波形发生器-课程设计.doc

电子技术课程设计说明书

摘要：
函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如方形、三角波、正弦波的电路。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数信号发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出方波、三角波、正弦波的函数发生器。本课题采用集成芯片555定时器制作方波-三角波-正弦波函数发生器的设计方法，经过Multisim 12仿真得出了方波、三角波、正弦波、方波-三角波转化及三角波-正弦波转化的波形图。

关键词：
函数信号发生器 、 555定时器 、Multisim 12

电子技术课程设计说明书
目 录

一.课程设计的目标和设计的任务 1
1.1 设计培养的目标 1
1.2 设计任务 1
1.3 课程设计的要求及技术指标 1
二.函数发生器的总方案及原理框图 2
2.1 电路设计原理框图 2
2.2 函数发生器的总方案 2
三.各部分电路设计 3
3.1 电源电路 3
3.1.1 LM7812的介绍 3
3.1.2 LM7912的介绍 3
3.1.3 电源工作原理 3
3.2 方波发生电路 4
3.2.1 555定时器的介绍 4
3.2.2 方波发生电路的工作原理 4
3.3 方波-三角波转换电路 5
3.3.1 UA741型运算放大器的介绍 5
3.3.2 方波-三角波转换电路的工作原理 5
3.4 三角波-正弦波转换电路的工作原理 6
四.电路仿真 7
4.1 电路仿真原理图 7
4.2 万用表测电压 7
4.3 方波发生电路的仿真 7
4.4 方波-三角波发生电路的仿真 8
4.5 三角波-正弦波转换电路的仿真 8
4.6 方波-三角波-正弦波发生电路仿真 9
五. Altium Designer制图 10
5.1 Altium Designer绘制原理图 10
5.2 PCB布线图 10
六.电路的安装与调试 12
6.1 电源的安装与调试 12
6.2 方波发生电路的安装与调试 12
6.3 方波-三角波转换电路的安装与调试 12
6.4 三角波-正弦波转换电路的安装与调试 12
6.5 总电路的安装与调试 12
6.6 安装中出现的问题 12
七．电路的实验结果 13
7.1 电源电路的实验结果 13
7.2 实测方波 13
7.3 实测三角波 13
7.4 实测正弦波 13
7.5 实验中出现的问题 14
八.总结 15
九.参考文献 16
附录（仪器仪表清单） 17

II

一.课程设计的目标和设计的任务
1.1 设计培养的目标
1.总体目标：
本课程的目标是让学生在掌握模拟和数字电子技术的基础上，通过典型实践题目的设计与实现，使其加深对模拟和数字电子技术知识的理解，初步掌握现代电子系统的设计方法，培养分析、解决实际问题的能力，提高工程设计的技能。
2．知识目标：
（1）熟悉各种模拟电路和数字电路的内容；
（2）按要求完成整个电路的分析和设计；
（3）对整个系统仿真并会调试。
3．能力目标:
(1) 能熟练掌握操作万用表、信号发生器、示波器、稳压电源等常用电子仪器仪表；
（2）能熟练查阅常用电子元器件和芯片的规格、型号等资料；
（3）能熟练用Multisim对系统进行仿真；
（4）完成整个电路的硬件连接，并学会排错、解决故障；
1.2 设计任务
用555定时器构成的方波、三角波、正弦波发生器
1.3 课程设计的要求及技术指标
（1） 方波发生器电路输出频率范围：10-1KH可调；
（2） 占空比0-100%连续可调；
（3） 输出方波 Vpp<=12v;
（4） 输出三角波Vpp>0.2v;
（5） 输出正弦波Vpp<1v;
（6） 设计以上电路工作电源。

二.函数发生器的总方案及原理框图
2.1 电路设计原理框图

图2.1 函数发生器原理框图
2.2 函数发生器的总方案
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。为进一步掌握电路的基本原理及实验调试技术，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。
产生正弦波、方波、三角波的方案有很多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以先产生三角波-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，再将三角波变成正弦波的电路设计方法。
本课题中函数发生器电路组成框图如下：
首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分放大电路产生三角波，最后用低通滤波器将三角波转化成正弦波，当这样的输出容易造成负载输出的正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动负载崎变。

三.各部分电路设计
3.1 电源电路
3.1.1 LM7812的介绍
LM7812是指三段稳压集成电路IC芯片元器件，适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。
3.1.2 LM7912的介绍
LM7912功能同LM7812。
LM7812与LM7912的区别：
7812中间的公共端接直流电源的地，输入和输出极接正极；7912中间的公共端接直流电源的正极，输入和输出极接地。
将正面对着自己，管脚在下，圆孔端在上，左中右三却分别是123脚。
它们的1、输入，2脚是电压端，1接电源正，2接地。
它们的2、3脚为电压输出端，3接电源输出，2接地。
LM7912，输入端接12-14VDC即可，输出的是-12VDC。
LM7812输入端接12-14VDC，输出的是12VDC。
LM7805输入端接6VDC，输出的是5VDC。

图3.1 LM7812与LM7912管脚图
3.1.3 电源工作原理
电源输出交流电压，桥式整流器利用二极管的单向导通性进行整流，将交流电转变为直流电。在经过滤波电容滤波和稳压芯片LM7812和LM7912的稳压后输出较稳定的直流电源，但在后续的设计中其他的器件会影响电源，因此在经过一组滤波电容滤波，输出本设计所需的±12V的直流稳压源。

图3.2 电源电路图
3.2 方波发生电路
3.2.1 555定时器的介绍
555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
目前生产的定时器有双极性和CMOS两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。他们的结构及工作原理基本相同。通常，双极性定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极性定时器电源电压范围为5-16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为3-18V，最大的负载电流在4mA以下。
3.2.2 方波发生电路的工作原理
由555定时器构成多谐振动器产生方波（如下图）

图3.3 555定时器构成多谐振动器电路
用555定时器构成的多谐振荡器如图所示，接通电源后电容C1通过R1、Rx被充电，注：Rx为电位器R4的上半部分。当电容C1的上端电压Vc升到2Vcc/3时使555第三管脚Vo变为低电平，同时555内的放电三极管导通此时电容通过D2、R17、R2、Ry放电，注：Ry为电位器R4的下半部分，当Vc下降到Vcc/3时，Vo翻转为高电平。
电容放电时间为T1=(R17+R2+Ry)C1ln2，当放电结束，T截至Vcc通过R1、Rx向电容充电Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为T=(R1+Rx)C1ln2。当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到了一个周期性的矩形波。

3.3 方波-三角波转换电路
3.3.1 UA741型运算放大器的介绍
741型运算放大器具有广泛的模拟应用。宽范围的共模电压和无阻塞功能可用于电压跟随器。高增益和宽范围的工作电压特点在积分器、加法器和一般反馈应用中能使电路具有优良性能。此外，他还有如下特点：（1）无频率补偿要求；（2）短路保护；（3）失调电压调零；（4）大的共模、差模电压范围；（5）低功耗。
741型引脚如图所示：

图3.4 UA741引脚图
3.3.2 方波-三角波转换电路的工作原理
利用积分器来实现（如下图）:

图3.5 积分运算放大电路
如图所示，由积分运算放大器将555定时器产生的方波转化为三角波。Up=Un=0,为“虚地”，故ic5=ir5=Ui/R5,Uo=-Uc5（Uo为输出端电压）。利用电容的充放电原理，再经R、C积分就得到了三角波。

3.4 三角波-正弦波转换电路的工作原理
RC积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路，RC积分电路可用于延时、定时、以及各种波形的产生。如图所示，由R、C构成的低通滤波器并且利用电容的充放电原理将三角波转换为正弦波。

图3.6 低通滤波器原理图

四.电路仿真
4.1 电路仿真原理图

图4.1 电路仿真原理图
4.2 万用表测电压

图4.2 仿真万用表测电压图
4.3 方波发生电路的仿真

图4.3 仿真方波发生图
4.4 方波-三角波发生电路的仿真

图4.4 仿真方波-三角波发生电路图
4.5 三角波-正弦波转换电路的仿真

图4.5 仿真三角波-正弦波转换电路图
4.6 方波-三角波-正弦波发生电路仿真

图4.6 仿真方波-三角波-正弦波电路图

五. Altium Designer制图
5.1 Altium Designer绘制原理图
方波，三角波，正弦波产生原理图
用Altium Designer制图软件进行制图，打开Altium Designer制图软件，点击文件，然后选择新建工程，PCB工程。接着在PCB工程里新建一个原理图文件，在原理图上，从软件的软件库里调出所需元件，按电路图接好线，变得到原理图。

图5.1 方波，三角波，正弦波产生原理图
5.2 PCB布线图

图5.2 PCB布线图

图5.3 三维仿真图
六.电路的安装与调试
6.1 电源的安装与调试
1.将整流桥、杜邦插针、稳压芯片插入电路板上；
2.分别把各电阻、电容放入适当位置；
3.按图接线，注意焊接时虚焊的问题
4.焊接完成后，用变压器、万用表测量电压。
6.2 方波发生电路的安装与调试
1.先将555定时器的底座焊接在电路板上；
2.分别把各电阻、电容、二极管放入适当位置；
3.按图接线，注意焊接时虚焊的问题；
4.接入电源后，用示波器观察方波。
6.3 方波-三角波转换电路的安装与调试
1.将741集成块插入电路板，注意布局；
2.分别把各电阻、电容放入适当的位置，尤其注意电位器的接法；
3.按图接线，注意直流电源的正负极接地端。
4.接入电源后，用示波器进行双踪观察；
5.调节滑动变阻器，使各值稳定；
6.观察示波器，各指标达到要求后进行下一步安装。
6.4 三角波-正弦波转换电路的安装与调试
1.分别把各电阻、电容放入适当的位置；
2.按图接线，注意直流电源的正负极接地端；
3.接入电源后，用示波器进行双踪观察；
6.5 总电路的安装与调试
1.把两部分的电路接好，进行整体测试、观察；
2.针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波Vpp<1V。
6.6 安装中出现的问题
1.焊接过程中虚焊；
2.器件烧坏；

七．电路的实验结果
7.1 电源电路的实验结果
用变压器和万用表分别测量两个电容的两端，一端测得+12.1V，另一端测得-11.8V。
7.2 实测方波

图7.1 实测方波图

7.3 实测三角波

图7.2 实测三角波图
7.4 实测正弦波

图7.3 实测正弦波图

7.5 实验中出现的问题
1.波形出不来
——测试过程中，器件短路烧坏，重新更换了器件；
2.波形失真
——调节电位器，虚焊的地方重新焊接；

八.总结
为期两个周的课程设计已经结束，在这两个周的学习、设计、焊接过程中我感触颇深。是我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。
其次，这次课程设计提高了我们的团队合作水平，是我们配合更加默契，体会了再接好电路后测试出波形的那种喜悦。
在实验过程中，我们遇到了不少问题。比如：波形失真，器件短路，甚至不出波形等问题。在老师和同学的帮助下，把问题一一解决，那种激动的心情是别人无法体会的。实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，老师们不厌其烦地为我们调整波形，讲解知识点，实在令我们感动。
还有值得我们自豪的一点就是我们的坚持不懈，在我们不懂或者做的不对的时候，我们总是会问同学问老师，直到把电路焊接完成，并能够调试出波形。
该课程具有很强的实践性和综合性，要综合运用所学知识，引导学生多动手操作，多联系实际是教好该课程的关键之一。建议学生安装软件Multisim 12和Altium Designer，可进行原理图设计及仿真实验。
“实践是检验真理的唯一标准”。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，两周的电子课程设计，收获了很多。

九.参考文献
1、数字电子技术基础（第5版），阎石编，高等教育出版社，2006
2、模拟电子技术基础（第五版），童诗白等，高等教育出版社，2006
3、电路（第5版），邱关源，高等教育出版社，2006；
4、电子技术课程设计指导，彭介华主编，高等教育出版社，2005年出版。
5、电子技术基础实验－电子电路实验、设计、仿真，高等教育出版社，陈大钦主编，2002年出版。

附录（仪器仪表清单）
器件名称
规格
封装
数量

二极管
1N4148
直插
4

整流桥
2W10
直插
1
D3
稳压芯片
LM7812
直插
1
U3
稳压芯片
LM7912
直插
1
U4
电解电容
50V/1000uF
直插
2
C9,C13
电解电容
50V/470uF
直插
2
C10,C15
瓷片电容
104
直插 瓷片
7
C11,C12,C14,C16，C3，C4，C6
瓷片电容
103
直插 瓷片
2
C7，C8
IC座
DIP8
DIP8
2

IC
NE555
DIP8
1
U1
运放
UA741
DIP8
1
U2
杜邦插针
2.54mm
直插
10
JP1
可调电位器
20k
直插
2
R17,R9
可调电位器
50k
直插
1
R8
1/4W电阻
1K
直插
1
R11
1/4W电阻
3K
直插
1
R10
1/4W电阻
8K
直插
2
R6,R12
1/4W电阻
10K
直插
1
R4
1/4W电阻
4.7K
直插
1
R7
接线端子
3P
7.62mm
1
JPA
PCB

1

17