课程设计报告设计制作一个方波三角波正弦波的函数转换器.docx

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课程设计报告设计制作一个方波三角波正弦波的函数转换器

课程设计说明书

课程设计名称：

电子技术（模拟电路部分）

课程设计题目：

设计制作一个方波—三角波—正弦波的函数转换器

学院名称：

电子技术（模拟电路部分）课程设计任务书

20－20学年第学期　第周－周

题目

设计制作一个方波—三角波—正弦波的函数转换器

内容及要求

1）输入波形频率范围为0.02Hz~20KHz且连续可调。

2）正弦波幅值为±2V。

3）方波幅值为±2V。

4）三角波峰峰值为2V，占空比可调。

5）设计电路所需的直流电源可用实验室电源。

进度安排

第一周：

设计电路图，参考文献，仿真，然后焊接。

第二周：

调试装置，总结实验，完成实验报告。

学生姓名：

指导时间：

年月日至年月日

指导地点：

楼室

任务下达

年月日

任务完成

年月日

考核方式

1.评阅□　2.答辩□3.实际操作□　4.其它□

指导教师

系（部）主任

注：

1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

摘要

函数信号发生器作为一种常用的信号源，是现代测试领域内应用最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和部件都需要有信号源。

由于函数（波形）信号发生器能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波，方波，三角波，锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫函数，所以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。

除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电容测量领域。

本次课程设计的目的：

采用555集成芯片外界电容电阻来产生正弦波、方波、和三角波，先通过555芯片产生波形通过电容形成方波，接着经过两个电阻分别出现三角波和正弦波，经过仿真得出了三个波形的波形图，通过实验掌握电子系统的一般设计方法，培养综合应用所学知识来指导实践的能力，掌握常用元器件的识别和测试，熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。

关键字：

函数信号发生器集成芯片波形

前言····································································1

第一章设计内容及要求··················································2

第二章电路设计原理及方案··············································3

2·1方案一···························································3

2·2方案二···························································3

2·3方案三····························································3

第三章系统组成及工作原理··············································4

3·1系统组成·························································4

3·2工作原理··························································5

第四章单元电路设计、电路图、仿真图及参数计算···························6

4·1单元电路设计······················································6

4·2电路图····························································7

4·3仿真图····························································8

4·4参数设计··························································9

第五章电路的焊接与测试················································10

5·1电路的安装·······················································10

5·2电路的调试························································10

5·3焊接与调试分析····················································10

第六章结论····························································12

第七章设计心得与体会··················································13

参考文献································································13

附录一·································································14

附录二·································································15

附录三··································································16

前言

波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现金各种电子实验设计应用中必不可少的仪器设备之一，函数信号发生器可以用分立元件组成，通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不以调试。

也可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。

早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300KHZ，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。

还可利用单片集成芯片的函数发生器：

能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。

可以达到更高的技术指标。

目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。

在电子工程、通信工程、自动化控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。

随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构造成各种各样信号波形发生器。

用集成电路实现的波形发生器与其他信号波形发生器比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。

为进一步掌握电路的基本理论和实际调试技术，本课题将介绍集成芯片555与电容及电阻组成的方波——三角波——正弦波函数转换器的设计方法

第一章设计内容及要求

一、基本要求：

设计制作一个产生正弦波——方波——三角波函数转换器

二、设计任务:

1）输入波形频率范围为0.02Hz~20KHz且连续可调。

2）正弦波幅值为±2V。

3）方波幅值为±2V。

4）三角波峰峰值为2V，占空比可调。

5）设计电路所需的直流电源可用实验室电源。

第二章设计原理及方案

2.1方案一：

采用传统的直流频率合成器。

这种方法能实现快速频率变换，且具有低相位噪声以及所有方法中最高的倍频分频混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂体积庞大成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。

2.2方案二：

采用555集成芯片，外接部分电容及电阻，用调节电位器来调节整个装置的频率及满足实验要求的可调频率，调节555芯片接入的电压值来调节各波形的幅值，可使方波占空比可调。

2.3方案三：

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波转变成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波——方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。

本课题采用先产生方波——三角波，再将三角波变换成正弦波变换成正弦波的电路设计方法，由比较器和积分器组成方波——三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等有势。

特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

波形变幻的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

由于555芯片成本低，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与波形变换电路。

所以选择方案二。

第三章系统组成及工作原理

3.1系统的组成

本系统主要是有一个IC555芯片引导组成的。

555是一种集模拟，数字于一体的中规模集成电路。

它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测。

555成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用与仪器仪表、家用电器、电子测量及自动化控制等方面

如图3.1所示，下面是IC555的个个引脚的作用：

（TR）为低电平触发端。

该端输入电压高于1/3Uoc时，比较器C2输出为“1”，当输入电压低于1/3Uoc时，比较器C2输出为“0”。

（Uo）为输出端。

输出为“1”时的电压比电源电压Uo低2V左右。

输出最大电流为200mA.

（Ro）为复位端。

在此端输入负脉冲（“0”电平，低于0.7V）可使触发器直接置“0”，正常工作时，应将它接“1”（接+Uoc）。

（CO）为电压控制端。

静态时，此端电位为2/3Uoc。

若在此端外加直流电压，可改变分压器各点点位置，在没有其他外部连线时，应当在该端与地之间接入0.01uF的电容，一方干扰引入比较器C1的同向端。

（D）为放电端，当输出Uo="0"即触发器Q=1时，放电晶体管T导通，相当7端对地短接。

当Uo为“1”，即Q=0，T截止，7端与地隔离。

和

分别为电源段和接地段。

CMOS555集成定时器的电源电压在4.5V~12V内使用

3.2工作原理

555电路在应用和工作方式上一般可归纳为3类。

每类工作方式又有很多个不同的电路。

在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可以组合很多不同的电路。

如：

多个单稳，多个双稳，单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。

这样一来，电路变得更加复杂。

为了便于我们分析和识别电路，更好地理解555电路，这里我们这里按555电路的结构特点进行分类和归纳，把555电路分成3大类、8种、共18个单元电路。

本设计课题用到的是无稳类电路及无稳工作方式。

无稳电路就是多谐振电路，是555电路中应用最广的一类。

第三、四个单元电路都是占空比可调的脉冲振荡电路，功能相同而电路结构略有不同，因此分别以3·1·3a和3·2·3b的代号。

第四章单元电路设计、电路图、仿真图及参数计算

4.1单元电路设计：

设计流程图

555集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做555定时器或555时基电路。

但后来经过开发，它除了定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。

此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。

由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体，它的工作状态有三类，对于单稳类电路，单稳工作方式，它可分为3种。

见图示。

第一种（图4.1.1）是人工启动单稳，有因为定时电阻电阻定时电容位置不同而分为2个不同的单元，并分别以1·1·1和1·1·2为代号。

他们的输入端的形式，也就是电路的结构特点是：

“RT-6.2-CT”和“CT-6.2-RT”。

第二种（图4.1.2）是脉冲启动型单稳，也可以分为2个不同的单元。

他们的输入特点都是“RT-7.6-CT”，都是从2端输入。

1·2·1电路的2端不带任何元件，具有最简单的形式；1·2·2电路则带有一个RC微分电路。

第三种（图4.1.3）是压控振荡器。

单稳型压控振荡器电路有很多，都比较复杂。

为简单起见，我们只把它分为2个不同单元。

不带任何辅助器件的电路为1·3·1；使用晶体管、运放放大器等辅助器件的电路为1·3·2.图中列出了2个常用电路。

图4.2电路设计总图

4.2电路图

4.3仿真图

图4.3.1产生方波

图4.3.2产生三角波

图4.3.3产生正弦波

图4.3.4三个波经行比较

图4.3.5电路仿真

4.4参数设计

F与C成正比，若要得到1Hz~10Hz，C2，C3为10nF.

因为F=0.02Hz~20KHz，C1为100uF.

则R1=7.5KΩ~75KΩ，则R1=5.1KΩ

由于输出的三角形幅值与输出方波的幅值要为2V，有R4=R5=R6=10KΩ

根据方波的上升时间为两毫秒，查询运放的速度，可以选择74141型号的运放.

为了使输出波形频率在规定范围内，R3和RP的阻值应在10KΩ到100KΩ之间，且要保持小于3：

1的关系.所以将R3设为62KΩ，而电位器的最大阻值设为20KΩ.

整流电路：

输出电压平均值UO（AV）和输出电流的平均值IO（AV）

脉动系数：

二极管的选择：

每只二极管只在变压器副边电压的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半。

二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压。

对于二极管最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应留10%的余地，以保证二极管安全工作。

第五章电路的焊接与测试

5.1电路的安装：

1.需进行整体布局的构思，使元器件分布合理、整体上更加美观；

2.先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等等；

3.布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；

4.最好分模块安装。

此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温，电烙铁不能停留太久。

5.2电路的调试：

1.在仔细检查安装好的电路，确定元件与导线连接无误后，然后接通直流电压为6V的电源，观察LED工作指示灯是否亮起，若不亮，则需要检查电路。

2.将示波器的检测端接在信号输出端，调节频率旋钮和Y位移旋钮，观察示波器上是否有清晰的信号。

3.待示波器出现较良好信号时，这时要调节电位器RP。

随着调到大概RP达到4K~7K时，就会出现需要的波形。

4.出现波形后，要适当调节示波器的频率档和幅值档档，让波形的幅值先尽量接近要求的幅值。

待调好后，再调节电位器RP的组织。

再一步接近课设所要求的幅值。

5.3焊接与调试分析：

1.电路板焊接时，排版没排好，有许多交叉线，这样会使低频干扰很大，导致波形失真严重。

2.发现在焊接IC555时，难度比其他种类的芯片要大。

因为其管脚功能比较复杂，且铺线与设计意图很难找到平衡点，所以耗费时间很多。

3.在调试的时候，重点在于调试电位器。

正弦波和三角波的出现频率值要依靠用电位器调出方波来定位。

一开始去测正弦波和三角波很难调出，几乎都是一条直线。

但是将示波器的探针接触方波的输出端，很快就有了反应（虽然失真很厉害）。

可以先调节示波器的频率档，使方波变得较为清楚。

然后再调节电位器，调到适合位置，使波形在示波器里更加清晰。

完成这一步骤后，再去测三角波和正弦波，就能测得到。

为观察幅值方便和使图形稳定，要适当调节幅值档和频率档。

4.如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。

但是这种电路存在波形质量较差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。

由于实验结果和实验要求不是非常相符，发现可选择更正确的设计方案，即选择LM324，由于比较器和积分器组成方波——三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要是由差分放大器来完成。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。

特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放互相独立。

运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反向输入端，表示输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同向输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中如图5.3.1。

利用集成电路LM324设计并实现所需技术参数的各种波形发生电路。

根据RC充放电回路和滞回比较器可产生方波，而方波在继续经过基本积分电路可产生三角波，三角波再继续通过二阶低通滤波变正弦波，如图5.3.2。

图5.3.1

图5.3.2

第六章结论

本次课程设计采用IC555集成芯片，并用外界电容电阻来产生正弦波转换成方波、在转换成三角波。

设计者使用IC555芯片产生波形通过电容形成方波，接着经过两个电阻分别出现三角波和正弦波，最后用在示波器上得出了三个波形的波形图。

当然，设计者也发现了比原计划出更好波形的方法，学到了触类旁通，举一反三的科学方法。

通过实验确认了设计者的方案可以发生三角波，方波以及正弦波。

学会了低频电子线路的一般设计方法，锻炼了综合应用所学知识来指导实践的能力，掌握最常用器件的识别、使用和测试，更加熟悉常用仪表，深刻理解了电路调试的基本方法。

第七章设计心得与体会

1通过这次课程设计，加强了动手、思考和解决问题的能力。

在整个设计过程中，通过这个方案包括设计了一套电路原理和其他类型的各种电路原理。

通过对它们的比较和认识，找到了简单、正确的方法。

2通过对电路条件的限制，要求能更深地理解各种器件的原理及使用规则，对具体的情况做到正确的判断，提高了我们对书本知识的掌握，也把我们从理论水平提高到实践水平。

3我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

4在对各种方案经行排查时，我们才了解到我们现在的知识水平还是很有限，需要我们自己拓展，要多看一些关于其他类型的不同的见解。

5由于对555电路相关章节未能掌握以致用到秒脉冲产生电路无法自行设计，只得参考其他文献，在Multisim中试行操作，逐步摸索。

彻悟学海无涯只有苦作舟，学无境只有书来伴。

6从理论到实践，在差不多两周的日子里，可以说是苦多于甜，失败了很多次。

但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没学到过的知识。

通过这次课设使我懂得了理论与实际相结合是极其重要的，从理论得出结论才能真正为社会服务从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

参考文献

【1】康光华《电子技术基础*数字部分》第五版

【2】彭介华《电子技术课程设计指导》高等教育出版社

【3】徐晓夏《模拟电子技术基础》清华大学出版社

【4】《电子器件》2009年第32卷第3期中国科技核心期刊

【5】《电子制作》2009年第5期北京鑫嘉智科技中心

附录一芯片管脚功能图

IC555管脚图

LM324管脚图

附录二元器件清单

元件清单表

主要元件参数

规格

发光二极管

5mm

集成电路

IC555

电阻

1.3个10K

2.1个1K

3.1个62K

4.1个510Ω

电位器

1个20K

电解电容

1.1个100微法

2.1个10微法

电容

1.1个10微法

2.1个0.47微法

3.2个0.01微法

4.2个0.1微法

附录三总设计图