函数信号发生器设计三角波方波正弦波发生器.docx
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函数信号发生器设计三角波方波正弦波发生器
基于AT89C51的函数信号发生器设计
设计团队：
郭栋、陈磊、集炜、査荣杰
*******
2011-11-13
函数信号发生器
1、概述
信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。
各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。
能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。
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。
例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。
在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。
2、技术性能指标
2.1、设计内容及技术要求：
设计并制作一个信号发生器，具体要求如下：
1、能够输出正弦波、方波、三角波；
2、输出信号频率范围为10Hz——10KHz；
3、输出信号幅值：
正弦波3V，矩形波10V，锯齿波4V；
4、输出矩形波占空比50%-95%可调，矩形波斜率可调。
5、信号发生器用220V/50Hz的工频交流电供电；
6、电源：
220V/50Hz的工频交流电供电。
按照以上技术完成要求设计出电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim进行必要的仿真，用PCB软件进行制板、焊接，然后对制作的电路完成调试，撰写设计报告测，通过答辩
3、方案的选择
根据实验任务的要求，对信号产生部分可采用多种方案：
如模拟电路实现方案，数字电路实现方案，模数结合实现方案等。
鉴于波形信号的产生和模拟联系紧密，我们用模拟电路实现方案。
模拟电路的实现方案就是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。
就此方案，也有几种电路方式。
3.1、方案一
图1方波和正弦波产生电路
用方波和三角波产生电路输出方波和三角波[1]，再通过三角波—正弦波转换器产生正弦波
。
方波和三角波发生器的工作原理：
A1构成迟滞比较器
同相端电位Vp由VO1和VO2决定。
利用叠加定理可得：
⑴
当Vp＞0时，A1输出为正，即VO1=+Vz；当Vp＜0时，A1输出为负即VO1=-Vz。
A2构成反相积分器
VO1为负时，VO2向正向变化，VO1为正时，VO2向负向变化。
假设电源接通时VO1=-Vz，线性增加。
当：
时，可得：
⑵
当VO2上升到使Vp略高于0V时，A1的输出翻转到VO1=+Vz。
同样：
时
当VO2下降到使Vp略低于0时，VO1=-Vz。
这样不断的重复，就可以得到方波VO1和三角波VO2。
其输出波形如图2-6所示。
输出方波的幅值由稳压管DZ决定，被限制在稳压值±Vz之间。
电路的振荡频率：
⑶
方波幅值：
=±⑷
三角波幅值：
=⑸
调节可改变振荡频率，
但三角波的幅值也随之而变化。
图2方波和正弦波波形图
3.2、方案二
图3信号发生器方框图
用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用电压比较器产生方波，再经积分电路产生三角波，电路框图如图二。
此电路结构简单，且有良好的正弦波和方波信号。
但经过积分器电路产生同步的三角波信号，存在难度。
原因是积分器电路的积分时间常数不变的，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。
若要保持三角波的输出幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。
而且方波占空比[2]和锯齿波幅度改变会同时引起其它波形的变化。
3.3、方案三
在方案二的基础上，我们添加方波产生电路作为锯齿波产生的信号源，解决了课程设计中提出的对锯齿波和矩形波调节而互不影响的要求
4、单元电路设计
4.1、正弦波产生电路
采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于产生1Hz~1MHz的低频信号。
因为对于RC振荡电路来说，增大电阻R即可降低振荡频率，而增大电阻是无需增加成本的。
常用LC振荡电路[3]产生的正弦波频率较高，若要产生频率较低的正弦振荡，势必要求振荡回路要有较大的电感和电容，这样不但元件体积大、笨重、安装不便，而且制造困难、成本高。
因此，200kHz以下的正弦振荡电路，一般采用振荡频率较低的RC振荡电路。
常用的RC振荡电路有相移式和桥式两种。
（1）RC移相式振荡器，具有电路简单，经济方便等优点，但选频作用较差，振幅不够稳定，频率调节不便，因此一般用于频率固定、稳定性要求不高的场合。
其振荡频率是
f0=1/（2πRC）⑹
（2）RC桥式振荡器将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC振荡电路，放大器件可采用集成运算放大器。
我们在方案选择中，正弦波电路是最重要的部分，正弦波不仅是所需输出信号，而且是方波电路的输入信号。
此部分电路我们采用的是典型的RC桥氏正弦波振荡电路如下图，其中R1、R2、R5及二极管D1、D2构成负反馈网络和稳幅环节。
调节Rw可改变负反馈的反馈系数，从而调整放大电路的电压增益，是满足振荡的复制条件。
二极管D1、D2为自动振幅元件，其作用是：
当u0幅值很小时。
二极管D1、D2相当于开路，此时有D1、D2和R组成的并联支路等效电阻较大，设R2、和R5、D1、D2并联支路的总等效电阻为Rf，则Rf也较大，所以Auf=（1+Rf/R1）>3,有利于起振;反之当u0幅值较大时，D1、D2导通，并联支路的等效电阻下降，Rf也下降，所以Auf随之下降，如果此时Auf≈3，则u0幅值趋于稳定。
另外，采用两只二极管反向并联，目的是使输出电压在正负两个半周期内轮流工作，使正半周和负半周振幅相等，这两只管子特性应相同。
而RC串并联电路构成选频网络，同时兼作反馈环节，连接于集成运放的输出端和同向输入端之间构成正反馈，以产生正弦自激振荡。
根据振荡器的频率，计算RC乘积的值，有
RC=1/（2*3.14*f0）⑺
已知给出f0=10Hz~10KHz，则RC=1.59*10∧-5~1.59*10∧-2，为了
使选频网络的特性不受运算放大器输入电阻和输出电阻的
影响，按Ri>>R>>R0的关系选择R的值，为了计算方便，初
选R=15.9kΩ，则C=1uF~0.001uF，我们采用双层波段开关两
组两支容值100倍的电容，则C1=1uF，C2=0.01uF。
而R则
取为50kΩ的可调电阻。
因此，鉴于设计要求频率10Hz——10KHz跨度较大，
我们采用双层波段开关两组两支电容和两支同轴电位器来调节。
选用不同的电容作为振荡频率f0的粗调，用同轴电位器实现f0的微调。
每一值电容和电位器组合都可以调节一段范围，交叉，故实现频率为连续可调。
为了实现仿真，根据运算放大器的技术参数，并且结合经济性，运算放大器为LM324N。
正弦波产生电路如图三。
图4正弦波产生电路
4.2、方波产生电路
方波产生电路较简单，主要由比较器LM339N[4]的反相输入端接电压构成电压比较器。
在实用电路中为了满足负载需要，常在集成运算的输出端加稳压管限幅电路。
限幅电路的作用是把输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。
在此电路中，我们将限幅电路跨接在输出端和反相输入端之间。
图5矩形波产生电路
4.3、矩形波产生锯齿波电路
输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。
积分电路可将矩形脉冲波转换为三角波。
电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理。
图6锯齿波产生电路
5、总电路图
图7函数信号发生器总电路图
6、Multisim10.1波形仿真结果
6.1正弦波仿真结果
图8正弦波仿真图
6.2矩形波仿真结果
图9矩形波仿真图
6.3三角波仿真结果
图11三角波产生图
7、PCB版制作与调试
1、PCB设计。
PCB板的制作是运用ProtelDXP软件来绘制，利用DXP制板的基本流程：
准备原理图，设置PCB设计环境，载入网络表，并纠正网络表的宏错误，布线规则设置，布线，PCB的优化，DTC检查，保存文件与输出。
准备原理图：
根椐所画的电路图，在元件库中查找到所要求的元件符号，在DXP中绘制出原理图，在选择元件的时候特别要注意元件的封装是否符合所需的封装要求。
布线设置主要设置线宽为40mil、孔大小为0.8mil，采用低层布线，其他为默认设置。
布线采用单面板布线。
布线原则：
逻辑清晰、接线牢固、测试方便、美观大方。
PCB的优化主要设置焊盘的大小与某些线的宽度及布线的路径。
焊盘一般采用方框为78.74mil×39.37mil。
DTC检查的主要任务是对先前的设计规则进行检查,查看是否有违反规则的地方,如实际线宽是否比规则设置中的最大值还大或小,是否还存在没有彻底布通的网络等。
保存文件与输出是保存设计中的各种文件，并打印输出，包括PCB文档、元件清单等。
设计工作结束。
打印时可以把孔打印成实心，可以自己控制孔的大小方便打孔。
2、热转印，通过打印机PCB图打印到热转印上，然后选择大小合适的铜板，将铜板表面打磨干净之后，用带有PCB图的那一面同铜板贴紧，经过热转印机，温度约120度，转印三次，即把热转印纸上的PCB图转印到铜板上。
3、腐蚀，腐蚀这一过程是电路板成功的关键，将腐蚀液倒入腐蚀机加热至75度后，将已经热转印的铜板放入腐蚀机进行腐蚀，腐蚀时间约一分钟即可。
拿出洗净后如果没有发现断线、短路等情况即可。
4、焊接元件，根据原理图，在PCB板上焊接元件。
焊接时要特别注意不要出现虚焊、短路等，元件的正负极反接、错接。
8、元件清单
表一元件清单
元器件
型号
数量
芯片
Lm339n
1
芯片
Lm324d
1
二极管
In4001
2
瓷片电容
1uf
2
电解电容
220uf
2
电解电容
4.7mf
2
瓷片电容
104
2
瓷片电容
102
2
稳压管
7812
1
稳压管
7912
二极管
IN4001
6
园桥
1b4b42
1
电源变压器
17.5v
1
电阻
1k
2
电阻
1.5K
1
电阻
2k
4
电阻
10k
1
电阻
15
2
电阻
20K
1
电位器
2k
2
电位器
20k
3
双刀双掷开关
1
结论
此电路能够同时产生较好的正弦波和矩形波和锯齿波，而正弦波可调占空比，锯齿波可调斜率而不影响其它波形。
在选择方案时，也有更简单的方案，但是考虑到仿真结果和实际器件时剔除了，最后器件的选择是根据最简原则和从经济性方面考虑的，并且此电路实现了这次设计的最终目的。
但是如果用于实际，部分器件应该根据实际情况加以改变。
总结与体会
此次课程设计设需要有最终方案的选择，自己通过比较，仿真软件的仿真最终选择了最优的方案，经过小组成员的努力，不断地查阅资料，终于做出了满意的方案，这很好的锻炼了我们的自学能力。
并且在PCB制板和仿真过程中，也遇到了各种各样的问题，但是经过仔细的分析电路，同时与同学讨论，经过各种调试，得出了最终仿真结果。
使自己的理论知识和动手能力都有了很大的提高。
参考文献
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高等教育出版社.2006.1.
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高等教育出版社.2006.1.
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高等教育出版社[M].2006.
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机械工业出版社，2003.4
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电子工业出版社，2010.11
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电子工业出版社，2010.11
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