函数信号发生器课程设计2.docx
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函数信号发生器课程设计2
长安大学
电子技术课程设计
课题名称函数信号发生器
班级__******____
姓名***
指导教师***
日期12月27日—1月5日
前言
本次电子技术课程设计是指通过所学知识并扩展相关知识面，设计出任务所
要求功能的电路，利用计算机辅助设计的电路仿真，检测并调整电路，设计功能完整的电路图。
我们所选择的课设题目是函数信号发生器。
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。
电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。
在资料收集后，将设计过程分为三部分：
一是系统模块设计，设计电路的系统思想，设计出能满足电路功能的各个模块，画出系统的框图。
二是针对各个模块分别设计电路的各个具体模块的具体电路，并且分别进行仿真和改进。
三是将所有的模块综合在一起，画出系统总图，并用multisim软件进行仿真，针对仿真过程中出现的一些问题仔细检查，对比各个方案的优点和缺点，选出最佳的方案，修改不完善的部分。
最后，对此次课程设计进行总结，反思自己在各个方面的不足，对设计方案中的各个思想进行归纳总结，比较各种方案的优缺点，总结每种设计方案的应用领域和使用范围，为以后得学习实践提供经验。
最终提高我们的学习和动手能力。
前言……………………………………………………………………………2
摘要……………………………………………………………………………4
第一章数信号发生器系统概述……………………………………………5
1.1总体设计方案论证及选择…………………………………………5
1.2函数信号发生器总体方案框图……………………………………5
第二章单元电路设计分析…………………………………………………6
2.1信号发电路设计框图………………………………………………6
2.2方波发生电路………………………………………………………7
2.3方波——三角波转换电路…………………………………………8
2.4三角波——正弦波转换电路………………………………………9
2.5.5数字显示输出信号频率和电压幅值……………………………11
第三章电路的安装与调试…………………………………………………15
3.1方波产生的结果…………………………………………………15
3.2方波转换为三角波的结果………………………………………15
3.3三角波转换为正弦波的结果………………………………………16
3.4数字显示频率和幅值的结果………………………………………16
第四章结束语………………………………………………………………17
参考文献……………………………………………………………………17
附录一器件清单列表………………………………………………………18
附录二总体设计图………………………………………………………18
收获及体会……………………………………………………………………19
鸣谢……………………………………………………………………………20
函数信号发生器
摘要：
本实验中的信号发生器是根据555定时器构成多谐振荡器的原理来输出持续稳定的方波，再通过转换电路来实现波形变化。
通过对信号发生器设计掌握555多谐振荡器产生占空比为1/2的方波，频率和振幅的调节；掌握电路转换的原理和实际电路图，如方波转换为三角波可通过简单积分电路或者通过带有放大器的积分电路来实现；三角波转换为正弦波可通过低通滤波器来实现，也可通过差分放大器的非线性来实现，或者通过折现法实现。
本课题要求输出波形应有：
方波、三角形、正弦波。
要完成此方案的方法有许多，既可以使用分立元件（如低频信号发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片集成电路函数信号发生器ICL8038）。
本课题决定采用555定时器构成多谐振荡器产生方波，通过积分产生三角波，再通过低通滤波产生正弦波。
设计中多用到数电和模电中的知识，以充分复习和应用自己已经学过的知识。
关键字：
函数发生器多谐振荡器积分电路低通滤波峰值检波
设计要求：
1.信号频率范围1HZ～100kHZ；
2.输出波形应有：
方波、三角形、正弦波；
3.输出信号幅值范围0～10V；
4.具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能。
♦第一章、函数信号发生器系统概述
♦1.1总体设计方案论证及选择：
方案一：
通过RC震荡电路产生正弦波，然后经过过零比较器，产生三角波，在通过积分电路产生方波。
其中，RC震荡电路为RC桥式正弦振荡电路，然后通过放大器构成过零比较器来实现方波的转换，在通过反向积分电路来实现方波到三角波的转化。
方案二：
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。
方案三：
可以按照方波——三角波——正弦波的顺序来设计电路，其中，方波可以通过模电中的方波发生电路来产生，也可以通过数电中的555多谐振荡电路来产生，方波到三角波为积分的过程，三角波到正弦波可以通过低通滤波来实现，也可以利用差分放大器的传输非线性来实现或者通过折现法来实现。
可行性分析：
纵观以上N种方案，对比如下，本着自己动手的观念，首先排除第二种用集成芯片的方法，因为这种方法对设计的要求太低；其次分析方案一可得其RC桥式正弦震荡电路的占空比受R和C共同影响，调节频率时需要调节的元器件参数太多，比较繁琐，并且此震荡电路的频率也不是很好的满足设计的要求。
所以综上所述，选择方案三来实现本次的课程设计：
555多谐振荡器的频率很好计算和调节，并且输出的波形比较准确；波到三角波的转化可通过简单RC积分电路来实现；角波到正弦波可通过简单RC低通滤波器来实现也可通过折现法或者差分法来实现。
分析方案得：
各个不分的实现有多种办法，但也许理论上比较好的方法在实践中由于环境的种种原因可能并不是最好的，所以最终的方案的细节有待在试验仿真中作进一步的确定。
♦1.2函数信号发生器总体方案框图
♦第二章、单元电路设计与分析
♦2.1信号发电路设计框图
2.2方波发生电路
2．2．1方案选择
方案一：
占空比可调的矩形波放声电路（模电知识，通过比较器和积分电路来现）。
方案二：
改进型555多谐振荡器电路（数电知识，利用555定时器和积分电路来实现）。
对比如上两个方案，方案一的频率性较差，并且输出电压受到稳压二极管的影响，输出电压幅值不能改变；而方案二频率调节理与方案一很是相似，但是方案二的频率表达式比较简洁，容易计算，而且方案二的输出电压幅值的改变可通过对555定时器的供电的改变来实现，对于占空比，已对原始的多谐振荡器做了些许改动，能达到1/2的要求。
综上，选择方案二。
555定时器的工作原理：
555定时器是一种功能强大的模拟数字混合集成电路，其组成电路框图如图22.32所示。
555定时器有二个比较器A1和A2，有一个RS触发器，R和S高电平有效。
三极管VT1对清零起跟随作用，起缓冲作用。
三极管VT2是放电管，将对外电路的元件提供放电通路。
比较器的输入端有一个由三个5kW电阻组成的分压器，由此可以获得和两个分压值，一般称为阈值。
555定时器的1脚是接地端GND，2脚是低触发端TL，3脚是输出端OUT，4脚是清除端Rd，5脚是电压控制端CV，6脚是高触发端TH，7脚是放电端DIS，8脚是电源端VCC。
参数计算：
改进型多谐振荡电路主要改进了电容充电和放电的回路，使得回路的时间常数相同即可，再此引入二极管来分开充电和放电回路。
高电平，充电时间T1=（R3+R5）Cln2=0.7（R3+R5）C1；
低电平，放电时间T2=（R2+R5）Cln2=0.7（R2+R5）C1；
占空比q=T1/（T1+T2）=（R3+R5）/（R2+R5）=0.5即要求R3=R2；
所以方波周期T=T1+T2=0.7（（R3+R2+2R5）C1）；
振荡频率f=1/T=1.44/（（R3+R2+2R5）C1）；
经过计算，选取C1为200nF，R3=R2=10欧姆。
当R5最大时，频率即为1HZ（根据仿真结果），此时
f=1=1.44/（（10+10+2R5）*200*10E（-9））取R5=1M欧姆即可；
f=100k=1.44/（（10+10+2R5）*200*10E（-9））取R5=0时，f>100k；
综上，取R5=1M欧姆即可满足频率范围的要求。
♦2.3方波——三角波转换电路原理图
由积分电路构成方波—三角波产生电路，方波经反向积分电路积得到三角波。
方案一：
简单的积分电路（由电阻和电容构成）。
方案二：
带有放大器的积分电路（由放大器和电阻电容构成）。
对比如上两个方案，在方波的频率改变的情况下，都需改变充电电容，因为方波频率变大时，要求积分时间短，即电容的容量要小，以达到快速充电的要求，否则波形失真；当方波频率变小时，要求积分时间要长，这时增大电容的容量，否则将产生梯形式的方波。
两个方案相对没有理论上的优劣，现选择方案一。
原理：
输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。
电路结构如图，积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。
电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理，这里要提的是电路的时间常数R*C，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。
RC积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路。
在自动控制系统中，常用积分电路作为调节环节。
此外，RC积分电路还可以用于延时、定时以及各种波形的产生或变换。
本课题采用RC积分电路来产生三角波。
此部分的参数不需要具体的计算，可以在仿真实验中具体的连续调节，来找到最合适的电容大小。
总之频率变大，调节电容变小；频率变小，调节电容变大即可。
♦2.4三角波——正弦波转换电路原理图
方案选择：
方案一：
低通滤波电路（通过简单ＲＣ电路来实现）。
方案二：
利用差分放大电路的传输曲线（差分放大器的非线性传输曲线）。
方案三：
通过折线法来实现。
对比如上方案：
方案一利用低通滤波器将三角波变换成正弦波，将三角波按傅里叶级数展开
其中Um是三角波的幅值。
根据上式可知，低通滤波器的通带截止频率应大于三角波的基波频率且小于三角波的三次谐波频率。
当然，也可以利用带通滤波器实现上述变换；
方案二利用差分放大器的非线性传输曲线来实现，具体原理如下图所示：
方案三的电路连接比较复杂，而且需要的元器件也比较多，调试也比较不方便。
综上所述，及根据试验的结果来看，方案二和方案三的结果波形并不理想，而且调节繁琐，故选择方案一来实现三角波到正弦波的转换。
♦2.5数字显示输出信号频率和电压幅值
2.5.1基于OP37的峰值检波系统
调幅波的解调即是从调幅信号中取出调制信号的过程，通常称为检波。
调幅波解调方法有二极管包络检波器、同步检波器。
不论哪种振幅调制信号，都可采用相乘器和低通滤波器组成的同步检波电路进行解调。
但是对于普通调幅信号来说，它的载波分量被抑制掉，可以直接利用非线性器件实现相乘作用，得到所需的解调电压，而不必另加同步信号，通常将这种振幅检波器称为包络检波器。
目前应用最广的是二极管包络检波器，而在集成电路中，主要采用三极管射极包络检波器。
同步检波，又称相干检波，主要用来解调双边带和单边带调制信号，它有两种实现电路。
一种由相乘器和低通滤波器组成，另一种直接采用二极管包络检波。
本次课设采用OP37来进行峰值检波。
♦2.5.2数码管显示电压
AD转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。
逐次比较型（如TLC0831）
逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。
其电路规模属于中等。
其优点是速度较高、功耗低。
♦2.5.3对于频率计测频率的方案如下：
方案一：
利用做课程设计三题同学的设计电路，完成本次频率设计的要求。
方案二：
利用VHDL设计频率计并用quartusII进行仿真。
本要求并不是此题目的重点，选择方案一相对省时省力，故我们选择方案一。
♦第三章电路的安装与调试
♦3.1方波产生的结果
（555定时器构成多谐振荡器产生的方波）
♦3.2方波转换为三角波的结果
（积分电路产生的三角波）
♦3.3三角波转换为正弦波的结果
（二阶低通滤波器产生的正弦波）
♦3.4数字显示频率和幅值的结果
♦第四章结束语
函数信号发生器是本次课程设计的较难的一个题目，经过十天的团队合作，我们勉强完成了本课题所需要求。
本设计最大的特色就是信号发生流程相对简单明了，易于理解。
但是，它的难度：
电路对各元件的参数选择要求比较高，调整波形相对而言不方便。
这些问题仅是受我们自身条件的限制，以及时间有限，还没能完美解决。
直接数字频率合成器也就是DDS却可以很好解决这个问题。
在过程中尝试了一下，从理论到实际操作，虽然还有一段距离，但是，可以肯定，这是一个很不错的解决方法。
♦参考文献
1林涛•《数字电子技术基础》•清华大学出版社•2006年6月•（ISBN978-7-302-12064-3）
2林涛•《模拟电子技术基础》•重庆大学出版社•2004年12月•（ISBN7-5623-2831-X/TN•70）
3黄志伟•全国大学生电子设计竞赛•北京航天航空大学出版社•2007年2月（ISBN978-7-81077-983-8）
4赵文博•新型常用集成电路速查手册•人民邮电出版社•2006年1月（ISBN7-115-13821-4/TN•2578）
5王伊娜•Multisim8•国防工业出版社•2006年6月•（IBSN7-11804542-X）
6.杨刚周群电子系统设计与实践2005年1月
电子工业出版社（ISBN7-5053-9593-9）
7.谢自美电子线路设计，实验，测试2006年8月
♦元件清单列表
序号
名称
型号参数
数量
备注
1
555定时器
LM555CN
1
2
电阻
——
若干
3
电容
——
若干
4
运算放大器
OP37CH
1
5
运算放大器
LM324AD
7
6
二极管
1N4248GP
2
7
二极管
BAW62
1
8
数码管
DCD_HEX
5
9
集成芯片
74LS140D
1
10
稳压电源
——
若干
♦总体框图：
（波形发生器）
（显示模块）
♦收获及体会
课程设计已悄然走到了尾声，回顾此次课设，感慨颇多。
的确，从选题到定稿，从理论到实际，在这短短的日子里，可以说是苦多于乐。
但是，通过自己动手，学到了许多，不仅巩固了以前很学的，也同时扩展了相关的知识面。
我们拿到课题，想利用555定时器解决波形输出，从各方面来看，利用数模电的思想完成此的设计，颇具优势。
然而，我们在设计和仿真过程中遇到许多困难，包括仿真元件的缺失，对于元件参数的不了解，导致无法选型，面对这些困难，我们查阅了相当多的资料，包括查阅了些许元件的datasheet。
我们做电子课程设计，最重要是在自己已接触的知识的基础上扩展，巩固所学，从而创新！
我们使用单片机既不得心应手，反而还失去了这次课程的意义。
在我们集体认识课程设计的重要思想后，我们决定用数模电的思路，利用555定时器和其他基本元器件组成合适电路在电路的设计过程中，三角波转换为正弦振荡电路是其中比较有难度的一部分。
第一次做，难免困难重重，主要是模电知识点的应用不灵活，到实际中，无法确定具体元件的参数，具体的计算到实际电路中显得无从下手，实际电路图较原理图更加的不好理解，这是自己的缺点，在以后要重点练习弥补。
最后，我感觉通过具体的实践，自己动手，深刻感知了实践的重要性，明白了理解和应用还是有所不同的，我们应该朝着更高的要求即灵活的应用去努力。
鸣谢
感谢杨兆辉老师，邓秋霞老师的悉心指导，老师渊博的知识、严谨的治学态度、敏锐的学术洞察力、活跃的思想、以及平易近人的师长风范，也使我们受益匪浅。
值此论文完成之际，谨向老师致以深深的敬意和衷心的感谢。
同样感谢我的同组同学和其他的老师和同学们，感谢你们的无私帮助，成功不是属于一个人的，而是属于大家的。
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