本科毕业论文---波形产生电路的设计和制作.doc

波形产生电路的设计和制作 波形产生电路的设计和制作摘要：各种各样的信号是通信、电子、电气领域的重要组成部分，其中正弦波、三角波、和方波等是较为常见的信号，在科学研究及教学实验中常常需要这几种信号的发生装置。波形发生器作为电子技术领域中最基本的电子仪器，广泛应用于航空航天测控、通信系统、电子对抗、电子测量、科研等各个领域中。随着电子信息技术的发展，对其性能的要求也越来越高，如要求频率稳定性高、转换速度快，具有调幅、调频、调相等功能。 本课题重在对基础电路学知识的应用，通过波形发生器的设计，来加深和强化模拟电路及相关知识，掌握常用元器件的识别和测试和电子系统的一般设计方法，培养综合应用所学知识来指导实践的能力。关键词：正弦波、三角波、方波近年来国内外研究现状： 目前市场上已有的信号发生器有很多种，随着数字集成电路和微电子技术的发展和提高，新的频率合成技术直接数字频率合成得到飞速发展，它是继直接频率合成和间接频率合成之后发展起来的第三代频率合成技术。该技术在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标已远远超过传统的频率合成技术所能达到的水平。就目前波形发生器的种类而言，其电路形式有采用运放及分立元件构成；也有采用单片集成的函数发生器；以及以单片机和FPGA为核心，辅以必要的模拟电路构成的DDFS数字信号发生器，在保证信号发生器的稳定性、频率范围、幅值范围等指标的同时，实现对输出信号的频率、相位和幅值的数字控制是现代信号发生器的发展方向。现在，国外研究和使用的波形发生器大多要求频率在610Hz-50MHz，产生正弦、三角、锯齿、方波、调幅等波形，而国内则对频率在5*310Hz-40MHz，能产生正弦、三角、方波等基本波形的波形发生器需求大。本次毕业设计的课题是：波形产生电路设计 1.设计要求：产生三角波、正弦波、方波三种信号波形； 2.频率范围：100Hz10kHz，输出频率连续可调； 3. 输出的正弦波幅度06V可调； 4. 正弦波失真度小于5%； 5. 工作电源交流220V；正文：1）通过查阅手册和文献资料，熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则，进一步掌握电子仪器及电子软件的正确使用方法。初步掌握普通电子电路的安装、布线、调试等基本技能。2）提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力，学会撰写毕业设计总结报告，培养严肃认真的学习作风和严谨的科学态度。3）充分掌握方波-三角波-正弦波函数发生器的发生原理及设计方法，能够使用电路仿真软件进行电路调试。4）函数发生器作为一种常用的信号源，是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一，在研制、生产、维修和测试各种电子元件以及整机设备时都要用到信号源，以确定他们的性能参数。同时，信号发生器还广泛应用于通信、雷达、宇航、导航领域，是最基本的电子仪器之一。通过阅读十五篇文献：制作波形发生电路大致分为三种方法一、 直接模拟法这是传统函数发生器的简化结构，一般都是由自由振荡器产生原始波形，然后经过转换电路将原始波形转换成其他波形，在图 1 中方波是由振荡器产生的，三角波是由方波通过积分电路转变而成的，正弦波是由三角波通过一个波形整形电路（正弦波整形器）演变而来的，所需要波形经过放大和衰减输出，显然这种方式产生的波形种类有限，每增加一种波形，都要增加相应的转换电路，整个电路变得很复杂，最重要的是要产生用户所需要的任意波形复杂的波形几乎不可能图1相关方案也有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。二、 直接数字法（即用单片机实现的方法）直接数字法是采用直接数字合成（Direct Digital Synthesis）的方法实现信号产生。该技术具有频率转换速度快、频率分辨率高、易于控制的突出特点。直接数字合成技术近年来发展得很快， 而要产生任意波形就必须采用直接数字合成技术。 随着 DDS 技术的发展，出现了各种各样的直接数字合成的结构，但基本上可以发成两种：1）基于地址计数器的数字频率和成法；2）基于相位累加器的数字频率和成法。图2此电路为典型的MAX038内部电路图1）能精密地产生三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波信号。2）频率范围从0.1Hz20MHz，最高可达40MHz，各种波形的输出幅度均为2V（PP）。3）占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不影响，占空比最大调节范围是1090。4）波形失真小，正弦波失真度小于0.75，占空比调节时非线性度低于2。5）采用5V双电源供电，允许有5变化范围，电源电流为80mA，典型功耗400mW，工作温度范围为070。6）内设2.5V电压基准，可利用该电压设定FADJ、DADJ的电压值，实现频率微调和占空比调节。三、利用单片函数发生器利用单片函数发生器568038灵活地组成各种波形产生电路3. 原理简介：图3如图中所示，电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/3（ 其中VR=VCC+VEE），电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节，且I2必须大于I1。当触发器的Q端输出为低电平时，它控制开关S使电流源I2断开。而电流源I1则向外接电容C充电，使电容两端电压v C随时间线性上升，当v C上升到v C=2VR/3 时，比较器C1输出发生跳变，使触发器输出Q端由低电平变为高电平，控制开关S使电流源I2接通。由于I2I1 ，因此电容C放电，v C随时间线性下降。当v C下降到v CVR/3 时，比较器C2输出发生跳变，使触发器输出端Q又由高电平变为低电平，I2再次断开，I1再次向C充电，v C又随时间线性上升。如此周而复始，产生振荡。若I2=2I1 ，v C上升时间与下降时间相等，就产生三角波输出到脚3。而触发器输出的方波，经缓冲器输出到脚9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。当I1I22I1 时，v C的上升时间与下降时间不相等，管脚3输出锯齿波。因此，8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波等四种不同的波形。综合上述三种方案的优缺点比较： 基于模拟电路的波形设计方法，次方案的优点是电路结构简单，原理简单易懂，成本低廉，能基本生成方波，三角波，正弦波。缺点是生成的波形单一，幅度和频率固定，这种电路生成的正弦信号越来越不能满足生产实践的需要，已经逐渐被淘汰。 基于单片机编程的波形发生器设计方案的优点是硬件电路简单，所有器件少，可相对容易产生各种波形，在低频区基本上能实现所要求的功能;缺点是控制较复杂，精度不易满足，生成波形的频率范围小，特别是难以生成高频波形。 基于MCU与FPGA结合的波形设计方案利用单片机做为控制芯片，由MCU产生频率控制字和相位控制字并送给FPGA。这样需要高速运行的电路均由FPGA实现，大大减轻了MCU速度的要求。且输出信号频率切换时间短，输出信号频率稳定度高，输出信号的频率和相位可以快速程控切换，输出相位可连续改变可编程以及灵活性大。次方案的不足就是控制较为复杂，对系统硬件要求高，成本较高等。综合上述优缺点比较得出方案： 本设计要求基于模拟电子技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。此函数信号发生器，它具有价格低、性能高和在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等特点，由于采用LM358DB运算放大器和滤波电路，使其电路更加具有较高的稳定性能，性能比高，此电路清晰，出现故障容易查找错误，操作简单、方便。 1、输出方波：利用输入端的RC自激振荡电路，反相输入迟滞电路而形成，反相输入端增加一个电位器以调节频率。输出电路利用一个10V双向稳压管接地来稳幅。在输出端加一个电位器调节输出幅度。2、输出三角波：以方波为输入信号，输入到积分电路。同时为了提高三角波的负载能力并且减少方波频率对三角波幅值的影响，将积分电路的输出反馈给滞回比较器的输入。通过改变方波的频率改变三角波的频率。在电路中串联一个电位器调节输出幅度。3、输出正弦波：实际是一个一阶反相输入的低通滤波器。在积分电路中的电容上并联一个电阻来降低通带放大倍数。在电路中串联一个电位器调节输出幅度。将上述三种波形输出电路按一定顺序连接，分别输出相应波形，总体设计结构框图如图4。图4参考文献1童诗白主编.模拟电子技术基础（第三版）北京高教出版社，2001 2 李万成主编.模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，2001.3 3张大彪主编.电子测量与仪器.北京：电子工业出版社.2011.4朱宏 主编. 函数信号发生器的设计与制作 北京：高等教育出版社.2012 5康凤兴主编.模拟电路实验M 北京：中央民族大学出版社 1999.126卓郑安主编.电路与电子实验教程及计算机仿真M 北京：机械工业出版社 2002.87 陈勇主编.基于Multisim10的电子电路设计与仿真 选自：中国优秀硕士学位论文全文数据库8周登荣主编.任意波形发生器的电路设计与实现 选自：中国知网电子科技大学硕士学位论文9华中理工大学电子学教研室,陈大钦主编.杨华副主编,(模拟电子技术基础),北京,高等教育出版社 ,200010 杨素行主编(模拟电子电路),北京.中央广播电视大学出版社.199411杨素行主编:(模拟电子技术简明教程)(第二版),北京,高等教育出版社,199812 童诗白主编:模拟电子技术基础(第二版),北京高等教育出版社,198813 ,童诗白主编(模拟电子技术基础)(上下册)北京人民教育出版社,198314 华成英主编(电子技术)北京中央广播电视大学出版社,199615 A.J.Peyton V. Walsh: Analogue eletronics with Op Amps:a source book of practical, Campridge university press,New york, 199316 Jacob Millman and Arvin Grabel .Microelectronics.2nd ed.New York:Mcgraw-Hill book Company,1987