模拟电路课程设计(波形发生器).doc

滁州学院计算机与信息工程学院课程设计报告课程名称： 模拟电路课程设计 姓 名：甘X 王XX 谢XX 刘X 张XX 专 业： 通信工程专业 指导教师： 于XX 滁州学院计算机与信息工程学院2018年1月模拟电路课程设计任务书学 院计算机与信息工程学院专 业16级通信工程课程名称模拟电路课程设计题 目波形发生器设计完成期限自2018年1月2日至2018年1月8日内容及任务一、项目的目的1.根据给定的技术指标，从稳定可靠、使用方便、高性能价格比出发选择方案，运用所学的各种电子器件和电子线路知识，设计出相应的功能电路。2. 通过查阅手册和文献资料，培养小组成员独立分析问题的能力、团队成员合作的能力和世家解决问题的能力；3.根据设计电路，在Multisim10仿真软件中调试、并根据结果分析影响实验结果的各种可能性因素二、项目任务的主要内容和要求设计并制作一台信号发生器，在Multisim10仿真软件中运行，使之产生正弦波、方波和三角波信号。要求如下：(1)信号发生器能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形；(2)输出波形频率在0.2Hz20kHz范围内连续可调；(3)正弦波幅度为+2V和-2V。(4)方波幅值为2V。(5)三角波峰-峰值为2V，占空比可调。(6)输出信号波形无明显失真。三、项目设计研究思路1.根据技术指标和已知条件，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。根据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。2.选择电路方案并完成确定方案电路设计。按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。3.安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。四、具体成果形式和要求设计并制作一台信号发生器，使之产生正弦波、方波和三角波信号。进度安排起止日期工作内容2018.01.02-2018.01.03剖析题目要求，查找相关资料学习电路的工作原理;2018.01.04-2018.01.06方案选择与电路设计，设计出原理图;2018.01.07-2018.01.08完善功能，写报告。主要参考资料1童诗白.模拟电子技术基础（第五版）M.北京：高教出版社,20012李万臣.模拟电子技术基础与课程设计M.哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社,20013何香玲,郑钢,范秋华.数字化波形发生器的设计J.电子技术应用,2007,51-534谭博学,苗汇静.集成电路原理及应用M.北京:电子工业出版社,20095杨东芳.合成波形信号发生器的设计J.仪表技术与传感器,2016,72-74指导教师意见（签字）： 年 月 日系（教研室）主任意见（签字）： 年 月 日模拟电路课程设计目录第一部分：正文部分1一、选题背景1二、方案论证1三、过程论述33.1设计要求33.2系统组成43.3电路总体设计方案4四、系统实现54.1 系统主要功能介绍54.1.1 方波发生电路模块54.1.2 方波-正弦波转换电路模块74.1.3 三角波-正弦波转换电路模块84.2 元器件参数的选择10五、系统电路仿真与安装115.1 电路仿真115.1.1 方波-三角波电路仿真115.1.2 三角波-正弦波电路仿真125.2 系统电路的安装与调试135.2.1 系统电路的安装135.2.2 系统电路的调试13六、结论14第二部分：参考文献16第三部分：指导教师评语17第四部分：成绩评定17 17模拟电路课程设计第一部分：正文部分一、选题背景波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现在各种电子实验设计应用中必不可少的仪器设备之一，函数信号发生器可以用分立元件组成，通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不以调试。也可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300KHZ，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。还可利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。可以达到更高的技术指标。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。在电子工程、通信工程、自动化控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构造成各种各样信号波形发生器。用集成电路实现的波形发生器与其他信号波形发生器比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。波形发生器作为信号源广泛应用于电子工业、自动控制和科学试验等领域。雷达、通信、宇航、遥控遥测技术和电子系统等领域都随处可见波形发生器的应用。如今作为电子系统心脏的信号源的性能很大程度上决定了电子设备和系统的性能的提高。因此随着电子技术的不断发展，现今对信号源的频率稳定度、频谱纯度和频率范围以及信号波形的形状提出越来越高的挑战。从上世纪20年代起，世界上对于波形发生器的研究与改进从未间断过，到现今已经研制出了用于不同频域的各种高性能的波形发生器。但是我国对波形发生器的研究起步较晚，国内市场上波形发生器种类匮乏，价格昂贵，且多用于航天军事等领域。在这种情况下，在实际工业应用中往往需要设计人员自行设计出所需的波形发生器，带来不必要的工程开销。所以说研制一种功能齐全、使用方便的波形发生器十分重要。二、方案论证方案一：由555多谐振荡器、积分电路、低通滤波器共同组成的方波三角波正弦波波形发生器的设计方法，电路框图如图2.1。首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波。 图2.1 方波、三角波、正弦波、信号发生器的原理框图方案二：由RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波方波三角波波形发生器的设计方法，电路框图如图2.2。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。 图2.2 正弦波、方波、三角波信号发生器的原理框图方案三：由比较器、积分器、差分放大器共同组成的方波三角波正弦波波形发生器的设计方法，电路框图如图2.3。首先由比较器输出的方波经由积分器后输出三角波；三角波经由差分放大器变换正弦波输出。图2.3 方波、正弦波、三角波信号发生器的原理框图分析与比较： 方案一：电路结构、思路简单，运行时性能稳定且能较好的符合设计要求，且成本低廉、调整方便，但输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。方案二：电路具有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数不变，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。三角波的缺陷，难处理，且波形质量不理想。方案三：差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等有点。尤其作为直流放大器时，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。综上所述，选择方案三。三、过程论述3.1设计要求根据课题要求，设计制作一个可以发射三角波，正弦波，矩阵方波的波形信号发射器。波形信号发射器可实现三种波形的发射，转换，具体要求如下：(1)信号发生器能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形；(2)输出波形频率在0.2Hz20kHz范围内连续可调；(3)正弦波幅度为+2V和-2V。(4)方波幅值为2V。(5)三角波峰-峰值为2V，占空比可调。(6)输出信号波形无明显失。3.2系统组成由比较器输出的方波经由积分器后输出三角波；三角波经由差分放大器变换正弦波输出。波形发生器设计系统的原理框图如图3.1：图3.1 波形发生器设计系统原理框图3.3电路总体设计方案本系统是经过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。波形发生器系统原理图如图3.2所示：图3.2 波形发生器系统完整电路图四、系统实现4.1 系统主要功能介绍4.1.1 方波发生电路模块本部分由运用放大器、电阻、滑动变阻器、电容等器件构成。因为方波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平（如图4.1所示），所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。方波电压状态如下图4.1所示： 图4.1 方波电压状态此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成（如图4.2所示）。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压VO1=+VCC,则同相输入端电位VCC=VEE。VO1通过 R4对电容C1正向充电。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，VO1趋于+VCC；但是，一旦V+=V-,再稍增大，VO1从+VCC跃变为-VCC,与此同时VO2从+VEE跃变为-VEE。随后，VO1又通过R4对电容C1反向充电。VO2随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，VO2趋于-VCC；但是，一旦V+=V-,再减小，VO1就从-VCC跃变为+VCC，VO2从-VEE跃变为+VEE，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。方波发生电路如下图4.2所示：图4.2 方波发生电路欲改变输出电压的占空比，就必须使电容正向和反向充电的时间常数不同，即两个充电回路的参数不同。利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路，从而实现占空比可调如下图4.3所示：图 4.3 占空比可调电路占空比的计算式为：T1T=11+24.1.2 方波-正弦波转换电路模块本部分由运用放大器、电阻、滑动变阻器、电容等器件构成。如下图4.4所示。本部分电路工作原理如下：运用放大器U1与R1、R2、R3、及RP1组成同相输入的滞回电压比较器。运放的反相端通过平衡电阻R1接基准电压，即V-=0，同相输入端接反馈输入电压VO2。比较器的输出VO1的高电平等于电压+VCC，低平电压等于负电压等于负电源电压-VEE -VCC, VCC=VEE 。当VO1=+VCC时，通过R4与RP2向C1充电，由于输入加在反相积分器的方向输入端，故使VO2减小，同时也使用电压比较器的V+减小，当比较器的V+=V-=0时，比较器反转，输出VO1从高电平跳到低电平；当VO1=-VEE时，通过R4与RP2向C1反向充电，由于输入加在反相积分器的方向输入端，故使VO2增大，同时也是使电压比较器的V+增大，当比较器的V+=V-=0时，比较器翻转，输入VO1从低电平跳到高电平。上述过程周而复始，就构成一个方波-三角波自动转化电路。方波-三角波波形图如下图4.5所示：设VO1=+VCC,则V+=R2R2+R3+RP1+VCC+R3+RP1R2+R3+RP1VO2=0 (4-1)将上式整理，有比较器翻转的下门限电位VO2-为VO2-=-R2R3+RP1+VCC=R2R3+RP1VCC (4-2)若VO1=-VCC, 比较器翻转的上门限电位VO2为VO2+=-R2R3+RP1-VCC=R2R3+RP1VCC (4-3)比较器的门限宽度为VH=VO2+-VO2-=2R2R3+RP1VCC (4-4)三角的幅度为VO2m=R2R3+RP1VCC (4-5)由方波-三角波的积分公式有方波-三角波的频率f为f=R3+RP14R2(R4+RP2)C1 (4-6)由式可以看出电位器在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。调整可改输出的频率范围，调整可实现输出频率的微调。方波的输出幅度应等于电源电压。三角波的输出幅度应不超过电源电压。电位器可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。图4.4 方波-正弦波转换电路图4.5 方波-三角波波形4.1.3 三角波-正弦波转换电路模块本部分由差分放大器、电阻、滑动变阻器、电容、电源、三极管等器件构成。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，可以有效的抑制零点漂移，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。上半部分为一个单端输入、单端输出和的差动放大电路，用于实现三角波-正弦波的百年还。下半部分差动放大电路为一个给上半部分差动放大电路提供恒定电流的电流源。其中，调节RP3可调节三角波的幅度，调节RP4可调整电路的对称性，其并联电阻R8用来减小差分放大电路器的线性区。电容C2、C3、C4为隔直电容，C5慰滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出线性。分析电路和传输特性曲线可知，为使输出波形更接近正弦波，传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；三角波的幅度Vm应正好使晶体管接近饱和区或截止区。假设VO2为三角波，输入的三角波波形表达式为VO2=4VmTt-T4, &(0tT2)-4VmTt-3T4, &(T2tT) (4-7)式中，Vm为三角波的幅度（VO2m），T为三角波的周期。 正弦波的电压VO3=VCC-IC2R7 (4-8)其中，集电极电流IC2可由发射极电流IE2求得，有IC2=aIE2=aI01+eVO2/VT (4-9)式中，a=IC/IE1，IO为下半部分差分放大器提供的恒定电流，Vt为温度的电压当量。当室温为25时，Vt26mV。应为输出频率很低，隔直电容C2、C3、C4取值较大，取C2=C3=C4=470uF。滤波电容C5取值输出的波形而定，若含高次谐波成分较多，C5取值较小，一般为几十皮法至0.1uF. R8(100)与RP4(100)并联，以减小差分放大器的线性区。取平衡电阻R9= R10=10K。要保证正弦波的Vpp=2V，需确定IC2的大小，由传输和特性曲线和式(4-8)、(4-9)可知，IC2与差分放大器的静态工作点Q以及为下半部分差分放大器提供的恒定电流I0有关，这可通过调整RP4及电阻R13确定。取R8=R9=R11=10K，R10=1K，R13=9K。图4.6 三角波-正弦波转换电路图4.7 三角波-正弦波的变换原理4.2 元器件参数的选择比较器与积分器的原件计算如下：由公式及功能设计要求，三角波Vp-p=2V，VCC=12V，有R2R3+RP1=VO2mVCC=412=13取R2=10K，则R3+RP1=30K，取R3=30K，RP1为47 K的电位器。取平衡电阻R1=R2（R3+RP1）10K。同时由式（4-6）有R4+RP2=R3+RP14R2fC1当0.2Hzf200Hz时，取C1=10uF，则R4+RP2=(3.7537.5)K，取R4=1M，RP2为100K电位器。当200Hzf2000Hz时，取C1=1uF，当2KHzf20KHz时，取C1=0.1uF,以实现频率波段的转换，及的取值不变。取平衡电阻R5=1M 三角波正弦波变换电路的参数选着原则是：隔直电容C3，C4，C5 要取得大，因为输出频率较低，取C3=C4=C5=470uF，滤波电容C6一般为几十皮法至0.1uF。与 相并联以减少差动放大器的线性区。差动放大器的静态工作点课通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R6确定。五、系统电路仿真与安装5.1 电路仿真5.1.1 方波-三角波电路仿真在电容C1处介入一个一刀掷选择开关，可分别选择接入10uF、1uF、0.1uF的电容，以实现将信号频率分为3档：0.2200Hz；200Hz2KHz；2KHz20KHz。例如，选择200Hz2KHz档，将示波器的A、B通道分别与电路中的测试端口VO1与VO2链接，启动仿真开关，即可得到如图5.1所示的输出波形。在进行单元电路设计、分析时已知，方波的输出幅度应等于电源电压+VCC，三角波的输出幅度应不超过电源电压VCC，调整电位器RP4可实输出方波-三角波幅度的微调，但会影响方波-三角波的频率；调整电位器RP2可实现输出方波-三角波频率的微调，但不会影响输出和波形的幅度；若要在较宽的频率范围内调整输出方波-三角波的频率，则可调整接入电容C1的大小。在量程选择开关（C1大小）不变的情况下，分别将RP1、RP2从50%调整为80%，可得到不同周期（频率）和幅度的方波-三角波波形改变选择开关K，接入不同的电容C1量值，以调整频率的测量量程。如要使数据更准确可调整电位器RP1、RP2的量值。图5.1 方波-三角波电路输出波形5.1.2 三角波-正弦波电路仿真测试三角波-正弦波电路时应注意按以下步骤进行。(1)断开RP3，经C3由信号源输入50mV/100Hz的三角波（差模信号）。调节RP4与R13，是传输曲线对称。逐渐怎打差模输入电压，直至传输特性曲线形状如图5.2所示，记下此事后对应的差模电压值，即为最大值。移去信号源，将C3左端接地，测量差分放大器的静态工作点I0，VC1、VC2、VC3、VC4。(2)将RP3与C3链接，调节RP3使三角波的输出幅度为最大值，这时VO3的传输波形应接近正弦波。调节C6大小可改善输出波形。若VO8的波形出现失真，则应调节和改善参数，产生失真的原因及可采取的措施有：若出现钟形失真，可能是传输和特性曲线的线性区太宽所致，应减小R8；若出现圆顶或平顶失真，可能是传输特性曲线的对称性较差、工作点Q偏上或偏下所致，应调整电阻R13。启动仿真开关，即可得到如图5.3所示的三角波-正弦波输出波形。图5.2 三角波-正弦波变换的传输特性曲线图5.3 三角波-正弦波电路输出波形仿真是对电路可行性的理论分析，是检验电路正确性的辅助手段。设计时按照理论计算选取的电路参数，带入进行仿真后，基本得到设计的参数要求，即方波幅值为2v，三角波峰峰值为2v，正弦波幅值为2v。5.2 系统电路的安装与调试5.2.1 系统电路的安装1.将LM324装上电路板，设计并排版，使各元件易于焊接且美观；2.分别把各电阻及电容放入适当位置，尤其注意电位器和稳压管的接法，由于本电路用到了三个LM324，所以应明确各管脚的接线位置，并将电阻电容等焊在易于连线的位置，避免短路、少焊、虚焊等问题，也使电路易于检查；3.按图接线，注意直流源的正负及接地端。5.2.2 系统电路的调试将LM324的4脚和11脚分别接正负电压，接上示波器观察波形。首先分别调试各电路，在调试方波发生电路时，发现虽然有波形产生，但幅值偏小，达不到要求，多次检查后发现，LM324所接的是 5V电压，当调整至 15V电压后，幅值增大，基本达到设计要求。之后调试三角波发生电路，发现也是幅值达不到要求，并且波形部分失真，又进行了仿真，并在电路板上插线连接模拟了真实电路，改变了电路参数，之后达到了设计要求。最后调试正弦波发生电路，起初没有波形产生，后将万用表打至蜂鸣档检查电路各连接点是否短路和电路焊接是否正确，找到了问题，发现有一处出现了少焊，重新焊接后，有波形产生，但发生了严重失真，于是又进行仿真，再次用电路板插线连接模拟真是电路，改变电路参数，使波形达到设计要求，但是频率范围比较窄，改变了图中某些元件的参数（变换了电容）后，重新调试，基本达到了设计要求。各波幅值达到设计要求后，又对参数进行了调整，使其频率在0.02Hz20KHz且连续可调。六、结论实现本次实验的方法不唯一，但相较而言，我们所选方案需要的元器件最少，提高了实验电路的稳定性，且实验的调节方法也很简单，做到了节约、简便、迅速的基本要求。进行实验时为了便于调节参数，选用了较多的电位器，实际上有的电位器可以用定值电阻代替且不影响实验结果。方波的输出幅度约等于电源电压+Vcc.三角波的输出幅度不超过电源电压+Vcc。电位器Rp1可以实现幅度的微调，但会影响方波三角波的频率。另外本次课程设计是在前导验证性认知实验基础上，进行更高层次命题的课程设计，是在教师指导下独立查阅资料、设计、安装和调试特定功能的电子电路。本次课程设计需要克服三个困难。首先，创新与实践并存。对完成一个电路的设计,明白理论基础是根基,实践操作是完成实物的重要部分,而创新能力则决定了一个电路的价值.因为设计一个电路，绝非简单地按课本的电路图进行焊接成型，更不是在仿真软件中简单的运行。第二，计算的精准性。对于进行电路各个元件参数的计算，这部分知识不仅涉及到掌握理论知识.对元件的计算要求更高、更精准，一旦有了较大的误差对电路后期的分析有问题，从而，设计出来的电路性能指标跟要求相差甚远。第三，后期电路的检测和调试。如何排除错误，它考验了我们如何运用理论知识和实际的调试的能力.另外,通过这次课程设计,我掌握了常用元件的识别和测试、熟悉了常用的仪器、了解了电路的连接、焊接方法、巩固了基础、提高了实际操作技能、并养成注重设计、追求创新的思维习惯.总而言之,这次课程设计极大的提高我在电子电路方面的各项能力。这次课程设计的经历将是作为财富而不仅仅是经验。课程设计就是将理论知识在实际中验证，应运于实际这才是学习的目的。第二部分：参考文献1童诗白.模拟电子技术基础（第五版）M.北京：高教出版社,20012李万臣.模拟电子技术基础与课程设计M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,20013何香玲,郑钢,范秋华.数字化波形发生器的设计J.电子技术应用,2007,51-534谭博学,苗汇静.集成电路原理及应用M.北京:电子工业出版社,20095杨东芳.合成波形信号发生器的设计J.仪表技术与传感器,2016,72-74 学生签名： 填表日期： 年 月 日 第三部分：指导教师评语第四部分：成绩评定教师签名： 填表日期： 年 月 日