波形发生器.docx
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波形发生器
题目：
波形发生器
院（系）：
信息与通信学院
专业：
电子信息工程
学生姓名：
学号：
指导教师：
题目类型：
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发
2013年12月17日
目录
引言1
1．方案论证和选择及系统框图2
1.1方案一原理及框图2
1.2方案二原理框图2
2.简易信号发生器的选择方案3
3．单元电路的设计3
3.1方波发生电路的工作原理3
3.2方波--三角波转换电路的工作原理6
3.3三角波--正弦波转换电路的工作原理7
4.总电路的设计电路图和工作原理8
5.组装调试8
5.2调试电路的方法和技巧9
5.3测试的数据和波形9
6.焊接注意事项11
6.1手工焊接方法11
6.2电路板焊接的注意事项11
7印刷电路板12
7.1PCB设计流程12
8系统制板的调试13
8.1引论13
8.2硬件调试14
9.总结15
谢辞16
参考文献17
附录18
摘要
简易信号发生器是一种能够产生多种波形，如方波、三角波、正弦波、锯齿波、矩形波等的电路。
简易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。
简易信号发生器的设计，仿真，制作已成为电子专业的学生最基本的一种技能。
该简易信号发生器可通过555芯片做成多谐振荡器，电阻和电容来组成积分电路和低通滤波电路来分别实现方波、三角波和正弦波的输出。
此方案的优点是制作成本低，电路原理和结构简单，调试方便，频率范围可调，具有一定的应用价值。
关键词：
多谐振荡器；积分电路；低通滤波电路
Abstract
Simplesignalgeneratorisakindofcanproduceavarietyofwaveforms,suchasasquarewave,trianglewave,sinewave,sawtoothwave,rectangularwavecircuit.Simplesignalgeneratorinelectriccircuitexperimentandtheequipmentexaminationhasaverywiderangeofuses.Simplesignalgeneratordesign,simulation,productionhasbecometheelectronicprofessionalstudentsabasicskills.Thesimplesignalgeneratorcanbemadethroughthe555chipmultivibrator,resistorsandcapacitorstoformintegralcircuitandlowpassfiltercircuittoachieveasquarewave,trianglewaveandsinewaveoutput.Thisschemehastheadvantagesoflowproductioncost,circuitprincipleandhastheadvantagesofsimplestructure,convenientadjustment,frequencyadjustablerange,hasacertainvalue.
Keywords:
harmonicoscillator;integratedcircuit;lowpassfiltercircuit
引言
现今世界中电子技术与电子产品的应用越加广泛，人们对电子技术的要求也越来越高。
因此如何根据实际要求设计出简便实用的电子技术物品便显得尤为重要。
波形发生器是一种常用的信号源，波形发生器是一种常用的信号源，广泛的应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域，是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。
在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都需要有信号源。
由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察。
测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。
信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最为广泛的一类电子仪器。
它可以产生多种波形信号，如锯齿波、三角波、梯形波等，因而广泛应用于通信、雷达、导航、宇航等领域。
函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。
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。
通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。
目前使用的信号发生器大部分是函数信号发生器，且特殊波形发生器的价格昂贵。
信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其它仪表测量感兴趣的参数。
本课题所设计的简易信号发生器就是信号源的一种，采用集成555芯片、电阻和电容组成简单的电路，实现波形的产生和转换。
1．方案论证和选择及系统框图
1.1方案一原理及框图
图1.1方案一简易信号发生器的原理框图
方案一是由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由RC积分电路将方波转化为三角波，最后用RC低通滤波器将三角波转化为正弦波，电路结构简单，所使用的元器件少，成本低。
1.2方案二原理框图
正弦波
三角波
方波
运放组成的低通滤波器
运放组成的积分器
555多谐振荡器
图1.2方案二简易信号发生器的原理框图
方案二是由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由741运放组成的积分电路将方波转化为三角波，最后用741运放组成的低通滤波器将三角波转化为正弦波，此电路具有良好的三角波和正弦波信号。
此方案电路比较复杂，所使用元器件多，但输出波形好，而且幅度大。
2.简易信号发生器的选择方案
经过认真计算和通过仿真软件仿真后，我最终选择方案一。
因为该电路具有结构、思路简单，运行时性能稳定且能较好的符合设计要求，对原器件要求不高，且成本低廉、调整方便。
上述两个方案均可以产生方波、三角波和正弦波三种波形，但方案二的电路比较复杂，有过多焊接部分，而且较浪费元器件，两个方案在调节的时候都比较方便，都可以很快的调节出波形。
但方案一电路简洁而且有利于焊接，板子小，可以节省元器件，而且在调节波形的频率值可在一定的范围内变化，所得波形参数也完全符合简易信号发生器的基本设计要求。
综上考虑，选用方案一足矣。
3．单元电路的设计
3.1方波发生电路的工作原理
图3.1由555芯片组成的多谐振荡器产生方波
用555定时器组成的多谐振荡器如图3所示。
为了输出方波，即占空比q应该为0.5，而
q=R1+R2+Rp/（R1+2（R2+Rp））（3-1）
故当R1＜＜（R2+Rp）时，R1的值可以忽略，即
q=R1+R2+Rp/（R1+2（R2+Rp））≈R2+Rp/2（R2+Rp）=0.5（3-2）
则555定时器组成的多谐振荡器可近似的产生方波。
为了产生频率在1kHz以内的方波，取
R1=10k，R2=100k，Rp=0～100k，C1=0.01uF，C2=0.01uF，VCC=5V。
电容器C1充电所需的时间为
T1=（R1+R2+Rp）C1ln2≈0.7（R1+R2+Rp）C1（3-3）
①当Rp=0时，
T1=0.7（R1+R2+Rp）C1（3-4）
=0.7×（10+100+0）×103×0.01×10-6
=0.77ms
②当Rp=100时，
T1=0.7（R1+R2+Rp）C1（3-5）
=0.7×（10+100+100）×103×0.01×10-6
=1.47ms
电容器C1放电所需的时间为
T2=（R2+Rp）C1ln2≈0.7（R2+Rp）C1（3-6）
①当Rp=0时，
T2=0.7（R2+Rp）C1（3-7）
=0.7×（100+0）×103×0.01×10-6
=0.7ms
②当Rp=100时，
T2=0.7（R2+Rp）C1（3-8）
=0.7×（100+100）×103×0.01×10-6
=1.4ms
其振荡频率为
①当Rp=0时，
f=1/T=1/（T1+T2）（3-9）
=1/（0.77+0.7）
≈680.95Hz
②当Rp=100时，
f=1/T=1/（T1+T2）（3-10）
=1/（1.47+1.4）
≈348.78Hz
即该555定时器组成的多谐振荡器可产生方波的可调频率f的范围是：
f=348.78～680.95Hz
3.2方波--三角波转换电路的工作原理
图3.2由RC组成的积分电路
RC电路的工作原理是：
输出电压：
u0=ui=
dt=
dt
dt（3-11）
上式表明，电路的输出电压与输入电压的积分成正比；
t≥t1VI从VM下跳至0,C放电，VO=Vi以指数规律下降；
t≥t2VI从0上跳VM,C被充电，VO=Vi以指数规律缓慢上升；
方波信号可以看成是多个阶跃信号的组合，因此，当输入信号为方波信号时，积分电路输出三角波。
应用“积分延时”现象，把跳变电压“延缓”，如此反复就可将矩形波转换成三角波。
通常情况下必须满足
=R3C3≥T/2（3-12）
而由前面可知，方波的频率f=348.78～680.95Hz，即T=1.47～2.87ms
故可取
R3=10k，C3=0.47uF，则
R3C3=10×103×0.47×10-6=4.7ms≥T/2（3-13）
故当ＲＣ积分电路的输入信号为方波时，输出信号就是三角波。
3.3三角波--正弦波转换电路的工作原理
图3.3二阶RC滤波电路
采用RC滤波器简单地多级连接的方法组成二阶RC滤波电路如图7.1所示。
低通滤波器是让某一频率以下的信号分量通过，而对该频率以上的信号分量大大抑制的电路。
（3-14）
（3-15）
（3-16）
截止角频率
，截止频率
通过仿真与计算，可取=R4=R5=10k，C4=C5=0.01uF。
这样三角波通过RC滤波电路后，就可以装换成正弦波。
4.总电路的设计电路图和工作原理
图4.1简易信号发生器总的电路原理图
总电路图的工作原理：
555芯片接成多谐振荡器，输出的是近似对称的方波，其频率为500Hz左右，幅度为4Vpp左右，调节电位器Rp可改变方波、三角波和正弦波的频率，但会同时稍微改变其幅度。
方波信号经R3、C3积分电路后，输出三角波。
三角波再经R4、R5、C4、C5低通滤波电路后，输出近似的正弦波。
5.组装调试
5.1使用的主要仪器和仪表
电源
一台
万用表
一台
示波器
一台
表5.1主要仪器仪表
5.2调试电路的方法和技巧
①首先用万用表，主要是蜂鸣档对电路板进行静态测试，目的主要是为了防止虚焊、漏焊或者短路的地方。
②接好电路，要特别注意电源的正负极不能接反，先测试方波的幅值，输出波形频率范围等。
再对三角波正弦波进行相应的调试。
然后对电路进行动态测试。
主要是测试方波、三角波、正弦波的振荡频率的调节范围。
注意用示波器测量幅值必须把所有的微调都调到顺时针顶端。
在测量之前必须把波形先调好，只有在波形不失真的情况下才能测量参数，否则所测数据没有任何意义。
5.3测试的数据和波形
1方波测试的数据
表5.3.1方波参数
方波
各项参数
幅度
频率
设计要求
20Hz～20KHz
1～5Vpp
实测数值
570.72Hz
4.45Vpp
②方波波形
图5.3.1方波波形
1角波测试的数据
表5.3.2三角波参数
三角波
各项参数
幅度
频率
设计要求
20Hz～20KHz
1～5Vpp
实测数值
570.72Hz
1.04Vpp
②三角波波形
图5.3.2三角波波形
1弦波测试的数据
表5.3.3正弦波参数
正弦波
各项参数
幅度
频率
设计要求
20Hz～20KHz
1～5Vpp
实测数值
570.72Hz
0.53Vpp
2正弦波波形
图5.3.3正弦波波形
比较以上实验所测数据可知，设计方案结果比较符合设计要求结果，基本上实现三种波形的输出。
5.4调试中出现的故障原因及排除方法
1、首次调试时，555芯片两端加5v电压，结果芯片发热很严重。
通过检查焊接电路，发现芯片两端连接电源的引脚连接错误。
调整好引脚后，芯片通电时不在严重发热。
2、调试时没有波形出现。
用万用表测量各个结点是否有电流通过，以便检查电路连接是否正常。
3、调节电位器时，波形的没有任何变化。
可能是电位器的连接方法有问题，后经检查后发现电位器虚焊。
4、在做方案二的用741运放组成积分器和低通滤波器时，能很快很好的输出方波，但输出的三角波和正弦波很不规则，经过多番调试和检查，并且更换元件后，还是调不出后面两种波形，故后面不得不放弃该方案，而采用方案一。
6.焊接注意事项
6.1手工焊接方法
手工焊接握电烙铁的方法,有正握、反握及握笔式三种。
焊接元器件及维修电路板时以握笔式较为方便。
手工焊接一般分四步骤进行。
①准备焊接:
清洁被焊元件处的积尘及油污,再将被焊元器件周围的元器件左右掰一掰,让电烙铁头可以触到被焊元器件的焊锡处,以免烙铁头伸向焊接处时烫坏其他元器件。
焊接新的元器件时,应对元器件的引线镀锡。
②加热焊接:
将沾有少许焊锡和松香的电烙铁头接触被焊元器件约几秒钟。
若是要拆下印刷板上的元器件,则待烙铁头加热后,用手或镊子轻轻拉动元器件,看是否可以取下。
③清理焊接面:
若所焊部位焊锡过多,可将烙铁头上的焊锡甩掉（注意不要烫伤皮肤,也不要甩到印刷电路板上!
）,用光烙锡头"沾"些焊锡出来。
若焊点焊锡过少、不圆滑时,可以用电烙铁头"蘸"些焊锡对焊点进行补焊。
④检查焊点:
看焊点是否圆润、光亮、牢固,是否有与周围元器件连焊的现象。
6.2电路板焊接的注意事项
在焊接的过程中我们需要注意的问题很多，主要问题如下：
1.三极管的e、b、c应该认真判定，焊接的时候仔细与原理图对照后在做焊接。
2.电阻的认真识别，按照原理图的电阻大小对号入座。
3.可变电感所用引脚的识别，将有用的两个引脚连在电路图上。
4.电解电容的大小以及正负判定，焊接的时候应该严格按照正负焊接，否者将没有作用。
5.瓷片电容相对电解电容就要简单许多了，只需要将大小判定好久可以了。
6.此外，最重要的就是应该严格按照电路图来焊接原件，不能有一点点的错误。
7印刷电路板
印制电路版（PrintedCircuitBoard,简称PCB），它是以一定尺寸的
绝缘板为基材，以铜箔为导线，经特定工艺加工，用一层或若干层导电图（铜箔的链接关系）以及设计好的孔（如元件孔、机械安装孔、金属化过孔等）来实现元件间的电气连接关系，它就像在纸上印刷上去似的，故得名印制电路板或称印刷线路板。
在电子设备中，印制电路板可以对各种元件提供必要的机械支撑，提供电路的电气连接并用标记符号把板上安装的各个元件标注出来，以便于插件、检查及调试。
7.1PCB设计流程
7.1.1印制电路板的设计的一般步骤
1.绘制印制电路板
主要任务是绘单片机键盘控制流水灯原理图，并且确保无误后，生成网络表，用与PCB设计时自动布局。
2.规划电路板
主要完成确定电路板的物理边界，电气边界，电路板的层数，各种元件的封装形式和布局要求等任务。
3.设置参数
主要是设置软件中电路板的工作层，PCB编辑器的工作参数，自动布局等。
4.装入网络表及元件的封装形式
网络表是PCB自动布线的核心（笔者用的单面板，用的手动布线），也是电路理图设计与印制电路板设计系统的接口。
只有正确装入网络表后，才能进行对电路板的自动布局等。
5.元件的布局
元件的布局包括自动和手动调整两个过程。
在规划好电路板和装入网络表之后，系统能自动装入元件，并自动将它们放置在电路板上。
自动布线是系统根据某种算法在电气边界内自动摆放元件的位置。
如果自动布局不尽如意，则在进行手工调整。
6.手动布线
手动布线时，要注意相连导线之间要有一定的绝缘距离；信号线在拐弯处不能走直线；电源线和地线的布线要短，粗且避免形成回路。
7.补泪滴
8.文件的保存及输出
7.1.2印刷板制作工艺流程
制板工艺程序：
修整板周边尺寸--复制--腐蚀--钻孔定位--清洗--细砂纸擦光亮--涂松香水。
1.先将符合尺寸要求的复铜板表面用细砂纸擦光亮,再用复写纸将布线图复制到复铜板上。
2.腐蚀一般采用三氯化铁作腐蚀液,腐蚀速度与腐蚀液的浓度,温度及腐蚀过程中采取抖动有关,为保证制板质量及提高腐蚀速度,可采用抖动和加热的方法。
3.腐蚀完成后,应用自来水冲洗干净,把印刷板抹干。
4.用直径1.0mm钻头钻孔、定位。
5.用细砂布将印刷板复铜面擦至光亮为止,然后立即涂上松香溶液。
8系统制板的调试
8.1引论
对系统进行原理图设计之后，就应该根据原理图画出系统的原理图、制作印刷电路板以及对电路板进行焊接。
完成这些前期工作后就要对这个系统进行调试了，这些对系统的设计是至关重要的，它们是理论联系实际的桥梁。
整个单片机键盘控制流水灯应用系统的调试包括三个部分：
硬件调试、软件调试和总体调试。
硬件调试的含义是对所设计的应用系统板进行调试，使之能够正常工作，这些主要包括对最小系统、系统的一些外围电路及其接口电路的调试工作。
软件调试指的是对一个要实现的特定的应用系统的软件部分进行调试。
比如说对软件进行检查、仿真等。
总体调试就是指将已经调试通过的软件在硬件上运行，对它们进行系统联调。
8.2硬件调试
当硬件制板焊接之后，就可以对系统进行硬件调试了。
对硬件调试时，考虑到系统的庞大，所以调试工作是不可能一蹴而就的，应该把系统合理划分为一个个功能模块，将这些功能模块分别进行调试，当然在调试一些模块的时候利用已经调试成功的模块，这样可能更加有利于系统的调试工作。
8.2.1系统调试的前奏
（1）系统制板之后，首先进行PCB板检测。
这里主要观察电源与地线是否短接，这种检测必须在系统调试之前进行，因为若电源与地线短接，当系统加电运行的时候，就会造成芯片损坏。
（2）焊接。
焊接的顺序应该是先焊最小系统，然后逐步增加元件，表贴元件要先焊接，这样有利于焊接工作的顺利进行，方便后面对其他元件进行焊接。
焊接的时候应该避免虚焊的出现，焊点尽量光滑。
8.2.2测试系统的电源
首先应该测试电压是否正确。
这一步至关重要。
如果系统的电源不能正确工作的话，那么系统也就不可能正确工作了，同时还要注意系统的供应电压是否能够满足系统所要求的最大输出电流的要求。
系统电源的测试对振荡器供电电压、三极管、MIC电压以及一些外围电路工作电压的测试。
在这部分的测试中，可能采用万用表测试电源的输出引脚的方法。
测试系统输入电压。
因为系统中所有的电压都是通过电源供电电路将输入的220V电压转换成系统所需要的电压，所以在测试其他地方电压之前，应该先保证+5V电压的输入正确。
随后测试接口电路的工作电压主要输出引脚的电压，在保证5V主电源电压正常，这些外围电路电压正常的情况下，电路就能正常工作而不受损坏了。
9.总结
本设计设计了简易信号发生器就是信号源的一种，采用集成555芯片、电阻和电容组成简单的电路，实现波形的产生和转换。
在电路系统设计阶段，如何使所设计出的电路具有最佳的实用性、最优的可扩展性、最佳匹配的性价比是另一个必须解决的问题。
只有在正确的系统设计思想的指引下，整个设计过程才有可能一帆风顺。
解决问题的过程是一个耗时费神甚至痛苦的过程，而问题的解决又是一个令我感到成功感的过程！
从理论上说，本论文所设计的这个应用系统板不但能够完成设计所规定的要求，也能在实际中发挥一定的作用，我可以通过这个设计联想到其它智能化的东西，制造出对社会、对人类有用的东西，可以说通过这个设计给我最大的收获就是思维的拓宽，这是书本上无法学到的东西。
所以在一定程度上这次的课程设计是很成功的。
实现本次设计课题的方法不唯一，但相较而言，本方案提高了电路的稳定性，且实验的调节方法也很简单，采用本方案设计的简易信号发生器思路明了，原理清晰，电路结构简单，使用元件少，占用板子空间小，节约资源，并且也能很好的产生出符合设计要求的波形。
但后面输出的两种波形幅度明显减小。
为了改变这种情况，我认为可以适当提高555芯片的参考电压或者是用运放做一个放大器将后面的信号放大，这样所得的波形就更加符合要求了。
谢辞
本论文设计在蒋老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，论文初稿与定稿无不凝聚着蒋老师的心血和汗水，在我的毕业设计期间，李恒太老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，蒋老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度使我深受感动，没有这样的帮助和关怀和熏陶，我不会这么顺利的完成毕业设计。
在此向蒋老师表示深深的感谢和崇敬，不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成课程设计论文。
同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。
我还要感谢同组的各位同学以及我的各位室友，在课程设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢！
参考文献
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高教出版社，2006.5
[2]康华光.电子技术基础--模拟部分（第五版）.[M].北京：
高等教育出版社,2006.1
[3]李淑明.模拟电子电路.实验.设计.仿真.[M].成都：
电子科技大学出版社,2010.2
[4]杨欣，王玉凤，电子技术从零开始第二版北京：
清华大学出版社，2010—10
[5]董诗白，华成英，模拟电子技术基础第四版北京：
2006—5.
[6]肖玲妮，袁增贵.Protel99SE印刷电路板设计教程.北京:
清华大学出版社.2003.
附录
学号：
姓名：
课题：
简易信号发生器
序号
名称
数量
单价
备注
1
555芯片
1
2
电阻
5
10K4个、100K1个
3
电容
5
0.01uF4个、0.47uF1个
4
滑动变阻器
1
5
双面版
1
50×50mm
6
圆孔插座
1
1排
7
杜邦线
8
8
9
10
11
12
13
14
15
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