模电设计报告 湘潭大学.docx
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模电设计报告湘潭大学
模电课程
设计报告
课题名称：
多用信号发生器设计
学院：
信息工程学院
班级：
2010级通信工程1班
姓名：
学号：
2010550713
指导老师：
王永才
时间：
2012年5月6日
目录
一、引言3
二、设计题目及要求3
三、系统方案论证及选择4
1、波形产生单元4
1.1、正弦波信号产生单元4
1.2、方波信号产生单元5
1.3、三角波信号产生单元6
2、多用信号发生器设计7
2.1、方案选择7
2.2、方案简析8
四、电路原理图设计和实验仿真及实验结果10
1、单元电路设计10
1.1、单元正弦波电路设计：
10
1.2、单元方波电路设计11
1.3、单元三角波电路设计13
2、多用信号发生器的设计14
五、实际部分的制作17
1、操作步骤：
17
2、调试结果：
17
3、实验中碰到的难点和出现的问题、故障17
六、心得体会18
七、元器件清单18
八、参考资料19
一、引言
信号发生器在电子技术应用领域里的用途非常广泛，例如：
测量，控制，通信和广播电视系统中，常常需要频率可变和幅度可调的正弦波信号发生器，在数字系统和自动控制系统也常常需要方波，三角波的非正弦波信号发生器。
目前我们实验室用的较多的波形发生器主要有两种：
低频正弦波发生器和通用多波形发生器，前者只能产生正弦波，调节范围不大，但是信号稳定，失真度低，主要用在对波形有很高的要求的实验中；后者能产生正弦波、方波和三角波，也有的能产生三种以上波形。
二、设计题目及要求
信号发生器是常用的测试仪器，常用的信号源有正弦波、方波、三角波、锯齿波、阶梯波等。
1、要求完成原理设计并通过软件仿真部分
（1）RC桥式正弦波产生电路，频率分别为300Hz、1KHz、10KHz、500KHz，输出幅值300mV~5V可调、负载1KΩ。
（2）占空比可调的矩形波电路，频率3KHz，占空比可调范围10%~90%，输出幅值3V、负载1KΩ。
（3）占空比可调的三角波电路，频率1KHz，占空比可调范围10%~90%，输出幅值3V、负载1KΩ。
（4）多用信号源产生电路，分别产生正弦波、方波、三角波，频率范围100Hz~3KHz、输出幅值≥5V、负载电阻1KΩ。
软件仿真部分元器件不限，只要元器件库中有即可，但需要注意合理选取。
2、要求实际制作部分
上述（4）多用信号源产生电路，分别产生正弦波、方波、三角波，频率范围100Hz~3KHz、输出幅值≥5V、负载电阻1KΩ。
硬件制作部分核心元器件：
uA741、LM324、9013，电阻电容不限。
三、系统方案论证及选择
1、波形产生单元
1.1、正弦波信号产生单元
下图电路为桥式振荡电路
它的起振条件为：
Rf>2R'。
该电路由三部分组成，即放大电路、选频网络和反馈网络。
其选频网络的频率特性如下：
反馈网络的反馈系数为
由此可得RC串并联选频网络的幅频响应即相频响应为
由上两式知当
时，幅频响应的幅值为最大，即
相应的相频响应的相位角为零，即
此时输出电压的幅值最大，并且输出电压为输入电压的３倍。
同时输出电压与输入电压同相。
该电路的工作原理为：
在
时，经RC选频网络传输到运放同相端的电压Vf与VO同相，即有
。
这样，放大电路和由Z1和Z2组成的反馈网络刚好形成正反馈系统，可以满足相位平衡条件，应此可能产生振荡。
即当R5选取适当时使得运放反相放大端电压为输出电压的三分之一。
当电路接通时由于噪音存在，在中多声频支中存在
这么一支。
经过运放放大后，反馈网络反馈回信号恰好等于输入电压使电路达到自激和稳定。
从结构上看，正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。
振幅平衡和相位平衡是正弦波振荡电路产生持续振荡的两个条件。
1.2、方波信号产生单元
方波产生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路。
由于方波包含了极丰富的谐波，因此，这种电路又成为多谐振荡电路。
通过迟滞比较器电路的学习，我们已经知道，当比较器的输入信号是具有一定幅度，而且连续变化的周期信号时候，在其输出端可得到与输入信号同频的方波（高电平与低电平时间相等）或矩形波（高电平与低电平时间不相等）信号。
所以，将比较器输出信号通过ＲＣ网络反馈回来作为输入信号就可构成方波发生器。
由于题目要求有占空比可调的矩形波电路和三角波电路，故先讨论占空比调整上的设计，有以下两种思路：
（1）脉宽改变，频率跟着改变，其方法如下：
方波的典型产生电路是对称方波，占空比为50%，如需产生占空比大于或小于50%的矩形波，只需适当改变C的正反充电常数即可。
如下
改变R1和R2的阻值，即可改变占空比，有如下的公式可看得更清楚
T=（R1+R2）CLn（1+2r1/r2）
但R1+R2的改变使T也发生了变化，但比较容易调节。
（2）占空比变，频率不变，其方法如下：
频率不变，即R1+R2不变，但正反充电时间常数要变，可采用如下电路
。
采用一个滑动变阻器，达到了频率不变、占空比改变的效果，但如要把占空比调到10%之下是比较困难的。
以上的两种占空比调整电路设计思路，各有优缺点。
1.3、三角波信号产生单元
三角波产生电路为一积分电路。
如下图：
运放输出端和输入端VN=VP,当电路接上电源并有输入信号存在时VI对电容充电则运放的输出端ＶO
就按照电流和时间的积分变化。
上图各量表达式如下：
当输入信号ＶI为正时，输出与输入成负相关；当其为负时，输出与输入为正相关，从而输出三角波。
三角波产生电路主要是积分电路的正向和反向充放电时间常数相等，即与锯齿波产生的差别。
2、多用信号发生器设计
信号发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波（矩形波）等波形的电路或仪器装置。
信号发生器的电路组成可以采用分立元件构成；也可以采用运算放大器及分立元件组成。
另有使用目前市面上出售的单片集成电路信号发生器，配以少量的运放或是分立元件就可以很方便的构成信号发生器。
2.1、方案选择
接到题目后，经过在图书馆和上网查阅相关资料，得到了三种可行方案：
其中有2种方案按照
有1种方案按照
的思路设计。
下面将就3种方案作简要介绍，说明各个方案的主要思路及画出各个方案的原理方框图，并说明取舍原因。
2.2、方案简析
方案一：
首先产生方波，经过积分电路产生三角波，最后通过差分放大电路将三角波近似变为正弦波。
这种方法的优点是产生波形的频率可以方便地调节，但是由三角波到正弦波的变换电路比较复杂，且与教材上的波形发生电路相差甚远，所以还是舍弃了这种方案。
此方案的原理方框图及总电路图如下：
方案二：
也是首先产生方波，然后通过积分电路形成三角波，对于三角波到正弦波的变换，用了折线近似法，，最终形成正弦波。
如果要得到比较好的正弦波，需要几十个二极管和电阻，很不现实。
此方案的原理框图及总电路图如下：
方案三：
首先产生正弦波，再由过零比较器产生方波，最后由积分电路产生三角波。
正弦波通过RC串并联振荡电路（文氏桥振荡电路）产生，利用集成运放工作在非线性区的特点，由最简单的过零比较器将正弦波转换为方波，然后将方波经过积分运算变换成三角波。
这个是我最终选定的方案。
理由有三：
1、这个方案具有电路结构简单、所用元件少、易于焊接等优点。
2、这个方案是教材上知识点的融合，有利于让自己更好地熟悉教材。
3、我熟悉这个电路的原理，调试时会显得相对容易。
此方案的原理框图如下：
四、电路原理图设计和实验仿真及实验结果
电路原理图的设计是印制电路板设计中的第一步，也是非常重要的一步。
电路原理图设计得好坏将直接影响到后面的工作。
首先，原理图的正确性是最基本的要求，因为在一个错误的基础上所进行的工作是没有意义的；其次，原理图应该布局合理，这样不仅可以尽量避免出错，也便于读图、便于查找和纠正错误；最后，在满足正确性和布局合理的前提下应力求原理图的美观。
1、单元电路设计
1.1、单元正弦波电路设计：
正弦波仿真图如下：
RC正弦波实验结果
频率
输出电压范围
理论值
300Hz
1kHz
10kHz
300mv~5V
实测值
300HZ
989HZ
10.001KHZ
255mv~5.88v
1.2、单元方波电路设计
占空比可调的矩形波发生电路
占空比：
脉冲波高电平时间与周期
时间之比。
要改变占空比只需要改变电容的
充放电时间常数。
其仿真波形图如下：
占空比可调的矩形波实验结果
频率
可调占空比范围
输出电压范围
理论值
3kHz
10%~90%
3V
实测值
2.84kHz
7%~92.5%
3.04v
1.3、单元三角波电路设计
下面是满足实验要求的电路图，调节R4可改变占空比，即可形成锯齿波
由一个迟滞比较器和一个ＲＣ反馈网络能获得方波输出，并且方波的占空比可调，ＲＣ网络实际为一积分电路，因此，通过调节方波的占空比来改变三角波的占空比。
单位三角波仿真图如下
调节占空比后的锯齿波
占空比可调的三角波电路实验结果
频率
可调占空比范围
输出电压范围
理论值
1kHz
10%~90%
3V
实测值
998Hz
5%~93%
3.16v
2、多用信号发生器的设计
我们设计的电路为单独产生正弦波，再产生方波，然后通过积分电路形成三角波，下面是我们实际做电路板的电路图，即实际制作部分
当k1闭合时，仿真波形如下：
当k2闭合时，仿真波形如下：
当k3闭合时，仿真波形如下：
多用信号发生器
可调频率范围
输出电压范围
理论值
100Hz~3KHz
5V
实测值
正弦波
方波
三角波
正弦波
方波
三角波
108HZ~418HZ
115Hz~30.88HZ
115Hz~30.88HZ
6.31V
4.25V
105mV
五、实际部分的制作
设计好电路图,开始焊电路板,刚开始觉得线路很简单，所以电路排版没花心思，真正开始焊的时候才发现相当麻烦，导线用去很多,看起来有点乱。
由于元气件的管脚图并不跟原理图中一样，所以必须先查阅资料弄明白各个器件的封装，像三极管先用万用表检测EBC，每个管脚对应哪一段也可以检测。
还有四脚的按键也要测出哪两脚是相通的等等。
然后，对照原理图和印刷电路板的元件而进行元件的焊接，可根据自己的习惯并遵循合理的原则，将面板上的元器件安排好，尽量使连接线长度减少，再通电源进行调试，调整分立元件振荡电路放大元件的工作点，使之处于放大状态，并满足振幅起振条件。
仔细检查反馈条件，使之满足正反馈条件，从而满足相位起振条件。
制作完成后，对整机进行了调试。
先测量电源支流电压，确保无误后，插上集成快，装好连接线。
用示波器观察波形发出的相应变化，幅度的大小、频率可通过示波器读出。
1、操作步骤：
1.按图焊接好电路，并检查确认无误后接通电源；
2.将方波输出端与示波器相连，观察并调出正确波形；
3.将三角波输出端与示波器相连，观察并调出正确波形；
4.将正弦波输出端口与示波器相接，观察并调出正确的波形；
2、调试结果：
1.正弦波调试时显示出正常，就是有点失真，调节5k的电位器，消除失真；
2.方波调试时，由于刚开始时只用一个运放，产生的波形虽有明显的正负取值，但波形没有方波的特性，通过调节相应的点位器方波失真变小；
3.调试三角波时，由于刚开始选用的电容和电阻都太小造成了输出波形无棱角，出现了平滑的类似正弦波的波形。
后该改用足够大的电容和电阻，波形很明显并且很稳定。
3、实验中碰到的难点和出现的问题、故障
（1）电路不起振
对于这样一个闭环无输入电路，很多原因都可以使电路不起振。
常见的故障原因为：
1电路设计故障，比如参数选择不合适、极性不正确等；2面包板和元器件接触不良，比如集成运放没有牢靠地插进面包板的针孔内；3连接线故障，比如某些导线，外表的塑料套是好的，但是内部的铜线断裂；4元器件损坏，比如运放损坏、稳压管损坏、电容损坏等；5其它故障，比如电源未打开，测量点不正确，示波器损坏等。
（2）波形失真
通过调节点位器，尽量减少失真。
先运用模电知识计算大概的值，再通过观察波形适当地调节电位器。
（3）排查故障需注意问题
要准确、快速地查找出故障所在，需要注意以下几点：
首先需要熟练掌握电路的工作原理，这是查找故障的前提；熟练掌握仪器使用方法，养成缜密的逻辑思维习惯；保护现场。
六、心得体会
在这一周对一些简单电路的设计、分析以及焊接中，我学会了很多东西。
我深切体会到只有熟练的掌握了专业知识才能更好的指导我们的实践，使我们在实验中由依有据。
在设计与制作过程中，我们积极的查阅资料，泡图书馆，上网，我们都踊跃的参与到设计中来，虽然焊接过程中还是存在虚焊、焊接不牢等现象，但我觉得自己的动手能力有了很大提高。
我们经常讨论，互相帮助，互相交流，不断解决一些问题，加强了团结合作的团队精神。
在以后的学习生活中，我们认识到我们必须加强锻炼自己的动手能力，做到首脑并用，并要加强交流，在交流中互相学习以共同进步，共同提高。
这次的课程设计挫折很多，中间不断出现问题，通过与同学的讨论大部分得到了解决。
虽然在找问题的过程中很烦躁，但是最重要的还是在探究过程中提高了探究能力以及成功的喜悦。
最后，所有的电路功能基本全部实现，虽然有的波形有些小小的失真，但这是自己不断努力的结果，这次课程设计让我更加清楚的认识到，做工要讲求精细，我了解了很多之前不熟悉的器件的功能，受益匪浅，在以后的实训中我会再接再厉。
七、元器件清单
信号发生器元件清单（模电课程设计）
序号
名称
型号规格
单位
数量
备注
1
集成电路
LM324
块
1
U1
2
二极管
IN4007
个
3
D1、D2、D5
3
稳压管
5.1V
个
2
D3、D4
4
电阻
1k1/8W
个
2
R9、R11
5
电阻
1.5k1/8W
个
2
R13、R14
电阻
3k1/8W
个
1
R7
6
电阻
5k1/8W
个
1
R4
7
电阻
10k1/8W
个
4
R6、R8、R15
8
电阻
15k1/8W
个
1
R5
9
电阻
25k1/8W
个
1
R12
10
电位器
50k1/8W
个
4
R1、R2、R3、R10
11
瓷片电容
33nF（0.033uF）
个
2
C1、C2
12
瓷片电容
20nF（0.02uF）
个
1
C3
1.细导线若干；
2.焊锡丝若干。
3.万用表
4.面包板1块
八、参考资料
《电子技术基础》模拟部分（第五版）康华光主编高等教育出版社；
《常用电子电路280例解析》张延琪主编中国电力出版社；
《模拟电子技术基础简明教程》（第三版）杨素行高等教育出版社2005
《模拟电子技术基础与课程设计》李万臣哈尔滨工程大学出版社2001.3
《振荡电路的设计与应用》何希才、尤克科学出版社2004
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