -第五部分：測(cè)試結(jié)果分析與總結(jié)在小組成員的共同努力下，我們已經(jīng)成功完成了正弦波、方波、三角波電路 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過仿真與實(shí)際電路的調(diào)試都表明設(shè)計(jì)的電路原理正確， 效果也 很明顯。由于時(shí)間比較緊，對(duì)于電路的定量分析方面的工作還有待于進(jìn)一步深入。總結(jié)本次大賽的經(jīng)歷，我們收獲頗多。在這幾天的時(shí)間里，我們做了很多事， 在做事的過程中學(xué)到了很多。首先我們選擇課題，布置了實(shí)驗(yàn)室；借來了相關(guān)實(shí) 驗(yàn)儀器如示波器等。其次，我們進(jìn)行了理論計(jì)算，查找相關(guān)資料，進(jìn)行分析

15、。并 以此為依據(jù)購買實(shí)驗(yàn)元件。然后我們根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了三次調(diào)試：第一次、在面包板上進(jìn)行實(shí)物搭接調(diào)試，這時(shí)我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)誤差大，不穩(wěn)定且外界干擾大； 第二次，我們用Protel 99SE,Multisim 7軟件進(jìn)行模擬仿真；并對(duì)原先的電容、 電阻進(jìn)行改進(jìn)，使波形達(dá)到最佳效果；第三次，我們按照仿真最佳組合進(jìn)行電路 的焊接、調(diào)試，由于器材的有限和不足，輸出波形并未達(dá)到完全的預(yù)期效果。如 果有充分的時(shí)間和非常理想的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和元器件， 相信輸出的波形會(huì)達(dá)到最佳的 狀態(tài)。參考文獻(xiàn)1電子工程師手冊(cè)北京機(jī)械工業(yè)出版社1995,電子工程師手冊(cè)編輯委員會(huì)編2Protel 99 SE電路設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè) 余家春 編著 中國鐵道出版社