波形发生器的课程设计.doc

《波形发生器的课程设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《波形发生器的课程设计.doc（14页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、学院电子技术课程设计报告题目 波形信号发生器的设计 姓 名:学 号:专 业:班 级:指导教师:职 称:学院系2011年9月目录1 绪论11.1 课题的目的11.2 设计任务和要求12 总体设计方案22.1 课题分析22.2 设计步骤22.3 设计方案33 主要器件简介33.1 LM324的功能33.2 电阻和电位器43.3 电容43.4 二极管和稳压管的识别和接法54 单元电路设计与计算54.1 正弦波发生器54.2 方波-三角波发生器65 系统总电路图86 仿真分析与安装调试86.1 仿真分析图86.2 安装调试96.3 调整过程及波形分析97 总结9参考文献10附录11波形信号发生器1 绪

2、论波形信号发生器亦称函数信号发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路设计实验应用中不可缺少的仪器设备之一。目前市场上出现的波形发生器多为纯硬件搭接而成，且波形有限，多为锯齿波、方波、正弦波、三角波等。信号发生器作为一种常见的电子设备仪器，传统的仪器完全可以由硬件电路搭接而成。如采用555振荡器产生的正弦波、方波、三角波的电路是可取的路径之一，不用依靠单片机。但是这种电路存在波形质量差，控制难度大，调节范围小，电路复杂和体积大等缺点。在科学研究及生产实践过程中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而有硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号

3、用到的RC很大；大电阻，大电容制作上由困难，参数的精度难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点，一旦需求的功能增加，则电路的复杂程度会大大增加。1.1 课题的目的课程设计是在校大学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。通过课程设计，学生巩固和加深对电子电路基本知识的理解，了解集成运算放大器在振荡电路方面的运用；通过对运算放大器构成的比较器、方波-三角波发生器电路的实验研究，熟悉集成运算放 大器非线性应用及基本电路的调试方法。进一步巩固所学的理论知识，提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力；提高电路布局布线及检查和排除故障的能力；培养书写综合实验报告的能力。以及学会查寻

4、资料、方案设计、方案比较，以及单元电路设计计算等环节，进一步提高学生综合运用所学知识的能力，提高分析解决实际问题的能力。锻炼分析、解决电子电路问题的实际本领，通过此综合训练,为以后毕业设计打下一定的基础。1.2 设计任务和要求设计、组装和调试一个简易的波形信号发生器，并撰写内容完整、格式正确的设计报告。实物作品元器件布局合理、电路整洁，能够输出正弦波、方波和三角波等三种波形，其频率（100Hz10KHz）可调，通过调试；设计报告内容完整、格式正确，其中所有电路图的制作应采用EDA软件正确绘制，要有仿真结果；电路图中的图形符号须符合国家或国际标准。2 总体设计方案2.1 课题分析根据设计的要求，

5、对波形信号产生部分电路设计可以有多种方案，如模拟电路实现，数字电路实现，模数结合共同实现等。但鉴于波形信号连续性的特点和器材原因，采用模拟电路来全部实现更为方便和适合。2.2 设计步骤在熟悉课题，明确任务的基础上，查阅相关资料，理清设计思路，综合考虑总的设计时间和各部分设计所需时间，最终决定将本次设计分五大步进行。（1）熟悉课题，明确任务，查阅相关资料，确定总体设计方案；（2）根据各部分的功能划分功能模块，确定每一模块的硬件组成，合理选取具有相应功能的器件；（3）进行硬件设计，把各器件组成相应功能的模块，并把各功能模块进行电气连接，形成总的功能系统；（4）进行软件设计，编写程序，实现各模块功能

6、，使整个系统能够良好的运行；（5）进行仿真调试，检查各模块功能能否完全实现，综合考虑系统的灵活性、稳定性、误差大小及测温效率调整各器件的各项参数。使系统的处在最佳性能状态。经分析总结，确定总的设计流程如图2.1所示。图2.1设计2.3 设计方案 应用RC正弦波振荡电路产生正弦波，再以其输出作为电压比较器的输入产生方波，再以此电路的输出端作为积分器的输入端以产生三角波。其原理图如下：积分器电压比较器RC文氏电桥振荡器 正弦波 方波 三角波3 主要器件简介3.1 LM324的功能四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

7、内部的四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源330V，或正负双电源15V15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为OVcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。由于LM324四运放电路具有电源电压范

8、围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此被非常广泛的应用在各种电路中。图4 LM324引脚图3.2 电阻和电位器 电阻：有四色环和五色环的，我们使用的是五色环的，即用五道色环来表示电阻值信息。每道色环代表的意思不同，第一色环是百位数，第二色环是十位数，第三色环是个位数，第四色环是乘以10的颜色次方，第五色环是误差率。每道色环的颜色也不一定一样，分别对应着不同的数值，如黑（0）、棕（1）、红（2）、橙（3）、黄（4）、绿（5）、蓝（6）、紫（7）、灰（8）、白（9），金（5%）、银（10%）、无色（20%），一般出现在第五色环，表示误差率。电位器：所用的是3296W系列三脚电位器，中

9、间的引脚相当于滑动变阻器的滑片，连接时此脚必须接，其它两脚只接其中一个即可。上端有旋钮，旁边有标示，有三位数字，表示的是最大阻值，前两位分别表示十位、个位，末位表示10的次方，如W 103，表示W系列的最大阻值为10K的电位器。3.3 电容按照结构分三大类：固定电容器、可变电容器和微调电容器；按电解质分类：有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器和空气介质电容器等。电热电容器按用途分有：高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、高频耦合、低频耦合、小型电容器;按制造材料的不同可以分为：瓷介电容、涤纶电容、电解电容、钽电容，还有先进的聚丙烯电容等。电容的作用：旁路，滤波，去耦，储能。此次实物制作主要用了

10、电解电容和陶瓷电容两种，用于RC振荡电路和积分电路中。电解电容引脚有正负极之分，长的为正极，短的为负极，接入电路应注意。3.4 二极管和稳压管的识别和接法二极管和稳压管：有标示一端为负。在这个电路中可要可不要，视情况而定。二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。正因为二极管具有上述特性，无绳电话机中常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控制、调频调制和静噪等电路中。稳压二极管工作于反向击穿区，特点是击穿后，其两端的电压基本保持不变。当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两

11、端的电压将基本保持不变。稳压管与其它二极管不同之反向击穿是可逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但反向电流超过允许范围，二极管会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。4 单元电路设计与计算4.1 正弦波发生器采用的是由集成运算放大器LM324构成的RC文氏电桥振荡器，它适用于产生11MHz的低频信号，具有选频作用好、振幅稳定、频率调节方便和制作成本低等特点。其图如下所示：图1 RC文氏电桥振荡器图1中,R、C为串、并联选频网络，接于运算放大器LM324的输出与同相输入之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。其余部分是带有负反馈的同相放大电路，R1、R2、RV3构成负反馈网络，调节

12、RV3可改变负反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使其满足振荡的幅值条件。二极管D1、D2的作用是有利于正弦波的起振和稳定输出幅度，改善输出波形。当输出电压VO的幅值很小时，D1、D2开路，等效电阻Rf较大，Avf=Vo/VP=（R2+Rf）/R2较大，当大于3时，有利于起振；而当输出电压VO的幅值较大时，二极管D1、D2导通，Rf减小，Avf随之下降，当等于3时，VO幅值趋于稳定。已知fo=100Hz10KHz，由振荡器的频率公式fo=1/（2*3.14*RC），得RC=1/（2*3.14*fo），取C=0.033uF，则RV1、RV2可取20K可调。由于Avf3，则要求Rf2*R2，取R

13、2=16K，R1=10K，RV3取50K可调即可。这些参数可能还要视实际电路调试情况而稍作改变。4.2 方波-三角波发生器由电压比较器和积分器构成的方波-三角波发生器电路图如下所示。图2 方波-三角波发生器图2中，左端的LM324构成的是电压比较器，右端的是积分器，分别用来产生方波和三角波。积分电路的输出电压反馈至电压比较器的输入端，形成闭环，使电路产生自激振荡。由于采用了积分电路，使方波-三角波发生器的性能大为改善，不仅得到的三角波线性度比较理想，且振荡频率和幅值也便于调节。电路中，输出方波的幅值由稳压二极管决定，被限制在+VZ之间，三角波的幅值为Vo2m=|+（R3/R4）VZ|=（R3/

14、R4）VZ。因vo2由0上升到Vo2m所需时间为1/4T，故Vo2m=VZT/（4*RV4*C3）；如果要维持三角波幅值不变，则R3、R4的阻值不变，可取R3=10K，R4=20K。由Vo2m=VZT/（4*RV4*C3）=（R3/R4）VZ，可知T= （4*R3*RV4*C3）/R4已知f0=100Hz10KHz，由于三角波和方波的振荡频率相同，都f0=1/T=R4/（4*R3*RV4*C3），则取C3=0.47uF，RV4=10K可调节，得出波形。5 系统总电路图将单元电路整合成系统电路图，如下图所示。图3 系统电路图6 仿真分析与安装调试6.1 仿真分析图图4 正弦波、方波和三角波三种波

15、形仿真6.2 安装调试首先，搞清集成运算放大器LM324的基本特点和引脚排列图。再次，布局和焊接。按单元电路来，将元器件放在万能板合适位置，使之看上去整洁美观，然后连线，最好是连好一部分就检查一部分，以便检测各部分功能的完好性。最后，系统电路调试检查。将焊接好的单元电路连接起来，将各电位器调在仿真图最佳输出效果对应的阻值附近，进行细调，以在示波器上观察到的输出波形效果为准。6.3 调整过程及波形分析在对系统进行仿真的时侯，可以在虚拟的示波器上观察到三角波，方波，正弦波，其中，方波、三角波输出波形不是很好，正弦波输出波形较为理想。这与电路设计的参数有关，另一方面与系统仿真软件也有关。对于上述问题

16、的解决方法是改变系统仿真设置的参数或换着用版本高的软件，当然一般产生这种情况的原因多由于电路的参数不合理设置。波形的参数与电路设置的最大参数有关，而频率受机器的控制，当仿真时，由于系统存在一定的误差，所以得到的波形效果不是很好。而进行实物调整就有一定的误差了，正弦波输出波形一般都会比较清楚，而方波、三角波的输出波形会有点失真，且三角波很难调试出来，即使调出来幅度也不大。例如：将RC文氏电桥振荡器中RC串联网络中的电容值由0.003uF改成0.47uF,将积分器中的电容值由0.47uF改成47uF,观察各输出波形，相比前者后者三角波的波形更好。7 总结通过此次课程设计制作，我制成了一个简单的波形

17、信号发生器实物。虽然实物作品能较好地输出正弦波和方波，且能实现频率可调，但三角波效果不明显。因此，我还做了第二遍，经多次分析并调试改，但效果改变不明显。相比以往，我们在本次课程设计中的收获更多，因为它跟多地锻炼了我们的实践动手能力，分析问题以及解决问题的能力，耐心也提高了。其一，动手能力得到加强。以前，我从未接触过焊接，在焊接过程中遇到了很多问题，有时一不小心就把自己的手烫了，头发也烧了；有时有焊接不牢靠，出现虚焊等情况。但经过练习后，自己变熟练了，一会儿就能焊好几根，这就是人们常说的熟能生巧。其二，分析问题和解决问题的能力提高。专业学了这么久，自己总是不知道书本上的知识能有什么用，也不知道以

18、后自己会不会用，因此，不是很重视理论知识的学习，直到这次课程设计要做出实物，自己才恍然大悟，理论是分析问题和解决问题关键，只有掌握了理论知识才能更透讲清楚问题的根源所在，最后解决问题。例如，要如何才能得到不失真稳定的波形，这就得结合理论的分析，通过计算得到最佳结果，用以改变相应的值。在调试的时候会遇到得不出波形的情况，这时应该先检测电路是否完全接好，有没有落下的端口没接，如果线路是完好的，那就得检查器件是否损坏。其三，自己做事更有耐心。做出实物，并不等于一定会出波形，有时会因为自己的粗心大意而把线连错，这就需要耐心的去检查错误。在调试的过程中，也需要细心并且慢慢地改变电阻值。在这次实践中，我知

19、道了做事要有耐心，着急是没有用的，越急事情就越做不好。此外，让我值得高兴的是，我和同学之间的关系更加密切了。在制作的过程中，我们互相帮助，一起讨论问题，做同一个事情，怎么做是容易，怎么样让事物看起来美观学，彼此交流意见，受益匪浅。有时也聊聊其他的，开开玩笑，放松放松，这种感觉就像跟家人在一起一样。总体而言，我的收获很多，学习方面的，为人处事等。在做事情的时候，耐心，细心非常重要，着急有害无益，而多问有益无害。参考文献1 彭介华.电子技术课程设计指导. 北京：高等教育出版社.2 张玉璞，李庆常.电子技术课程设计. 北京：北京理工大学出版社.3 梁宗善. 电子技术基础课程设计. 武汉：华中理工大学出版社.4 康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）. 北京：高等教育出版社，2006.5 陈大钦，罗杰. 电子技术基础实验（第三版）. 北京：高等教育出版社，2008.附录表1 元件清单元件名称型号参数数量集成运算放大器LM3241滑动变阻器RV120K1滑动变阻器RV220K1滑动变阻器RV3100K1滑动变阻器RV410K1电阻R110K1电阻R216K1电阻R310K1电阻R420K1电阻R53.3K1电解电容0.003uF1电解电容0.47uF1陶瓷电容47uF1万能板S-11