波形放大器课程设计文档格式.docx
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3.2方波产生电路………………………………………………………………9
3.2.1过零比较器………………………………………………………………10
3.3三角波产生电路……………………………………………………………10
3.3.1积分器电路………………………………………………………………11
3.4总电路图……………………………………………………………………11
四、电路仿真调试……………………………………………………………………12
4.1使用Multisim软件仿真……………………………………………………12
4.1.1输出正弦波电路的仿真…………………………………………………12
4.1.2正弦波—方波电路的仿真………………………………………………13
4.1.3方波—三角波电路的仿真………………………………………………14
五、电子线路设计制作及参数计算………………………………………………15
5.1使用AltiumDesigner软件画出电路……………………………………15
5.2使用AltiumDesigner软件设计PCB板…………………………………16
5.3电路板的焊接与调试………………………………………………………16
5.3.1电路板正面与反面……………………………………………………16
5.3.2正弦波波形产生电路的实验结果……………………………………17
5.3.3方波波形产生电路的实验结果.…………………………………….17
5.3.4方波---三角波转换电路的实验结果…………………………………18
六、实验分析与设计总结……………………………………………………….18
6.1实验分析………………………………………………………………….18
6.2设计总结………………………………………………………………….19
七、元件汇总…………………………………………………………………….20
八、参考文献…………………………………………………………………….20
前言
随着科技和生产的发展，以模拟电子技术为基础的测控电路发展迅猛，广泛运用于各种检测控制系统。
为培养学生的动手能力，更好地将测控电路理论与实践结合起来，以适应电子技术飞速的发展形势，我们必须通过对本次课程设计的设计和理解，从而进一步提高我们的实际动手能力。
波形信号发生器亦称函数信号发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路设计实验应用中不可缺少的仪器设备之一。
目前市场上出现的波形发生器多为纯硬件搭接而成，且波形有限，多为锯齿波、方波、正弦波、三角波等。
信号发生器作为一种常见的电子设备仪器，传统的仪器完全可以由硬件电路搭接而成。
如采用555振荡器产生的正弦波、方波、三角波的电路是可取的路径之一，不用依靠单片机。
但是这种电路存在波形质量差，控制难度大，调节范围小，电路复杂和体积大等缺点。
在科学研究及生产实践过程中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。
而有硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号用到的RC很大；
大电阻，大电容制作上由困难，参数的精度难以保证；
体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点，一旦需求的功能增加，则电路的复杂程度会大大增加。
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一、课程设计的目的和意义
课程设计是在校大学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带，是在完成专业基础课程学习的基础上，让学生熟悉怎样运用电子技术来解决测量与控制中的实际问题，掌握工业生产和科学研究中测量电路的设计和各个功能模块的相互联系及总体连接，学生经过实践要求初步具备测量电路设计、焊接组装和调试的能力。
《测控电路》课程设计是测控电路课程体系的一个重要环节，是按照《控电路设计与实践》教学大纲要求所进行的重要实践教学内容，是引导学生把基础理论与实际应用相结合的一个必不可少的中间环节。
通过本次“波形发生器”的课程设计，巩固和加深对电子电路基本知识的理解，了解集成运算放大器在振荡电路方面的运用；
通过对运算放大器构成的比较器、方波-三角波发生器电路的实验研究，熟悉集成运算放大器非线性应用及基本电路的调试方法。
进一步巩固所学的理论知识，提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力；
提高电路布局﹑布线及检查和排除故障的能力；
培养书写综合实验报告的能力。
以及学会查寻资料、方案设计、方案比较，以及单元电路设计计算等环节，进一步提高学生综合运用所学知识的能力，提高分析解决实际问题的能力。
锻炼分析、解决电子电路问题的实际本领，通过此综合训练,为以后毕业设计打下一定的基础。
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二、课程设计的任务
1、课程设计的内容
1、设计内容
（1）正弦波产生电路中文氏电桥振荡工作原理分析；
（2）分析正弦波产生电路中改变振荡频率的方法；
（3）计算过零比较器和积分器电路中各元件的参数；
2、电路仿真
根据电路工作原理，选用相应软件实现电路的仿真，并画出电路各点
的信号波形，观察信号波形变化和频率变化。
3、使用Protel绘制电路原理图，布局PCB板，使用热转印或者曝光方法
制作电路板，根据系统原理图及所选择的元件及参数，购买相应元器件，完
成电路焊接、调试。
2、课程设计的要求与数据
1、完成波形发生器电路的分析与制作；
2、讨论与分析，制作与调试，演示与答辩，提交设计报告。
3、课程设计应完成的工作
1、电路原理图设计；
2、电路工作原理分析；
3、电路参数计算与分析；
4、电路原理仿真；
5、电路制作、调试；
6、撰写设计报告；
7、实物演示与答辩。
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4、课程设计进程安排
序号
设计设计各阶段内容
地点
起止日期
布置设计安排；
讲授设计内容；
说明设计要求
待定
12．09．03
上午
方案设计、分析与比较
实验楼1-412
下午
3
确定方案和电路参数，理论计算、分析与仿真
12．09．04
4
绘制电路原理图；
电路制作、调试；
12．09．05
5
撰写设计报告；
12．09．06
6
实物演示、答辩、成绩评定
实验楼1-412
12．09．07
5、应收集的资料及主要参考文献
1.张国雄等编。
测控电路，机械工业出版社，2001.8.
2.赵负图主编，现代传感器集成电路，人民邮电出版社，2000.1.
3.刘征宇主编，线性放大器应用手册，福建科学技术出版社，2005.1.
4.蔡锦福等编，运算放大器原理与应用，科学出版社，2005.7.
5.自编，测控电路设计型实验任务书.
6、设计任务及其指标
任务：
用分立元件和集成运算放大器设计并制作能产生正弦波、方波和三角的
波形发生器，并具有一定的带负载能力。
指标：
输出频率分别为：
100HZ和10000HZ；
输出电压峰峰值VPP≥10V
发出任务书日期：
2012年09月03日指导教师签名：
计划完成日期：
2012年09月07日基层教学单位责任人签章：
主管院长签章：
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三、电路的设计与原理分析
1、正弦波的产生
正弦波产生电路分为RC正弦波产生电路与LC正弦波产生电路两类。
RC正弦波振荡电路由R、C元件组成选频网络，一般用来产生1Hz~1MHz范围内低频信号；
LC正弦波振荡电路由L、C元件组成选频网络，一般用来产生1MHz以上的高频信号。
本次课程设计中要求产生100Hz和10kHz的正弦波振荡电路，故采用RC正弦波振荡电路。
为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。
但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。
如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。
反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。
为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。
选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成。
正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。
正弦波发生电路的组成由四部分构成，分别是放大电路。
从结构上看，正弦波振荡电路是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。
振荡电路的振荡频率f0是由电路的相位平衡条件决定的，且只在一个频率下满足相位平衡条件，这个频率就是f0。
这就要求在电路环路中包含一个具有选频特性的网络，简称选频网络。
欲使振荡电路自行建立振荡，需要满足|AF|>
1的条件，在接通电源后，振荡电路就有可能自行起振，或者说能够自激，最后趋于稳态平衡。
RC正弦波振荡电路有桥式振荡电路，双T网络式和移相式振荡电路等类型，本次课程设计要求采用文式电桥振荡电路。
1.1文氏电桥电路
文氏桥振荡电路原理图：
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文氏电桥原理图
文氏桥振荡电路原理分析：
文氏桥振荡器又叫RC桥式正弦波振荡器。
它的特征是以集成运放为中心，以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入深度电压串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点作为输出电压，一对顶点作为放大电路的净输入电压。
以正反馈量作为放大电路的净输入量，使电路满足相位平衡条件。
电桥由Z1、Z2组成，同时兼作正反馈网络，称为RC串并联网络。
由上图可知，Z1、Z2和Rf、R3正好构成一个电桥的四个臂，电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端。
上图左点画线框所表示的网络具有选频作用，它的频率响应特性曲线具有明显的峰值。
由上图可得：
反馈网络的反馈系数为
（1）
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就实际的频率而言，可用
替换，则得
（2）如令
，则上式变为
由此可RC串并联选频网络的幅频响应及相频响应
（3）
和
（4）
由上式可知，当
时，幅频响应的幅值最大，即
而相频响应的相位角为零，即
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这就是说，当
时，输出电压的幅值最大（当输入电压的幅值一定，而频率可调时），并且输出电压是输入电压的
，同时输出电压与输入电压同相，即有
和
。
这样，放大电路和由
组成的反馈网络刚好形成正反馈系统，满足相位平衡条件，因而有可能振荡。
由于电路中存在噪声，频谱分布很广，其中也包括有
这样一个频率成分。
这种微弱的信号，经过放大，通过正反馈的选频网络，使输出幅度愈来愈大，最后受电路中的稳压二极管限制，使振荡幅度自动稳定下来，开始时，
略大于3，达到稳定平衡状态时，
，从而产生持续的振荡，其输出波形为正弦波，失真很小。
起振时及振荡幅度较小时，
上压降不足于使
、
导通；
当振荡幅度增至某一值时，两二极管分别在输出电压的正负两个半周轮流导通，而且由于二极管正向导通的非线性，正向电压越大，正向电阻越小，使振荡器的负反馈深度加深，使
幅度稳定在某一值。
文氏桥振荡电路加上一个同向放大器变形得到如下电路：
图中，
组成电桥的一个臂，
组成另一个臂，
与
组成电桥
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的另外两个臂，起稳定振幅的作用，适当调节
，可以得到波形失真小，且工作稳定的输出波形。
是为了克服二极管死区而设的。
分析上图正弦波产生电路中W2的作用:
W2是接在第二级的放大器的，振荡器的输出端输出地信号接在A2的同向端，可调电阻W2是为了改变输出信号的增益的，调整振荡器输出信号的振幅。
2.方波产生电路
反相输入的滞回比较器和RC电路组成。
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Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。
Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。
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，Un趋于+Uz；
但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。
随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。
Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；
但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，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。
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2.1过零比较器
理想运放工作在非线性区时具有“虚断”的特点，净输入电流为零，即ip=in=0;
但不具有“虚短”的特点，净输入电压（up-un）的大小决定于整个电路的输入电压。
而且，输出电压与输入电压不成线性关系，输出电压只有两种可能性：
若up>
un，则uo=+Uom；
若up<
un，则uo=-Uom。
当ui经过某一设定值时，输出将从一个电平跃变到另一个电平。
由于输入为模拟量，输出只有高低电平两种情况，故可产生方波。
图4中，将集成运放的一端接“地”，另一端接输入信号，就构成了过零比较器。
为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，可加二极管限幅电路，如右图所示。
由于集成运放的净输入电压和净输入电流均近似为零，从而保护了输入级；
由于集成运放并没有工作到非线性区，因而在输入电压过零时，其内部的晶体管不需要从截止区逐渐进入饱和区，或从饱和区逐渐进入截止区，所以提高了输出电压的变化速度。
3、三角波产生电路
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图5积分电路产生三角波
3.1、积分电路工作原理：
电容具有对输入电流的积分作用，因而将电容引入负反馈回路，可以实现积分运算。
根据运放的“虚断”有uo=-Q/C=-1/C[∫ic（t）dt+Qo],Qo为t=0时已储存的电荷，由ic=ii=ui/R，得到Uo（t）=-Uit/RC+Uo0，可见，输出uo随时间线性上升，电容充电，uo下降，电容放电。
从而使方波变成三角波。
其中，RC称为积分常数，表明积分作用的大小。
RC越大，积分速度越慢，积分作用越弱；
RC越小，积分速度越快，积分作用越强。
4、总电路图
总电路图的原理：
先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波（单刀双掷开关打到不同位置可产生不同频率的正弦波），再通过过零电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。
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总电路图
四电路仿真调试
1、使用Multisim软件仿真
1.1输出正弦波电路的仿真
输出正弦波电路的仿真：
用Multisim10电路仿真软件进行仿真。
从Multisim10仿真元件库中调出所需元件，按电路图接好线路，正弦波输出端接一个虚拟的示波器，接通电源后，可得如图8所示的输出正弦波仿真图。
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1.2正弦波—方波电路的仿真
正弦波输出端接过零比较电路，同时在正弦波和方波的输出端接虚拟示波器，运行后产生仿真图如下
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1.3方波—三角波电路的仿真
在过零比较器后面接上积分器，同时在正弦波、方波和三角波的输出端接虚拟示波器，运行后产生仿真图如下
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五、电子线路设计制作及参数计算
1使用AltiumDesigner软件画出电路
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2使用AltiumDesigner软件设计PCB板
3电路板的焊接与调试
3.1电路板的正面与反面
电路板正面
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电路板反面
3.2正弦波波形产生电路的实验结果
把电路板的电源接好，将输出端接示波器，进行整体测试、观察。
针对其出现的问题，进行排查校验，使其满足实验要求。
可得到实测正弦波波形如图11所示：
图11实测实测100Hz和10000Hz正弦波波形
其部分参数如下所示：
Vpp1=16V（可调）Vpp2=12V（可调），
Prd1=4.5*2=9ms，f1=111Hz；
Prd2=1.8*0.5=9us，f2=11111Hz
3.3方波波形产生电路的实验结果
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图12实测100Hz和10000Hz方波波形
3.4方波---三角波转换电路的实验结果
图13实测100Hz和10000Hz三角波波形
六、实验分析与设计总结
6.1实验分析
输出的各波形的参数范围有些许的偏差，是因为在各原件的参数选择上有些偏差。
三角波稍微有点失真是因为电路中与充放电的时间有关的积分常数比较难以选择的非常合适。
理论输出频率：
f1=1/（2*3.14*R1C1）=99.5Hz;
f2=1/（2*3.14*R13C1）=9952.2Hz.
实测输出频率：
f1=111Hz;
f2=11111Hz.
实测输出电压Vpp1=16V（可调）;
Vpp2=12V（可调）
由实物图中可以观察出，方波是在正弦波为零时跳变，符合过零比较器的特性。
且原理图中除了最后一级的运放均为同相输入，实物图中波形相位相同。
积分电路为反相输入，在方波为低电平时斜率上升，积分电容充电；
方波为低电平时斜率下降，积分电容放电。
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6.2设计总结
通过此次课程设计制作，我制成了一个简单的波形信号发生器实物。
虽然实物作品能较好地输出正弦波和方波，且能实现频率可调，但三角波效果不明显。
因此，我还做了第二遍，经多次分析并调试改，但效果改变不明显。
相比以往，我们在本次课程设计中的收获更多，因为它跟多地锻炼了我们的实践动手能力，分析问题以及解决问题的能力，耐心也提高了。
其一，动手能力得到加强。
以前，我从未接触过焊接，在焊接过程中遇到了很多问题，有时一不小心就把自己的手烫了，头发也烧了；
有时有焊接不牢靠，出现虚焊等情况。
但经过练习后，自己变熟练了，一会儿就能焊好几根，这就是人们常说的熟能生巧。
其二，分析问题和解决问题的能力提高。
专业学了这么久，自己总是不知道书本上的知识能有什么用，也不知道以后自己会不会用，因此，不是很重视理论知识的学习，直到这次课程设计要做出实物，自己才恍然大悟，理论是分析问题和解决问题关键，只有掌握了理论知识才能更透讲清楚问题的根源所在，最后解决问题。
例如，要如何才能得到不失真稳定的波形，这就得结合理论的分析，通过计算得到最佳结果，用以改变相应的值。
在调试的时候会遇到得不出波形的情况，这时应该先检测电路是否完全接好，有没有落下的端口没接，如果线路是完好的，那就得检查器件是否损坏。
其三，自己做事更有耐心。
做出实物，并不等于一定会出波形，有时会因为自己的粗心大意而把线连错，这就需要耐心的去检查错误。
在调试的过程中，也需要细心并且慢慢地改变电阻值。
在这次实践中，我知道了做事要有耐心，着急是没有用的，越急事情就越做不好。
此外，让我值得高兴的是，我和同学之间的关系更加密切了。
在制作的过程中，我们互相帮助，一起讨论问题，做同一个事情，怎么做是容易，怎么样让事物看起来美观学，彼此交流意见，受益匪浅。
有时也聊聊其他的，开开玩笑，放松放松，这种感觉就像跟家人在一起一样。
总体而言，我的收获很多，学习方面的，为人处事等。
在做事情的时候，耐心，细心非常重要，着急有害无益，而多问有益无害。
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本次实验所焊接的电路整体工整仔细，采用的频率为100Hz和10000Hz。
用示波器进行测试正弦波和方波基本正常，而三角波存在小小失真，经过多次讨论与研究之后问题还是解决不了。
七、元件汇总
图14材料清单
八、参考文献
[1]华成英.模拟电子技术基本教程[M].北京：
清华大学出版社，2006
[2]张国雄，李醒飞.测控电路[M].第四版.北京：
机械工业出版社，2011.8
[3]康华光.电子技术基础（数字部分）[M].第五版.北京：
高等教育出版社，2006.
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