1、-. z.課程設計任務書學生*：專業班級：指導教師：工作單位：題 目：正弦波三角波方波函數發生器初始條件：具備模擬電子電路的理論知識；具備模擬電路根本電路的設計能力；具備模擬電路的根本調試手段；自選相關電子器件；可以使用實驗室儀器調試。要求完成的主要任務：包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求1、頻率*圍三段：10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；2、正弦波Uopp3V，三角波Uopp5V，方波Uopp14V；3、幅度連續可調，線性失真小；4、安裝調試并完成符合學校要求的設計說明書時間安排：一周，其中3天硬件設計，2天硬件調試指導教師簽名： 年 月 日

2、系主任或責任教師簽名： 年 月 日目 錄1.綜述11.1信號發生器概論11.2 Multisim簡介21.3集成運放lm324簡介32.方案設計與論證4 2.1方案一4 2.2方案二4 2.3方案三53.單元電路設計6 3.1正弦波發生電路的工作原理6 3.2正弦波變換成方波的工作原理8 3.3方波變換成三角波的工作原理9 3.4正負12V直流穩壓電源的設計104.電路仿真124.1總波形發生電路124.2正弦波仿真134.3方波仿真14 4.2三角波仿真145.實物制作與調試155.1焊接過程155.2 實物圖155.3調試波形186.數據記錄197.課設總結208.參考書目219.附錄22

3、本科生課程設計成績評定表24-. z.綜述1.1信號發生器概論在人們認識自然、改造自然的過程中，經常需要對各種各樣的電子信號進展測量，因而如何根據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信號(各種波形)，然后用其它儀表測量感興趣的參數。可見信號源在各種實驗應用和實驗測試處理中，它不是測量儀器，而是根據使用者的要求，作為鼓勵源，仿真各種測試信號，提供應被測電路，以滿足測量或各種實際需要。波形發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。傳統的波形發生器多采用模擬電子技術，由分立元件或模擬集成

4、電路構成，其電路構造復雜，不能根據實際需要靈活擴展。隨著微電子技術的開展，運用單片機技術，通過巧妙的軟件設計和簡易的硬件電路，產生數字式的正弦波、方波、三角波、鋸齒等幅值可調的信號。與現有各類型波形發生器比擬而言，產生的數字信號干擾小，輸出穩定，可靠性高，特別是操作簡單方便。根據用途不同，有產生三種或多種波形的波形發生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號函數發生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數發生器模塊8038)。信號發生器又稱信號源或振蕩器，在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。各種波形曲線均可以用三角函數方程式來表示。能夠產生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形

5、波含方波、正弦波的電路被稱為函數信號發生器。它用于產生被測電路所需特定參數的電測試信號。在測試、研究或調整電子電路及設備時，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應、噪聲系數，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術條件的電信號，以模擬在實際工作中使用的待測設備的鼓勵信號。當要求進展系統的穩態特性測量時，需使用振幅、頻率的正弦信號源。當測試系統的瞬態特性時，又需使用前沿時間、脈沖寬度和重復周期的矩形脈沖源。并且要求信號源輸出信號的參數，如頻率、波形、輸出電壓或功率等，能在一定*圍內進展準確調整，有很好的穩定性，有輸出指示。信號源可以根據輸出波形的不同，劃分為正弦波信號發生器、矩形脈沖信號發生器、函

6、數信號發生器和隨機信號發生器等四大類。正弦信號是使用最廣泛的測試信號。現在,我們通過對函數信號發生器的原理以及構成設計一個能變換出正弦波、方波、三角波的簡易發生器。眾所周知，制作函數發生器的電路有很多種。本次設計先通過RC正弦波振蕩電路產生正弦波，這是一種頻率可調的移相式正弦波發生器電路，其頻率穩定一般為實驗所確定，然后可以通過改變電容值來改變再通過電壓比擬器產生方波，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。它的制作本錢不高，路簡單，使用方便，有效的節省了人力，物力資源。信號發生器是電子測量領域中最根本、應用最廣泛的一類電子儀器。該函數發生器要求能輸出頻率*圍可調的正弦波

7、、方波和三角波，能夠很好的實現本次試驗的目的,將一些線性和非線性的元件與集成運放組合,輸出性能良好的波形.由正弦波、方波或三角波的發生器產生相應的信號，通過相互轉換實現多種波形的輸出。正弦波可以由RC正弦波振蕩電路產生，之后通過過零比擬器可產生方波，再積分可得三角波。通過調節 RC 振蕩電路中的振蕩電阻來實現頻率可調。通過調節比例運算電路的反應電阻來實現幅度可調，最終做成要求的函數發生器。1.2 Multisim簡介Multisim是美國國家儀器NI*推出的以Windows為根底的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富

8、的仿真分析能力。1.2.1 multisim10概述:通過直觀的電路圖捕捉環境,輕松設計電路。通過交互式SPICE仿真,迅速了解電路行為。借助高級電路分析,理解根本設計特征。通過一個工具鏈,無縫地集成電路設計和虛擬測試。通過改良、整合設計流程,減少建模錯誤并縮短上市時間。1.2.2直觀的捕捉和功能強大的仿真：NIMultisim軟件結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進展設計和驗證。憑借NIMultisim，可以立即創立具有完整組件庫的電路圖，并利用工業標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業的高級SPICE分析和虛擬儀器，能在設計流程中提早對電路設計進展的迅速驗證

9、，從而縮短建模循環。與NILabVIEW和SignalE*press軟件的集成，完善了具有強大技術的設計流程，從而能夠比擬具有模擬數據的實現建模測量。NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設計的EDA工具軟件。NI Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節的這一問題。學員可以很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現出來，并且可以用虛擬儀器技術創造出真正屬于自己的儀表。1.3 集成運放lm324簡介LM324系列器件帶有差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優點。該四放大器可以工作在低到3.

10、0伏或者高到32伏的電源下，靜態電流為MC1741的靜態電流的五分之一。共模輸入*圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中+、-為兩個信號輸入端，V+、V-為正、負電源端，Vo為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位一樣。圖1.3 lm324引腳連接圖LM324系列由四個獨立的，高增益，內部頻率補償運算放大器，其中專為從單電源供電的電壓*圍經營。從分裂電源的操作也有可能和低電源電流消耗是獨立的電源

11、電壓的幅度。應用領域包括傳感器放大器，直流增益模塊和所有傳統的運算放大器可以更容易地在單電源系統中實現的電路。例如，可直接操作的LM324系列，這是用來在數字系統中，輕松地將提供所需的接口電路，而無需額外的15V電源標準的5V電源電壓。關鍵詞：正弦波 方波 三角波 函數信號發生器 multisim2.方案設計與論證2.1方案一圖2.1 方案一本方案先產生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法，電路框圖如圖2.1。用遲滯比擬器與反相積分器首尾相串聯構成方波-三角波產生電路，然后，采用差分放大器，作為三角波正弦波變換電路利用差分對管的飽和與截止特性進展變換，差分放大器具有工作點穩定，輸入

12、阻抗高，抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，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。此電路的輸出頻率就是方波-三角波產生電路的頻率，將正弦波用比擬器進展比擬產生方波，調節比擬電位，使得方波的占空比可以改變。但在實際操作中難以調試出正弦波，原因是差分電路難以到達絕對的對稱。故未采用此方案。2.2方案二 圖2.2 方案二本方案中正弦波與三角波的產生與方案二一樣，用遲滯比擬器與反相積分器首尾相串聯構成方波-三角波產生電路，但三角波到正弦波的變換電路采用的是有源RC二階低通選頻電路，電路框圖如圖2.2。此電路構造、思路

13、簡單，運行時性能穩定且能較好的符合設計要求，但是由于有源RC二階低通濾波電路中的電容是與輸出端相接，相當于形成一正反應，假設正反應過大，可能引起濾波器自激，故未予采用。2.3方案三 正弦波 方波 三角波積分電路過零比擬器RC正弦波振蕩電路積分電路過零比擬器RC正弦波振蕩電路 圖2.3 方案三RC正弦波振蕩電路、電壓比擬器、積分電路共同組成的正弦波方波三角波函數發生器的設計方法，電路框圖如圖2.3。先通過RC正弦波振蕩電路產生正弦波，再通過電壓比擬器產生方波，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。正弦波振蕩電路是一種自己振蕩電路，其實質是放大器引正反應的結果。由放大電路、

14、正反應網絡和選頻網絡組成。它沒有輸入信號，而是通過電路中的噪聲經過選頻產生。該方案思路清晰，產品易制作，本次實驗課設我們采取該方案。3.單元電路設計3.1正弦波發生電路的工作原理 3.1.1產生正弦振蕩的條件:正弦波產生電路的目的就是使電路產生一定頻率和幅度的正弦波，我們一般在放大電路中引入正反應，并創造條件，使其產生穩定可靠的振蕩。正弦波產生電路的根本構造是：引入正反應的反應網絡和放大電路。其中：接入正反應是產生振蕩的首要條件，它又被稱為相位條件；產生振蕩必須滿足幅度條件；要保證輸出波形為單一頻率的正弦波，必須具有選頻特性；同時它還應具有穩幅特性。因此，正弦波產生電路一般包括：放大電路；反應

15、網絡；選頻網絡；穩幅電路個局部。3.1.2正弦波振蕩電路的組成判斷及分類： (1)放大電路：保證電路能夠有從起振到動態平衡的過程，電路獲得一定幅值的輸出值，實現自由控制。 (2)選頻網絡：確定電路的振蕩頻率，是電路產生單一頻率的振蕩，即保證電路產生正弦波振蕩。 (3)正反應網絡：引入正反應，使放大電路的輸入信號等于其反應信號。穩幅環節：也就是非線性環節，作用是輸出信號幅值穩定。 3.1.3判斷電路是否振蕩的方法： (1)是否滿足相位條件，即電路是否正反應，只有滿足相位條件才可產生振蕩。 (2)放大電路的構造是否合理，有無放大能力，靜態工作是否適宜； (3)是否滿足幅度條件。3.1.3正弦波振蕩

16、電路檢驗： (1)則不可能振蕩； (2)振蕩，但輸出波形明顯失真； (3)產生振蕩。振蕩穩定后。此種情況起振容易，振蕩穩定，輸出波形的失真小。3.1.3分類：按選頻網絡的元件類型，把正先振蕩電路分為：RC正弦波振蕩電路；LC正弦波振蕩電路；石英晶體正弦波振蕩電路。3.1.4 RC正弦波振蕩電路：常見的RC正弦波振蕩電路是RC串并聯式正弦波振蕩電路，它又被稱為文氏橋正弦波振蕩電路。串并聯網絡在此作為選頻和反應網絡。圖3.1 RC橋式正弦波振蕩電路RC橋式正弦波振蕩電路的構成如下圖。當時，RC選頻網絡的相移為零，這樣RC串并聯選頻網絡送到運算放大器同向輸入端的信號電壓Vi與輸出電壓Vo同相，所以R

17、C反應網絡形成正反應，滿足相位平衡條件。為使在震蕩建立期間信號做增幅震蕩，應選擇R1和R2可使Af3，保證。因此它的起振條件為： ；它的振蕩頻率為： 。它主要用于低頻振蕩。要想產生更高頻率的正弦信號，一般采用LC正弦波振蕩電路。它的振蕩頻率為： 。此外，石英振蕩器的特點是其振蕩頻率特別穩定，它常用于振蕩頻率高度穩定的的場合。RC文氏橋振蕩電路的穩幅作用是靠兩個并聯的二極管組成的，當輸出信號較小時，二極管工作電流小，動態電阻大，電路的增益較大，引起增幅震蕩過程。當輸出幅度到達一定程度，二極管工作電流大，動態電阻小，電路的增益下降，電路的輸出電壓幅值將不再上升，從而使輸出電壓穩定，以此來到達穩幅的

18、目的。3.2正弦波變換成方波的工作原理3.2.1電壓比擬器的功能電壓比擬器是用來比擬兩個電壓大小的電路，它的輸入信號是模擬電壓，輸出信號一般是只有高電平和低電平兩個穩定狀態的電壓。利用電壓比擬器可將各周期性信號轉換成矩形波。3.2.2過零比擬器參考電壓為零的比擬器稱為過零比擬器。按輸入方式的不同可分為反相輸入和同相輸入兩種過零比擬器，通常用閾值電壓和傳輸特性來描述比擬器的工作特性。閾值電壓(又稱門檻電平)是使比擬器輸出電壓發生跳變時的輸入電壓值，簡稱為閾值，用符號UTH表示。圖3.2.1 過零比擬器本電路中該電路的作用是將正弦信號轉變成方波信號，其傳輸特性曲線如下列圖所示：圖3.2.2 傳輸特

19、性曲線3.3 方波變換成三角波的工作原理方波經過積分器就變成了三角波。但是此電路要求前后電路的時間常數配合好，不能讓積分器飽和。圖3.3.1 積分電路原理Vo-Vi為積分關系，負號表示輸入和輸出信號相位相反。當Vi為定值時，電容將恒流充電，輸出電壓為： 當積分器輸入信號為方波時，其輸出信號為三角波，電路波形圖如下：圖3.3.2 三角波發生器工作波形圖3.3.2 積分電路仿真圖3.4正負12V直流穩壓電源的設計直流穩壓電源是一種將220V工頻交流電轉換成穩壓輸出的直流電壓的裝置，它需要經過變壓、整流、濾波、穩壓四個環節才能完成。3.4.1設計原理直流穩壓電源一般由電源變壓器T、整流濾波電路及穩壓

20、電路所組成，根本框圖如下圖：圖3.4.1直流穩壓電源設計框圖及波形3.4.2各局部作用1、電源變壓器T：作用是將電網220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。2、整流電路：整流電路將交流電壓Ui變換成脈動的直流電壓。再經濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓U1。3、濾波電路：經整流后的直流輸出電壓脈動性很大，不能直接使用，為減少其交流成分，常在整流電路后接濾波電路。濾波電路的主要任務是將整流后的單向脈動直流電壓中的紋波濾除掉，使其輸出平滑的直流電壓，這里我們采用接入濾波電容來組成濾波電路。4、穩壓電路：常用的穩壓電路有兩種形式：一是穩壓管穩壓電路，二是串聯型穩壓電

21、路。二者的工作原理有所不同。穩壓管穩壓電路其工作原理是利用穩壓管兩端的電壓稍有變化，會引起其電流有較大變化這一特點，通過調節與穩壓管串聯的限流電阻上的壓降來到達穩定輸出電壓的目的。3.4.3具體電路設計在整流電路中我們采用全波整流橋，該電路的整流效果和輸出電壓波形為單項半波整流的兩倍，在穩壓電路中采用CW7812和CW7912型號的這兩個集成穩壓器芯片組成的具有同時輸出固定的+12V、-12V電壓的穩壓電路。該電路對稱性好，溫度特性也近似一致。圖3.4.2 直流穩壓電源電路圖3.4.4穩壓電源的性能指標及測試方法 穩壓電源的技術指標分為兩種：一種是特性指標，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流

22、及輸出電壓調節*圍等；另一種是質量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩定程度，包括穩壓系數或電壓調整率、輸出電阻或電流調整率、紋波電壓紋波系數及溫度系數。4.電路仿真4.1 總波形發生電路圖4.1正弦波方波三角波函數發生器該電路分為三局部，第一局部為RC橋式正弦振蕩電路，其功能是利用RC振蕩產生特定頻率的正弦波；第二局部為過零電壓比擬器電路，其功能為將正弦波轉成方波；第三局部為積分電路，其功能為利用積分電路將方波轉成三角波；此外，在積分電路之前設置一個電壓跟隨器，起到隔離作用，使過零電壓比擬器電路與積分電路不相互影響。確定電路元器件參數：穩壓管的作用是限制和確定方波的幅度，因此方波正負半周的對稱性與

23、穩壓管性能有關。因此選用穩壓管時，要選擇性能好一些的兩個管性能對稱的穩壓管，最好選用雙向穩壓管；R3是穩壓管的限流電阻，阻值根據穩壓管的電路確定；Rp1和Rp2給比擬器提供門限電平，他們可以決定三角波的幅值.因此Rp1和R2的值應根據三角波的幅值決定。一般為了使三角波的幅值可調，常用電位器作為Rp1、Rp2和電容C的值決定三角波的頻率f。一般是Rp1和R2的值確定后，可以先確定電容C的值，然后由f。=R2/4Rp2Rp1C來確定R4的值.Rp2假設采用電位器，則三角波頻率可調。為了減小積分漂移，電容C的值盡量取大些，但是C值越大漏電也越大，因此一般C不超過1uF；集成運放的選擇用于比擬器的運放

24、要求速度應該高些。通過改變反應網絡中的變阻RP3的阻值可以改變正弦波的輸出波形的幅值；之前方波的輸出波形也隨之確定；通過改變變阻RP4的阻值可以改變三角波的輸出波形的幅值。4.2正弦波仿真在變阻RP1、RP2百分比分別為50%，RP3百分比為25%，示波器輸出的波形如下列圖所示。圖4.2正弦波仿真視圖由圖可知T1的時間為1.315s，通道A為-1.660V。T2的時間為1.338s，通道A為1.658V。由此可知仿真出的正弦波的幅值為：1.660V；峰-峰值為：3.318V；周期為46.154ms。4.3方波仿真圖4.3方波仿真視圖由圖可知T1的時間為736.976ms，通道A為-6.834V

25、。T2的時間為760.908ms，通道A為6.812V。由此可知仿真出的正弦波的幅值為：6.812V；峰-峰值為：13.646V；周期為47.864ms。4.4三角波仿真圖4.4三角波仿真視圖由圖可知T1的時間為5.516s，通道A為-2.554V。T2的時間為5.180s，通道A為2.513V。由此可知仿真出的正弦波的幅值約為：2.554V；峰-峰值為：5.067V；周期為24.786ms。5.實物制作與調試5.1焊接過程1、在排版排線時注意疏密得體，各線方向最好一致，各個焊點之間獨立，以免造成線路短路。2、焊接電路時，注意焊接完成后，將烙鐵頭放回原位并關掉電源，防止造成旁人不經意受傷。3、

26、電路焊接完成后，在示波器上沒能顯示出波形。尋找電路焊接的錯誤，然后對電路進展修改，最終在示波器上顯示出設計要求的波形。4、調試時，積分電路中的三角波底部出現失真。在積分電路上并聯一個100K微調電阻和一個0.1uF電容，通過調節電阻。最后得以實現三角波。5、設計過程中，要注意與組員協調合作，分工有序，否則會造成不必要的錯誤，導致整個設計的失敗。6、焊接芯片時，注意正負極以及各引腳的排序，防止焊接時電路連接錯誤，造成波形不能顯示。5.2實物圖總體外觀：圖5.2.1總體外觀拍攝圖信號發生器正面：圖5.2.2信號發生器正面拍攝圖信號發生器反面：圖5.2.3信號發生器反面拍攝圖直流穩壓電源正面：圖5.

27、2.4直流穩壓電源正面拍攝圖直流穩壓電源反面：圖5.2.5直流穩壓電源反面拍攝圖5.3調試波形5.3.1正弦波圖5.3.1正弦波調試實際調試中輸出的正弦波波形如上圖所示。其中Vma*=1.64V；Vmin=-1.64V；峰-峰值為3.28V。5.3.2方波圖5.3.2方波調試實際調試中輸出的方波波形如上圖所示。其中Vma*=7.00V；Vmin=-10.2V；峰-峰值為17.2V。5.3.3三角波圖5.3.3三角波調試實際調試中輸出的三角波波形如上圖所示。其中Vma*=10.0V；Vmin=4.96V；峰-峰值為5.04V。6.數據記錄1.正弦波正弦波測試結果：輸出電壓3.28V，頻率10HZ

28、-8.2KHZ可調；2.方波方波測試結果：輸出電壓17.2V，頻率5HZ-7.8KHZ可調；3.三角波三角波測試結果：輸出電壓5.04V，頻率10HZ-8.0KHZ可調；4.電源電源測試結果：正極輸出+12.01V，負極輸出-11.96V。 7.課設總結：我們在課堂上掌握的僅僅是專業根底課的理論面，如何去面對現實中的各種設計？如何把我們所學到的專業根底理論知識用到實踐中去呢？這次的模電課程設計就為我們提供了良好的實踐平臺。在這次難得的課程設計過程中我鍛煉了自己的思考能力和動手能力。通過題目構思和設計電路的過程中，加強了我思考問題的完整性和實際生活聯系的可行性。在方案設計選擇和芯片的選擇上，培養

29、了我們綜合應用的能力,對函數信號發生器的功能也有了進一步的認識。還鍛煉我們個人的查閱技術資料的能力，動手能力，發現問題，解決問題的能力。并且我們熟練掌握了有關器件的性能及測試方法。在電路的選擇與仿真過程中，我發現從剛開場的Multisim到現在的Protel，不管是學習哪種軟件，都給我留下了很深的印象。由于之前軟件仿真方面接觸的不多，開場著手的時候覺得很費力，但慢慢的摸索出來，到后來就好多了。在每次的課程設計中,遇到問題，最好的方法就是問別人，因為每個人掌握情況不一樣，不可能做到處處都懂，發揮群眾的力量，復雜的事情就會變得很簡單。這一點我深有體會，在很多時候，我遇到的困難或許別人之前就已遇到，向他們請教遠比自己在那冥思苦想要來得快捷。最后的調試局部也不是易事，因為理論計算的值在實際當中并不一定是最正確參數，我們必須通過觀察效果來改變參數的數值以期到達最好。通過此次對函數信號發生器的設計，我掌握了常用元件的識別和測試；熟悉了常用的儀器儀表；進一步了解了電路的連接、焊接方法；以及如何提高電路的性能。進一步使我穩固了有關正弦波信號產生電路與直流穩壓電源相關方面的知識