三角波方波发生器课程设计.docx

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三角波方波发生器课程设计

电子技术课程设计论文

三角波方波发生

目录

第一章绪论···················（3）

第二章系统总体方案设计··········（5）

2.1设计要求··················（5）

2.2方案论证与选择············（5）

第三章硬件设计··················（6）

3.1电路的工作原理············（6）

3.2电路的安装测试············（9）

3.3电路参数的计算············（11）

3.4元件清单··················（12）

3.5仿真与调试················（12）

第四章软件设计··················（16）

4.1寻找故障的方法···········（16）

4.2注意事项·················（16）

第五章总结与展望·············（17）

附录：

···························

原理图··························（19）

参考文献························（19）

第一章绪论

信号发生器是指能产生某些特定的周期性时间函数波形信号（如正弦波、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。

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测量领域的发生器。

脉冲信号发生器是指能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。

在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。

能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

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。

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。

在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。

函数信号发生器的实现方法通常有以下几种：

（1）用分立元件组成的函数发生器：

通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。

（2）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。

（3）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。

鉴于此，美国美信公司开发了新一代函数信号发生器ICMAX038，它克服了

（2）中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。

MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。

在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。

（4）利用专用直接数字合成ＤＤＳ芯片的函数发生器：

能产生任意波形并达到很高的频率。

但成本较高。

产生所需参数的电测试信号仪器。

按其信号波形分为四大类：

①正弦信号发生器。

主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。

按其不同性能和用途还可细分为低频（20赫至10兆赫）信号发生器、高频（100千赫至300兆赫）信号发生器、微波信号发生器、扫频和程控信号发生器、频率合成式信号发生器等。

②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。

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测量领域。

③脉冲信号发生器。

能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。

④随机信号发生器。

通常又分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。

噪声信号发生器主要用途为：

在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统性能；外加一个已知噪声信号与系统内部噪声比较以测定噪声系数；用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测定系统动态特性等。

当用噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，会出现统计性误差，可用伪随机信号来解决。

第二章方波三角波发生器电路设计

2.1设计要求

（1）根据技术指标要求及实验室条件自选方案设计出原理电路图，分析工作原理，计算元件参数。

（2）列出所用元，器件清单报实验室设备。

（3）安装调试所设计的电路，使之达到设计要求。

（4）记录实验结果。

2.2方案论证与选择

方案一∶采用传统的直接频率合成器。

这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。

但由于采用大量的倍频、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。

方案二：

采用电压比较器和积分器同时产生方波和三角波。

其中电压比较器产生方波，对其输出波形进行一次积分产生三角波。

该电路的特点是：

1、线性良好，稳定性好；

2、频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便的连续的改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变；

3、三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。

因此本实验采用电压比较器和积分器同时产生方波和三角波的方案

第三章硬件设计

3.1电路的工作原理

本次波形发生器设计要求产生方波和三角波，矩形波发生电路是其它非正弦发生电路的基础，当方波电压加在积分运算电路的输入端是，输出就获得三角波电压。

而矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。

矩形发生器电路，它由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，如图中实线所示。

反相输入端电位Un随时间t增长而逐渐升高，当t趋近于无穷是，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut，再稍增大，Uo就从+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，或者说放电。

反相输入端电位完整电路图Un随时间t增长而逐渐降低，当t趋近于无穷时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut，再稍减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，与此同时Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正向充电。

上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

在方波发生电路中，当滞回比较器的阈值电压数值比较小时，可将电容两端的电压看成为近似三角波。

但是，一方面这个三角波的线性度较差，另一方面带负载后将使电路的性能产生变化。

实际上，只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算的输出就得到三角波电压。

迟滞比较器的工作原理

迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。

前面介绍的单限比较器，如果输入信号Uin在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动（起伏）。

在电路中引入正反馈可以克服这一缺点。

      图1a给出了一个迟滞比较器，人们所熟悉的“史密特”电路即是有迟滞的比较器。

图1b为迟滞比较器的传输特性。

迟滞比较器图1a传输特性图1b

不难看出，当输出状态一旦转换后，只要在跳变电压值附近的干扰不超过ΔU之值，输出电压的值就将是稳定的。

但随之而来的是分辨率降低。

因为对迟滞比较器来说，它不能分辨差别小于ΔU的两个输入电压值。

迟滞比较器加有正反馈可以加快比较器的响应速度，这是它的一个优点。

除此之外，由于迟滞比较器加的正反馈很强，远比电路中的寄生耦合强得多，故迟滞比较器还可免除由于电路寄生耦合而产生的自激振荡。

如果需要将一个跳变点固定在某一个参考电压值上，可在正反馈电路中接入一个非线性元件，如晶体二极管，利用二极管的单向导电性，便可实现上述要求。

图2为其原理图。

集成2.3.2元件uA741的内部结构图

方波三角波信号发生器原理图

3.2路的安装与测试

接好全部连线后，应对照电路图仔细复查一遍。

检查晶体管或集成块的引脚是否插对，是否有漏线和错线，然后用万用表的“Ω×10”档检查电源与地线之间的电阻值，排除电源与地线之间的开路或短路现象。

1集成电路的安装

为防止集成电路芯片受损，在插入和拔出芯片时要非常细心。

插入时应使器件的方向一致，缺口朝左，使所有引脚均对准插座板上的小孔，均匀用力按下；拔出时，必须用专用拔钳，夹住集成块两端，垂直向上拔起，或用小起子对撬，以免使其引脚因受力不匀而弯曲或断裂。

2正确合理布线

2．1导线的选择

一般应选用直径为Ф0．5～0．8mm的单股导线，长度适中，两端绝缘皮剥去5～10mm，并剪成45°角。

2．2正确合理布线

在电子电路中，由于布线错误而引起的故障占有很大比例。

为避免或减少故障，要求布线合理和准确。

（1）元器件和连线要排列整齐，一般按电路顺序直线排列，输入与输出线要远离。

在高频电路中，导线不要平行，以防止寄生耦合引起电路自激。

元器件插脚和连线要尽量短而直，以防止分布参数影响电路性能。

（2）布线时要注意在器件周围走线，不允许导线在集成块上方跨过，以免妨碍排除故障或调换器件。

（3）为使布线整洁和便于检查，电路中不同功能的导线应尽量采用不同的颜色，如电源线用红色，接地线用黑色等等。

（4）布线的顺序是先布电源线和地线，再布固定使用的规划线（如固定接地线或接高电平、或接时钟脉冲的连线等），最后再逐级连接控制线及各种逻辑线。

必要时可以边接线边测试，逐级进行。

走线应尽可能少遮盖其它插孔，以免影响其它导线的插入。

3电路调试和故障的检查与排除

3．1认真仔细复查

接好全部连线后，应对照电路图仔细复查一遍。

检查晶体管或集成块的引脚是否插对，是否有漏线和错线，然后用万用表的“Ω×10”档检查电源与地线之间的电阻值，排除电源与地线之间的开路或短路现象。

3．2通电检查

（1）直接观察：

上述检查无误后给电路通电，然后用手触模元器件，检查有无异常发热现象、有无异味等。

（2）测量参数：

用万用表测量电路的电源Ucc和地两脚之间的电压，测量晶体管的工作点是否符合要求等。

（3）采用动态逐级跟踪法：

在电路输入端加人一个有规律的信号，按信号流程用示波器依次检查各级波形，看是否有故障直至找到为止。

对于脉冲数字电路，还可用发光二极管来逐级显示其输入、输出脉冲信号。

（4）采用替换法：

不改变电路的接线，通过更换一些元器件来发现故障。

（5）消除电路存在的不良影响：

注意消除TTL电路存在电源电流尖峰的影响，防止集成电路产生误触发（可加滤波电容）等。

（6）电路工作频率较高时，应采取如下措施：

①减小电源内阻，扩大地线面积或采用接地板，使电源线与地线夹在相邻的输入线和输出线之间，起屏蔽作用。

②各输入、输出线，交、直流引线不能混杂，并尽量使输入、输出线远离时钟脉冲线。

③缩短引线长度。

（7）调试大型综合电子电路，可按功能将其划分为几个独立的子单元，逐一布线进行调试，然后将各单元连接起来统调，这样成功的把握性更大

3.3电路参数的计算

迟滞比较器的输出vo与输入vi不成线性关系，输出电压的转换临界条件是门限电压vp（同相输入端的电压）≈vn（反相输入端的电压）=vi（参考基准电压）

vp=vn=[（r1×vref）/（r1+r2）]+[（r2×vo）/（r1+r2）]     （公式-1）根据输出电压vo的不同值（voh或vol）可以分别求出上门限电压vt+和下门限电压vt-分别为：

vt+={[1+（r1/r2）]×vref}-[（r1/r2）×vol]       

vt-={[1+（r1/r2）]×vref}-[（r1/r2）×voh]        

那么门限宽度为：

δvt=（r1/r2）×（voh-vol）  

方波

周期、频率计算：

T=2RCln（1+2R1/R2）f=1/T

幅值：

3.4元件清单 

双路直流稳压电源2台

LED多功能示波器1台

数字万用表1只

运算放大器LM7412片

双稳压二级管2只

电阻若干只

电容10uF 1只

发光二极管2只

导线若干只

面包板，镊子，钳子

3.5仿真与调试

按照原理图,在EWB中做好电路图。

仔细检查电路图是否有错误。

在确定没有错误的情况下,将EWB中的仿真器材示波器拖出来,将示波器接到输出方波和三角波的端口Vo1和Vo2。

将电路调到运行状态。

观察示波器中输出的波形。

调整示波器的X和Y增益,比较波形的失真情况

完成实物图，然后使用双踪示波器测量验证，观察输出波形、幅值、频率参数是否符合要求，并记录数据

仿真调试输出波形

图3.4.1方波Vo1输出波形

图3.4.2三角波Vo2输出波形

图3.4.3输入为三角波时滞回电压比较器的输出波形

图3.4.4方波——三角波发生器的输出波形

经过多次调试后，会出现完整的波形图

经过分析知道,方波的波形开始时有少量失真,随着电路的逐渐稳定,失真基本上完全消除。

并且方波输出的幅值为14。

2V,基本上符合设计要求

三角波的波形只有少量失真,其他符合要求

由于所有信号产生的频率都与方波和三角波产生模块所设置的频率一致，故所有产生的波信的频率都可以有所保证。

此电路设计，符合设计要求。

第四章软件设计

4.1寻找故障的方法

在一般情况下，寻找故障的常规做法是：

⑴先用直接观察法，排除明显的故障。

例如，有一些元器件没有插牢，还有一些导线之间有短路的现象。

⑵再用万用表（或示波器）检查静态工作点。

⑶信号寻迹法是对各种电路普遍适用而且简单直观的方法，在动态调试中广为应用。

应当指出，对于反馈环内的故障诊断是比较困难的，在这个闭环回路中，只要有一个元器件（或功能块）出故障，则往往整个回路中处处都存在故障现象。

寻找故障的方法是先把反馈回路断开，使系统成为一个开环系统，然后再接入一适当的输入信号，利用信号寻迹法逐一寻找发生故障的元、器件（或功能块）。

4.2注意事项

1．接线前用数字多用表测量电阻、电容参数，并作好记录。

2．观察振荡波形时，注意两个输出电压的相位关系。

3.运算放大器的电源线、地线切勿接错，否则容易损坏集成片。

4．运算放大器LM324/LM348的封装图与技术参数请预习有关附录

第五章总结与展望

本学期我们开设了《模拟电子技术基础》课，这门学科属于电子电路范畴，与我们的专业有联系，是理论方面的指示。

正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。

”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在本学期电路分析学完之际，紧接着来一次电子电路课程设计是很及时、很必要的。

这样不仅能加深我们对电子电路的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。

老师说实践的目的不仅仅是要学会如何去连一个电路，更主要的是要我们学会如何自己动手解决生活中出现的问题，这样我们才能在以后的生活中根据实际问题去想出解决的方法，而且，电路的设计不仅要合理，简便，也需要美观整洁。

连的每一条线都不能有多余的部分，而且线条要明朗，要整齐，不能弯曲。

这对我们这些初次接触这些东西的人来说，是一件并不简单的事。

通过平时上课学到的有关集成电路的一些知识运用和有关书籍的查找我们经过研究和探讨后把电路设计出来。

可是电路虽然比较好接，谁知道后面的却是困难重重啊！

我们只用了两个小时就把电路做完了，大家都看到了希望，觉得我们离成功进了，可是谁知道第一次调试的时候会出现这么多问题，看到大家的电路连的那么美观，而且那么准确，很多组很快就调试完成了，而我们四个却只是在那想究竟差什么呢？

我们怎么就还不成功呢？

一组组的同学都成功了，他们脸上充满了笑容，甚至有的组开始尝试新的连接方式，而我们还是发光二极管只是量却不能达到一闪一闪的效果。

我们一次次的调试都宣告失败，于是我们决定重新接一次，当我们把最后一根线连上的时候，心里想的就是“一定要成功啊！

！

”可是最后的结果却是还是没有变化，这如同给我们心里泼了一盆冷水啊！

！

这是多么难过啊，我们每个人反复的检查电路的连接，反复用万用表检测，可是就是不知道什么原因。

时间也随着一点点的流逝，到了晚上我们却也没有心思吃饭，回到宿舍仍然是继续研究，六点，七点，八点...我们把能想到都试了，也在吸取别人的建议，正当这时我们突然闪现一个想法，我们的运算放大器到现在一直就是摆在那个位置，它会不会有问题呢？

我们抱着最后的希望尝试了一下，当正电接通的时候发现两个灯都凉了，我们似乎看到了希望，第二个连的时候居然成功了！

！

这真的是让我们兴奋死了，让我们感到真的是兴奋难以言表，我们深深的松了一口气！

通过这次课程设计使我懂得了生活实践与课堂理论的区别。

我们在课堂上学习的知识就是为了去解决生活中的实际问题。

这学期我们开设了电路实验课，这极大的锻炼了我们的动手能力，但是这与生活还是有很大的不同，生活中的问题需要我们考虑生活实际才能解决。

附录：

原理图：

参考文献：

[1]清华大学电子学教研组编.阎石主编.《数字电子技术基础》（第四版）.北京.高等教育出版社.1998

[2]东北大学秦皇岛分校实验室编.《数字电路EDA仿真实验指导书》.秦皇岛.东北大学秦皇岛分校.2003年

[3]华中科技大学电子技术课程组编.康华光主编.《电子技术基础－模拟部分》（第五版）北京.高等教育出版社.2006

[4]曾兴雯,刘乃安,陈健编.《高频电路原理与分析》（第三版）.西安.西安电子科技大学出版社.2002

[5]邱关源主编.《电路》（第四版）.北京.高等教育出版社.1999