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摘要：
波形发生器是电子技术领域中常见的信号源之一，在测量、自动控制、通信、广播和热处理等许多技术领域有着广泛的应用。
波形发生器有产生三种或多种波形的波形发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。
本次毕业设计所制作的波形发生器可以产生方波、三角波、正弦波、负向锯齿波和正向锯齿波。
在电路中，我们采用了集成运放，从而使波形的质量、幅值和频率的稳定性等性能指标有了很大的提高。
电路的振荡频率在0～14.7KHZ之间连续可调，并且通过改变电路中的电位器，可以改变方波信号发生器的频率。
关键字：
波形发生器直流稳压电源运算放大器
Abstract：
Theprofilegeneratorisintheelectronictechnologydomainoneofcommonsupplyoscillators,inthesurvey,theautomaticcontrol,thecorrespondence,thebroadcastandtheheattreatmentandsoonmanyareasoftechnologyhasthewidespreadapplication.Theprofilegeneratorhasproducesthreekindorthemanykindsofprofilesprofilegenerator,theusecomponentmayestablishseparatelythecomponent,alsomayusetheintegratedcircuit.Thisgraduationprojectmanufacturestheprofilegeneratormayhavethesquare-wave,thetrianglewave,thesinewave,thenegative-goingsawtoothwaveandtothesaw-toothwave.Intheelectriccircuit,weusedtheintegrationtotransportput,thuscausedtheprofilequality,peak-to-peakvalueandfrequencyperformanceindexandsoinstabilityhadtheverybigenhancement.Theelectriccircuitoscillationfrequencycontinuouslymaymovebetween0~14.7KHZ,andthroughchangesintheelectriccircuitthepotentiometer,maychangethesquare-wavesignalgeneratingdevicethefrequency.
KeyWords:
Profilegenerator、Directcurrentvoltage-stabilized、sourceOperationalamplifier
目录
前言4
1方案设计5
1.1设计要求5
1.1.1设计任务5
1.1.2技术要求5
1.2电路设计的思路5
2直流稳压电源6
2.1直流稳压电源简介6
2.2具体电路7
3波形发生电路9
3.1LM324低功耗四运算放大器简介9
3.2方波－三角波发生电路10
3.3正弦波发生器12
3.4负向锯齿波发生器13
3.5正向锯齿波发生器14
4PCB板的制作15
4.1建立设计15
4.2PCB板的制作16
4.3PCB板制作注意事项17
4.3.1原理图常见错误17
4.3.2PCB中常见错误17
4.3.3布线17
4.4PCB板图18
附录19
谢辞21
参考文献22
前言
近年来，自动控制技术的发展十分迅速，自动控制的普及率越来越高，在各行各业中得到了广泛的应用。
在自动控制系统中，经常需要进行性能的测试以及信息的传送。
这些都离不开一定的波形作为测试和传送的依据。
而在模拟系统中，经常用到的波形除了正弦波振荡电路外，还有矩形波，锯齿波和三角波等。
在本波形发生器中用到的电源是直流稳压电源电路。
采用了三端集成稳压器7812和7912，分别产生+12V和－12V的电压。
在波形发生电路中，使用了LM324的四个运算放大电路，能够产生方波、三角波、正弦波、负向锯齿波以及正向锯齿波。
本文共分为四个部分：
第一部分介绍设计的基本思路；第二部分主要介绍直流稳压电源部分的设计；第三部分具体说明了波形发生电路，包括：
方波－三角波发生器、正弦波发生器、负向锯齿波发生器、正向锯齿波发生器，第四部分介绍了本电路PCB板的绘制。
通过毕业设计，加深了我们对所学知识的了解，提高了我们的动手能力，理论与实际相结合。
1方案设计
1.1设计要求
1.1.1设计任务
设计一个常用波形发生器。
1.1.2技术要求
基本要求:
1、波形的频率可以调节。
2、3种以上波形（正弦波、矩形波、三角波等）。
3、采用中规模集成电路也可采用大规模集成电路。
1.2电路设计的思路
电路利用了LM324集成运算放大器中的四个运算放大器，两个运算放大器构成了方波-三角波发生器。
三角波通过二次积分电路处理，产生近似的正弦波。
一个运算放大器组成锯齿波发生器，产生负向锯齿波。
一个运算放大器组成反相比例运算放大器，将负向锯齿波倒相，输出正向的锯齿波。
2直流稳压电源
2.1直流稳压电源简介
各种电子电路和系统都需要稳定的直流电源供电，但电网提供的是50Hz的正弦交流电，这就需要把电网的交流电转换成稳定的直流电，直流稳压电源就是实现这种转换的电子设备。
单相小功率直流稳压电源是常用的小型电子设备，它的电路结构框图如图所示，主要包括电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路4个基本部分。
1、电源变压器：
其作用是将交流电源的电压变换为符合整流需要的数值。
2、整流电路：
利用具有单向导电性能的整流元件，将正弦波电压变为单向脉动电压。
该电压为非正弦周期电压，含有直流成分和各种频率的交流成分。
3、滤波电路：
利用电容、电感等电路元件的频率特性，将直流脉动电压中的谐波成分滤掉，使输出电压成为比较光滑的直流电压。
4、稳压电路：
将滤波输出的直流电压进行调节,以维持输出电压的基本稳定.由于滤波后输出直流电压受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，所以要设置稳压电路。
在我们的电路中，需要一个直流稳压电源，能够产生+12V和－12V的电压。
这里用到了三端集成稳压器。
首先，需要了解三端集成稳压器的具体知识。
三端固定输出集成稳压器是一种串联调整式稳压器。
它将全部电路集成在单块硅片上，整个集成稳压电路只有输入，输出和公共三个引出端，使用非常方便。
典型产品有78XX正电压输出系列和79XX负电压输出系列。
本次设计采用的是7812K和7912K。
78XX/79XX系列中的型号XX表示集成稳压器的输出电压的数值，以V为单位。
每类稳压器电路输出电压有5V、6V、7V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多档。
能满足大多数电子设备所需的电源电压。
输出电流一般分为三个等级100ｍA（78XX/79XX）、500ｍＡ（78XX/79XX）、1.5A（78XX/79XX）。
后缀英文字母表示输出电压容差与封装形式等。
内部电路由恒流源、基准电压源、取样电阻、比较放大、调整管、保护电路、温度补偿电路等组成。
输出电压值取决于内部取样电阻的数值，最大输出电压为40V。
三端固定输出电压集成稳压器，因内部有过热、过流保护电路，因此它的性能优良，可靠性高。
又因这种稳压器具有体积小、使用方便、价格低廉等优点，所以得到广泛应用。
2.2具体电路
直流稳压电源原理图如下:
图2.2直流稳压电源
在电路中,我们使用了7812和7912，分别产生+12V和－12V的固定电压，电源电路具体由以下几个部分组成：
1、电源变压器。
将220V的交流电压变为2*12V的交流电。
2、桥式整流电路。
四个二极管组成了桥式整流电路，将交流电变成了脉动的直流电。
3、电容滤波电路。
将脉动的直流电变成稳定的直流电。
4、稳压电路。
W7812、W7912构成了稳压电路，可以将比较平滑的直流电变成稳定的直流电。
为了得到更加稳定的电压，在三端集成稳压器的输出端再并联一个电容。
3波形发生电路
3.1LM324低功耗四运算放大器简介
在波形发生电路中，我们使用了LM324低功耗四运算放大器来实现各种波形的输出。
首先，需要了解一下LM324的相关知识。
LM324是由四个独立的高增益，内部频率补偿运放组成，不但能在双电源下工作，也可在宽电压范围的单电源下工作，它具有输出电压振幅大、电源功耗小等特点。
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。
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。
每一组运算放大器可用图2.1.1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。
LM324的引脚排列见图2.1.2。
具体参数见表2-1。
3.1.1运算放大器符号3.1.2LM324外引线排列图
表3-1LM324集成运算放大器
参数名称
符号/单位
典型值
输入失调电压
UI0/mV
2
输入失调电流
II0/nA
5
输入偏置电流
IIB/nA
45
单电源电压范围
us/V
3-30
双电源电压范围
us/V
1.5-15
静态电流（单电源）
Ia/μA
500
差模电压增益
Aud/（V/V）
105
3.2方波－三角波发生电路
图3.2.1方波-三角波发生电路
运放IC1b为同相输入的迟滞型比较电路，带有正反馈，在UO1端输出方波。
方波的输出幅度应等于电源电压。
通过R2引入正反馈，其作用是加速输出电压的跳变过程，并使传输特性具有滞缓。
两个稳压管起限幅作用，使输出电压的正、负最大值为±Uz。
电阻R4的作用是限制稳压管的电流和保护集成运放不至于过流。
迟滞型比较电路与简单比较电路相比，有较强的抗干扰能力，不易产生误跳变，工作精度比较差。
运放IC1c为积分电路。
比较电路的输出uO1，经电位器P1分压后作为积分电路的输入信号，而积分电路输出信号uO2又反馈回去，作为比较电路的输入信号，它们共同构成闭合回路。
假定接通电源时，比较电路的输出uO1=+Uz。
经P1分压后，IC1c反相端的输入电压使电容C2充电，uO2线性下降，从而使IC1b的同相端电位下降。
ub+=Uz*R1/（R1+R2）+uO2R2/（R1+R2）
u02的下降必然使ub+下降，当u02下降到一定的负值，使A1的略小于ub-（=0）时，使u01从+Uz跳变到-Uz，ub+则随之变为Ub+′，即
ub+′=-Uz*R1/（R1+R2）+uO2*R2/（R1+R2）
与此同时,u01=-Uz经RP分压后使电容器C放电，u02按线性规律逐渐上升，
ub+′也同时上升。
当ub+′上升到略大于ub-（=0）时，U01再次发生跳变，从-Uz变为+Uz。
如此周而复始，就产生了振荡。
图中下半部分为三角波发生器电路的波形。
u02（t1）=-R1/R2*Uz
u02（t2）=+R1/R2*Uz
u02（t3）=-R1/R2*Uz
在t>t3，输出波形重复t1～t3时间段的情况。
如此周而复始，在比较电路的输出端得到方波（uO1），而在积分电路的输出端得到三角波（uO2）。
方波和三角波的周期相等。
设P1的上半部分电阻为RP1′，n=RP1′/RP1
当t=T/4时，
u02（T/4）=R1/R2*Uz=nUzT/R6C2*4,
由积分电路的工作可知,当t=T/4时,有
UO2′（T/4）=R1*Uz/R2=nUzT/（4*R4C）,
从而求出
T=4R6C/n*（R1/R2）,
式中,T=T1+T2,且T1=T2,所以
T1=2*R4C/n*（R1/R2）
图3.2.2方波－三角波发生电路的工作波形
3.3正弦波发生器
在电路中用到了积分电路。
输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。
积分电路的原理：
从图3.3.1中得，Uo=Uc=（1/C）∫icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时，Uc=Uo.随后C充电，由于RC≥Tk,充电很慢，所以认为Ui=UR=R*ic,即ic=Ui/R,故
Uo=（1/c）∫icdt=（1/RC）∫icdt
这就是输出Uo正比于输入Ui的积分（∫icdt）
RC电路的积分条件：
RC≥Tk
图3.3.1积分电路
图3.3.2正弦波发生器
在电路中,IC1c积分输出的三角波经过由R8、R9及C3、C4组成的二次积分电路处理，最后从UO3端输出近似的正弦波。
3.4负向锯齿波发生器
图3.4.1负向锯齿波发生电路
UO1输出的方波输入到三极管T1的基极。
当方波发生器输出为高电平时，三极管T1、二极管D3均截止，IC1d构成了积分电路，12v电压通过R10向电容C5充电，电容电压线性上升，IC1d输出电压为-uC5，所以输出电压表现为线性下降。
当方波发生器输出为低电平时，三极管T1、二极管D3均导通，IC1d组成了比例运算放大器，IC1d输出电压立即跳为高电平。
所以，在UO4端输出负向锯齿波。
3.5正向锯齿波发生器
图3.5.1正向锯齿波发生器
IC1a和R15、R16、R17组成了反相比例运算放大器。
在电路中，IC1a的同相输入端通过电阻R16接地，负向锯齿波信号在A端通过R15送到反相输入端，输出端与反相输入端间跨接反馈电阻R17。
根据集成运算电路的“虚断”和“虚短”可得
uO5=-（R17/R15）*uO4=-uO4
由UO5输出正向的锯齿波信号。
图中R16为平衡电阻，R16=R16//R15，其作用是消除静态电流对输出电压的影响。
4PCB板的制作
4.1建立设计
建立一个设计,单击File/New命令,系统出现NewDesignDatabase的文件路径设置对话框,单击DesingStorageType内的下拉列表框按钮,将出现MSACCESSDATABASE和WindowsFilesystem两个选项,选择前一个选项.在DatabaseFileName文本框中输入数据库名称.DatabaseLocation框为数据库的路径,它不能直接输入路径名.如果需要更改其默认的路径,单击Browse按钮即可设置路径.
打开数据库,开设设计电路图,电路图的设计步骤为:
开始→设置图纸的大小→放置元器件→进行原理图布线→调整布线→存盘打印图纸
图纸的设置:
设置图纸的方向可以单击SheetOptions区域内的Orientation右侧的下拉式按钮,出现下拉式选择按钮,有两个选择项,即Landscape选择项和portrait选择项.Landscape表示图纸水平放置,portrait表示图纸垂直放置.
图纸颜色的设置包括对图纸边框（Borde）和图纸底色（Sheet）的设置.Borde选择项默认为黑色.单击Borde右边的颜色框,系统将弹出一个要求选择边框颜色的对话框,即可设置.
图纸标题栏的设置选择TitleBlock项后,单击TitleBlock右边的下拉式按钮,将出现一个下拉式列表即可选择Standard选择项或ANSI选择项.
边框的设置主要涉及ShowReferenceZone和ShowBorde两个选项.
原理图设计:
打开前面建立的设计数据库Mydesign.ddb,打开Documents文件夹,然后执行菜单命令File/New,在弹出的对话框中单击SchematicDocument（原理图文档）,单击OK.
打开原理图文档,熟悉原理图的界面,详细了解各种功能按钮的作用,然后开始正式画各种元器件
放置元器件:
1.先单击Browse选项区域下Add/Remove按钮,增加所要使用的元件库.
2.单击电路绘图工具栏PlacePart（放置元件）按钮,或执行菜单命令Place/Part或按下Alt+P+P键,即进入放置元件状态.
3.系统弹出PlacePart属性对话框,就可以LibRef文本框中输入确切的元件名（不能包含通配符,如星号”*”和问号”?
”）.
4.如果元件的属性参数都不知道,可单击Browse按钮,系统将弹出BrowseLibrarise对话框,选择相关的库.
5.设置好元件属性后,此时的光标也从箭头变成了十字光标,并附带有浮动元件,按下空格键使浮动元件以光标为90°旋转.
6.移动鼠标到适当的位置,单击鼠标左键或按Enter键,确定元件放置位置.
元件属性的设置:
当元件处于浮动状态时,按下Tab键将弹出Part属性对话框,元件属性对话框包含4个选项卡,可单击选项卡上的标签切换到相应的选项卡.
熟悉了Protel99se的界面操作之后,我们在软件上画出如上图的原理图.在画完了原理图之后,然后进行ERC检查,生成网络表及报表的生成和原理图的打印.
4.2PCB板的制作
PCB板的制作流程:
开始→规划电路板→设置参数→装入网络表及元件封装→元件布局→布线→手动调整→保存及打印→结束.
规划电路板:
设计印刷电路板,第一步是合理地规划电路板,即根据自己的制作要求确定采用单面板还是双面板.如果电路太复杂,则需要使用多面板,然后确定电路板的尺寸,元件的封装形式和放置位置等.
设置参数:
设置参数是指设置工作层面参数,PCB编辑器的工作参数,布线参数等.
装入网络表及元件封装形式:
网络表由电路原理图生成,包含了原理图中元件之间的连线关系和元件封装形式的说明,是创建PCB文件所必须的信息.
元件的布局:
元件的布局包括自动布局和手工调整两种.自动布局是指在规划完电路板和装入网络表后,启用PCB编辑器的自动布局功能,其程序是根据网络表中的信息自动地将元件排布在电路板上.自动布局完后,应对不符合要求或不尽如人意之处进行手工调整,以便于以后好进行布线工作.
布线:
设置适当的布线参数后,程序就能根据网络表的信息和设置的参数要求自动布线.
4.3PCB板制作注意事项
4.3.1原理图常见错误
ERC报告管脚没有接入信号：
a.封装时给管脚定义了I/O属性;b.创建元件或放置元件时修改了不一致的grid属性，管脚与线没有连上;c.创建元件时pin方向反向，必须非pinname端连线。
图纸界外：
没有在元件库图表纸中心创建元件。
程文件网络表只能部分调入pcb：
生成netlist时没有选择为global。
己创建的多部分组成的元件时，千万不要使用annotate.
4.3.2PCB中常见错误
网络载入时报告NODE没有找到：
a.图中的元件使用了pcb库中没有的封装;b.图中的元件使用了pcb库中名称不一致的封装;c.图中的元件使用了pcb库中pinnumber不一致的封装（如三极管：
sch中pinnumber为e,b,c,而pcb中为1，2，3）.
4.3.3布线
在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。
PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。
布线的方式也有两种：
自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。
必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。
在布线前要注意以下几点：
在电路板的禁止布线层上设置封闭的电气边界。
在禁止布线层上放置了元件或其他对象的部分，在其他层面中不能布线。
在信号层中不能对没有网络名称的对象进行布线。
布线时不考虑机械层上的对象。
在布完线后还要进行手动调整，虽然软件布线效果不错，但为了板子空间应用的合理性，还要对其进行调整，来使设计出来的PCB板更好。
4.4PCB板图
利用PROTEL绘制出电路的PCB板,如下图所示:
附录
1、电路原理图
2．元件清单
元件名称
型号
元件名称
型号
C1
0.33μ
R7
50K
C2
0.33μ
R8
10K
C3
1μ
R9
10K
C4
1μ
R10
10K
C5
75P
R11
1K
C6
6800P
R12
2.7K
C7
100μ
R13
1K
C8
100μ
R14
10K
C9
47n
R15
20K
D1
2DW7
R16
10K
D2
2DW7
R17
20K
IC1
LM234
T1
220V
P1
10K
U1
MC7812K
Q1
9014
U2
MC7912K
R1
10K
VD1
IN4007
R2
20K
VD2
IN4007
R3
6.8K
VD3
IN4007
R4
3.9K
VD4
IN4007
R5
1.5K
谢辞
在这两三个月的时间里，虽说大家已在外面实习了，工作都很忙，但是大家为了做好毕业设计，仍然抽出时间，大家聚在一起，讨论问题，分配任务，讨论自己的工作重点，如何将自己的工作做好。
在大家的共同合作下我们终于完成了。
虽然仍不是很好但这都是大家辛勤的结果。
我们大家通过自己的方式查找有关波形发生器方面的资料，上网查找资料等，利用三年来学到的知识一起做这个毕业设计，大家取长补短，大体上完成了毕业设计的初稿，给带课老师看了以后，将不好的地方进行修改，尽量将自己的设计做的完美一点。
通过这次做毕业设计，我发现团队的力量是巨大的，大家分工合作，互相找资料，最后将毕业设计做好这一过程，体现了大家的凝聚力。
毕业设计是大学三年中最后的工序，是毕业前必不可少的工作，所以大家都谨慎对待。
通过这次毕业设计，我希望能在今后的工作中更加完善自己，努力工作。
感谢我们的小组成员，他们为这个课题的设计群策群力，付出了汗水。
通过这三周的学习，我感觉有很大的收获：
首先，通过学习使自己对课本上的知识可以应用于实际，使的理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时实习也锻炼了我个人的动手能力：
能够充分利用图书馆去查阅资料，增加了许多课本以外的知识。
能对protel99，能达到学以致用。
对我们学生来说，理论与实际同样重要，这是我们以后在工作中说明自己能力的一个重要标准。
再次感谢所有帮助我的老师和同学。
参考文献
[1]杨建平、林春方主编,《模拟电子技术》，2002年6月第一版,北京市西城区德外大街4号,高等教育出版社。
[2]沈任元，吴勇主编，《数字电子技术》，2000年
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