简易函数信号发生器的设计Word格式.docx

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积分电路；

滤波电路

一、课程设计的任务及要求

设计任务

利用集成运算放大器LM324设计一个简易函数信号发生器，要求能产生正弦波、方波和三角波三种波形。

设计要求

采用双电源供电形式：

电源、；

要求在2kΩ负载条件下，输出信号满足：

正弦波：

；

方波：

三角波：

频率范围：

范围内连续可调；

波形无明显失真。

注意事项

（1）集成运放采用LM324（1片），双电源可利用实验室提供的直流稳压电源，其余器件根据自己设计参数选择；

（2）布PCB版要注意留有测量数据或观察波形的测试口；

（3）设计报告要根据自己实际设计情况撰写；

（4）允许同学相互探讨，但杜绝抄袭。

（5）课程设计报告提交文件命名方式“学号+姓名.doc”

二、方案选择

方案1

采用ICL8038集成函数信号发生器芯片外加电阻、电容元件，构成波形发生电路。

ICL8038集成函数信号发生器芯片是一种多用途的波形发生器芯片，它可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波。

它的振荡频率可以通过外加的直流电压进行调节，是一种压控集成函数信号发生器。

虽然ICL8038集成函数信号发生器的功能强大，但是它的价格昂贵，而且市面上也较难买到。

如果用ICL8038芯片来制作简易波形发生器系统，则会大大增加系统的制作成本。

方案2

采用LM324集成运放芯片，外加电阻、电容等元器件调整、滤波，构成简易波形发生器。

LM324是一种集成运算放大器芯片，它的内部有四个独立的运算放大器。

根据所学的知识，运算放大器可以构成滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器电路，可以分别产生方波、三角波和正弦波。

依靠这些电路的组合，就可以制作成简易波形发生器电路。

该电路具有效率高、体积小、重量轻，输出稳定等特点。

而且LM324集成运放芯片价格低廉，又很容易买到，可以降低电路的制作成本。

基于这种考虑，方案2被选用。

三、设计原理

原理框图及原理图

原理框图

总原理图

各单元电路

产生方波的原理图

方波发生电路原理图

滞回比较器的电压传输特性方波发生电路的波形图

（1）工作原理

滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，也具有一定的抗干扰能力。

由滞回比较器输出只有二种可能UOH或UOL，及对RC电路进行充电或放电。

电容上电压的升高或降低，又作为比较器控制UO状态翻转的信号，UO的跳变又进而控制了电容上的电压是充电或放电，如上了循环，可在比较器的输出端得到方波或矩形波。

同相输入端输入的滞回比较器电路如图2.1所示,电路中引入了正反馈。

从集成运放输出端的限幅电路可以看出,集成运放同相输入端电位UN=UI,反相输入端电位。

根据“虚短”UN=UP,求出的UP就是阈值电压,因此得出

当UI<

-UT,UN<

UP,因而,所以UP=+UT。

UI=+UT,UO=-UZ。

当UI>

+UT,UN>

UP,因而,所以UP=-UT。

可见,UO从+UZ跃变为-UZ和UO从-UZ跃变为+UZ的阈值电压是不同的,电压传输特性如图所示。

（式2.1）

令UI=UN=UP,求出的UI就是阈值电压,因此得出

（式2.2）

（式2.3）

由于充放电时间常数相同，用电路三要求法可得t3-t2=t2-t1=1/2T（式2.4）

（式2.5）

（2）参数选择方法

电路的第一级是一个滞回比较器，用于输出方波。

它输出电压的幅度由稳压管ZD1、ZD2共同决定。

设计中，ZD1、ZD2均选用5.1V的稳压二极管，则它们的稳压幅度UZ为：

+UZ＝4.3＋0.7＝5（V）

其中，0.7V为二极管ZD1正向导通时的管压降。

-UZ＝-（4.3＋0.7）＝-5（V）

其中，0.7V为二极管ZD2正向导通时的管压降。

所以，

UO1＝±

UZ＝±

5（V）

（3）实验仿真情况

最低频率

最高频率

产生三角波的原理图

三角波发生电路原理图

三角波发生电路的波形图

（4）工作原理

电路的第二级是一个积分器，用于输出三角波。

当电路的第一级输出的方波信号UO1送入该级电路后，由该级电路对信号进行积分变换以后，产生三角波信号UO2。

UO2分成两路，一路输入第三级电路，另一路反馈回滞回比较器，作为滞回比较器的VREF。

第二级电路的输出电压幅度为：

+UO2＝R1/R2UZ＝+UZ＝2.5（V）

-UO2＝-（R1/R2UZ）＝-UZ＝-2.5（V）

电路的频率调节由改变滑动变阻器Rw1的阻值来实现，振荡周期可由以下的公式求得：

T＝4R1Rw1C1/R2

理论上，可以计算得出的频率调节范围为：

最高频率：

T＝4×

10×

103×

0.1×

10－6/（20×

103）

T＝0.0002（ms）

f＝1/T＝1/0.0002＝5000（HZ）

最低频率：

50×

103）＝9.09（ms）

f＝1/T＝100（HZ）

所以电路理论上频率可调节的范围为100～5000（HZ）,满足设计要求的200～3K（HZ）的要求。

（5）实验仿真情况

产生正弦波的原理图

（6）工作原理

三角波变正弦波采用滤波电路，经典滤波的概念，是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念。

根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成的。

换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分，只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。

其原理就是利用电路的频率特性实现对信号中频率成分的选择。

而该电路的频率较低，所以采用二阶低通滤波。

第三级电路的输出电压幅值为：

UO3＝（-1/sRw2C3）·

UO2

第三级电路的上限截止频率可调，调节RW2可以改变电路的上限截止频率，上限截止频率为：

f＝1/2π√C2C3RW2Rf

同时，当调节RW1改变电路频率时，会使正弦波发生失真，此时可调节RW2的阻值，使正弦波不失真。

（7）实验仿真情况

四、PCB布版

考虑到第一次做电路板导线和间距都适当取大。

PCB版图

五、实物安装调试

测试波形

方波

三角波

正弦波

测试数据

信号

频率（测量值）

峰-峰值（测量值）

最大

最小

3.39KHz

88.5Hz

11.8V

3.35KHz

95.78Hz

6.08V

8.3V

1.73KHz

97.28Hz

4.2V

19.6V

实验结果分析

经测试，电路的设计与设计要求存在着差异，且电路的第三级的误差较大（其中正弦波的幅值误差与设计要求差异大）。

误差可能的原因有：

1、由元器件的误差而引起的差异；

2、外界的干扰引起的；

3、可能是由于焊接工艺的问题。

为了减少误差，可以在电路的设计时选用精度更高的器件，并对电路做电磁屏蔽处理，以进一步改善电路的性能，减小电路的误差。

六、设计总结

我认为，在这学期的实践中，在收获知识的同时，还收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。

更重要的是，在实践过程中，我们学会了很多学习的方法。

而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。

要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。

在这期间，经过仿真、画SCH、画PCB复习了很多知识的同时也学习到了更多的知识。

到实践中心做板也增加了自己的动手能力。

可能比较幸运，做板一气呵成。

最重要的是我们没有放弃，它是我们的骄傲！

相信以后我们会以更加积极地态度对待我们的学习、对待我们的生活。

我们的激情永远不会结束，我们会更加努力，努力的去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了自己的长短之后，我们会更加珍惜拥有的，更加努力的去完善它，增进它。

七、元器件清单

元件名称

标称值

数量

LM324N

1

电位器

5KΩ

电阻

12KΩ

稳压管

4.3V

2

100Ω

20KΩ

瓷片电容

0.1uF

3

200Ω

敷铜板

6×

10（cm）

50KΩ

10KΩ