创新实验论文函数信号发生器的制作.docx
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创新实验论文函数信号发生器的制作
课程名称：
创新实验
指导教师：
赵毓林
实验名称：
函数信号发生器
年级、专业：
2009级电子信息科学与技术
姓名：
木泽源
摘要：
此次创新实验所选的课题是函数信号发生器的制作。
创新实验分为三个阶段：
选题阶段、实验阶段、实验成果评价阶段。
实验分析论文主要包括了对创新的认识、创新实验选题设计构思、实验电路工作原理分析、Protel电路板设计、实验过程遇到问题解决及对创新实验总结等几部分内容。
其中，具体介绍了实验的整个过程及对该实验过程产生的数据及图片参数等作了详细记录。
同时，重点分析自己通过上创新实验这门课程，自身的提高与几点切身体会。
关键词：
创新实验信号发生器解决问题提高体会
前言
传统的实验教学中教师为了使学生顺利完成实验，获得比较好的实验结果，把实验中存在的一切问题和障碍都排除掉了，忽略了对学生兴趣的激发、思维的开拓、创新意识和实践能力的培养。
学生也只是将实验当作一项作业来完成，实验时，基本上是按照教师讲的或实验指导书上写的实验步骤“照方抓药”地做出实验结果。
不注重实验过程，不善于主动思考、质疑，不能积极探索实验本质、动手设计实验，只是初步掌握了对某个实验的操作，就算大功告成，也谈不上提高学生综合素质与创新能力，许多实验做后即忘。
学生离开了教师的指导和教材的帮助就很少能独立完成实验，根本达不到实验课的教学目的和效果。
本次创新实验变“被动”实验为“主动”实验，从传统的“以教师为主”的模式转变为“以学生为主体、教师为主导”的模式，充分发挥我们学生的积极性和创造性。
通过实验促进了学生个性的发展和创新能力的培养，使学生成为主动实验的参与者、探索者。
从而使学生的实验能力、设计能力、创新能力和科学素质在不断的解决问题和积极主动的实验过程中得到培养。
现有的教学模式与创新实验的模式相比，创新实验教学更符合时代的要求。
学生在一个比较自由的环境下完成此次实验，它让学生将书本知识与实践操作结合，培养了学生严谨的科学态度，让学生在各方面完善了自己。
此次创新实验，我们分为三个阶段：
选题阶段、实验阶段、实验成果评价阶段。
实验最后以实验电子产品演示及提交实验论文为评价依据。
在论文部分，我以创新实验为架构，以我此次创新实验的选题—声光控延时开关电路为内容进行论述，最后对整个创新实验过程进行了系统的分析与总结，也对今后的创新实验课程提出了几点合理化的建议。
论文中，真实地反映了我对这次创新实验的真实感受与体会。
这里，再次感谢赵毓林老师对此次创新实验的指导与帮助。
同时，也希望创新实验，不断地推陈出新，更上一层楼，取得更好的成绩。
木泽源
2011.12.25
目录
二、论文内容4
1、什么是创新？
4
2、创新实验目的及基本要求？
4
3、创新具备的条件？
4
三、创新实验选题构思4
1、创新实验设计目的、设计依据、设计思想？
4
1.1创新实验设计目的4
1.2创新实验设计依据5
1.3创新实验设计思想5
2、电子产品设计讲座、演示，给你的启示是什么？
6
3、结合自己的专业学习、现代电子技术的发展，论述创新实验的必要性6
4、实验电路实物图7
四、实验电路工作原理分析8
1、实验电路原理框图8
2、实验电路原理图9
3、实验电路功能与作用13
4、电路的参数选择与电路仿真14
5、实验结果分析……………………………………………………………………………17
五、Protel电路板设计18
1、PCB电路设计与制作18
2、PCB板的绘制19
2.1绘制PCB板的一般步骤19
2.2PCB板电路图20
六、问题的解决21
1、电路焊接、组装及调试21
1.1电路的焊接和组装21
1.2电路的调试21
2、实验过程中遇到的问题及解决方法21
七、总结22
1、通过创新实验课的收获体会22
2、自己存在的问题22
八、创新实验课的合理化建议23
九、结束语23
十、参考文献24
二、论文内容
1、什么是创新？
创新是指现实生活中一切有创造性意义的研究和发明、见解和活动。
创新是以新思维、新发明和新描述为特征的一种概念化过程。
起源于拉丁语，它原意有三层含义，第一，更新；第二，创造新的东西；第三，改变。
创新是人类特有的认识能力和实践能力，是人类主观能动性的高级表现形式，是推动民族进步和社会发展的不竭动力。
2、创新实验目的及基本要求？
创新实验的主要目的在于培养本专业学生的专业创新能力、动手能力以及学会发现问题、解决问题的能力。
创新实验的基本要求：
一、不能脱离具体的生活实际；二、不能违背理论知识；三、在原有的基础上进行一定的更新或者创新；四、要进行独立的思考，有自己的想法；五、创新结果要经得住实践的考验，有一定的成效。
3、创新具备的条件？
创新具备的条件包括基础理论、思维意识和实践能力三个主要方面。
首先，创新要继承好前人的知识经验,在专业知识方面有坚实的基础。
创新离不开基础,这个基础就是前人长期实践和研究经验的总结,只有将这些内容了解彻底,有坚实可靠的专业知识,才能在此基础上有所创造、有所前进。
要创新,首先要继承,要学习,要吸收。
其次，创新必须具有独立思考的创新思维意识。
独立思考指考虑问题不随俗,有个人见解,敢于冒险独辟新路。
创新意识的形成是创新的最基本条件；创新思维是一切创新活动的开始；创新精神是一切创新活动的最基本保证。
再次，创新还应具有一定的实践能力。
而实践能力包括熟练的操作和动手能力、巧妙的设计能力以及同事之间团结协作等能力。
除上所述,兴趣和勤奋是创新应具备的第四个条件。
兴趣、爱好、勤奋等非智力因素支撑着人们的钻研精神。
勤奋也是创新所必须的。
勤奋的工作、全身心的投入是一切工作最基本的要求,也是完成创新的必备条件。
三、创新实验选题构思
1、创新实验设计目的、设计依据、设计思想？
1.1创新实验设计目的
创新实验选题时我和我的实验伙伴都一致制定了选题的设计目的（标准）—经济且实用。
综合分析此次实验的目的，我们认为，明确实验目的是整个实验选题的关键一步。
再结合自身条件和本专业所学的知识，以及当前我们所处的实际，包括软、硬件条件等，我们把创新实验的设计目的定经济与实用上。
1.2创新实验设计依据
在创新实验起步阶段，我们按其设计目的，进行了大量的资料搜索和储备工作，并把储备的资料作了详细的分析和综合。
在此基础上，我们步步以我们制定的实验设计目的为目标，进行详细地可行性分析，最终得出了我们的设计依据。
创新实验设计依据：
一、所设计的电路要满足我们现实生活的某方面需求，即有需要性且有意义；二、所设计的电路图的元器件易购得且价格合适；三、当前实验室的硬件条件能满足我们完成此创新实验。
1.3创新实验设计思想
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。
根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块8038）。
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变换成方波，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。
1.方案一
采用分立器件实现电路组成，主要的部件有双运放uA741运算放大器、电压比较器、积分运算电路、差分放大电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。
该方案由三级单元电路组成的，第一级单元可以产生方波，第二级可以产生三角波，第三极可以产生正弦波，通过第二级的选择开关可以实现频率波段的转换，通过对差分放大电路部分元器件的调节来改善正弦波产生的波形。
2.方案二
采用集成电路实现，主要部件有高速运算放大器LM318、单片函数发生器模块5G8038、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。
该方案通过调节不同电位器可调节函数发生器输出振荡频率大小、占空比、正弦波信号的失真，可产生精度较高的方波、三角波、正弦波，且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。
3方案比较与选择
方案二采用芯片虽然精度较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，而它们只能产生300kHz以下的中低频正弦波、矩形波和三角波，且频率与占空比不能单独调节，从而给使用带来很大不便，也无法满足高频精密信号源的要求。
uA741是美国仙童公司较为早期的产品,由于其性能完善,如差模电压范围和共模电压范围宽,增益高,不需外加补偿,功耗低,负载能力强,有输出保护等,因此具有较广泛的应用。
uA741这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作，可以方便的输出精度较高的方波、三角波、正弦波，且可以通过调节差分放大电路的各个参数调节正弦波的失真。
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，可将频率很低的三角波变换成正弦波。
综上所述，本课题选用方案一。
.
2、电子产品设计讲座、演示，给你的启示是什么？
电子产品设计讲座、演示，给我的启示是很大。
首先，电子产品设计讲座和演示激发了我对进行创新实验的兴趣。
据我对自己的自我分析，我认为我是一个好奇心和兴趣感很强的人，对一切的新鲜事物都充满了好奇与兴趣。
而且，我一直有一种想证明自己的欲望，但是，我也深知自己一直都有物理电路方面的恐惧，总觉得自己的电路基础太差，有几分不自信。
但是，老师组织的电子产品设计讲座和演示给了我激发与鼓励。
我也想自己设计电子产品，也想亲自演示它，想获得大家的认可与赞许。
我也想像师兄和师姐们一样，设计出优秀的电子产品给下几届的学弟、学妹们观摩，做好他们的榜样。
其次，电子产品设计讲座和演示给予我些许对创新实验的了解与认识。
起初，我个人对“创新”一词只停留在其字面含义上，并没想过把“创新”融入到专业学习上。
经过聆听电子产品设计的讲座及观看电子产品的演示过程后，我才深刻地认识到，原来“创新”不仅应该在理论上实现，更应该结合实际，在实践中实现创新。
再次，电子产品设计讲座和演示让我意识到创新过程的复杂与工程的“庞大”。
其实，要实现实践上的创新并不是件简单容易的事情。
首先，创新需要一定的知识储备，这是对创新者的要求；其次，创新亦需要一定的客观上的条件，如经济条件、软硬件设施条件等。
再次，创新还需要创新者的主观能动性较强，其实也就是一种兴趣与积极的态度以及坚持不懈的精神。
综上，我认为电子产品设计讲座和演示让我受益良多，开启了我对创新实验的认识，激发了我对创新实验的兴趣，并对自己的创新潜能进行自我分析。
3、结合自己的专业学习、现代电子技术的发展，论述创新实验的必要性？
我的专业是电子信息科学与技术，本专业的培养目标是培养具备电子信息科学与技术的基本理论和基本知识，受到严格的科学实验训练和科学研究初步训练，能在电子信息科学与技术、计算机科学与技术及相关领域和行政部门从事科学研究、教学、科技开发、产品设计、生产技术或管理工作的电子信息科学与技术高级专门人才。
专业培养要求是主要学习电子信息科学与技术的基本理论和技术，受到科学实验与科学思维的训练，具有本学科及跨学科的应用研究与技术开发的基本能力。
我们应该掌握好数学、物理等方面的基本理论和基本知识；掌握好电子信息科学与技术、计算机科学与技术等方面的基本理论、基本知识和基本技能与方法；了解相近专业的一般原理和知识；熟悉国家电子信息产业政策及国内外有关知识产权的法律法规；了解电子信息科学与技术的理论前沿、应用前景和最新发展动态，以及电子信息产业发展状况；掌握好资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；具有一定的技术设计，归纳、整理、分析实验结果，撰写论文，参与学术交流的能力。
居于本专业的学习及培养目标、要求，我们很有必要开设创新实验，必定是一个很好的将本专业的学习应用到实践中去的渠道。
因为正确的思想从实践中来，很多划时代的发明都来源于社会实践、生产实践和科学实验。
通过这个渠道，我们经历了由理论到实践的过程，掌握了一定的科学思维方法，并且我们的动手实践能力及分析解决问题的能力将有很大的提高。
这可以称得上是一个实践创新的平台，一个训练自我的平台。
随着科学技术的进步，电子技术已渗透到工业的各个部门和生活的各个领域。
21世纪是知识和创新的时代，社会竞争激烈，只有知识与技能兼备的人才才能更好的适应。
现在很多大学生的发展不如技校的学生，这往往并不是因为大学生们眼高手低，看不上某些工作，而是大学生不能像技校的学生那样熟练的将知识与技能融会贯通，满足社会的要求。
大学校园浓厚的科研氛围，有助于创新人才的培养。
学生参加创新性实验教学项目的实践锻炼，对培养严谨的科学态度、全面的创新能力、团队合作和艰苦奋斗的精神以及锲而不舍的作风都有着重大的意义。
这对我们今后的工作和发展有着重要的、长远的影响。
因此，我认为开设设计实验是非常必要的，这是培养学生综合能力的重要途径，是本专业大学生培养目标在实践环节方面的具体体现和富有创造性的落实。
4、实验电路3D效果图
图3-1实验电路3D效果图
5、实验电路实物图
图3-2实验电路实物实验进行图
图3-3实验电路实物正面图
图3-4实验电路实物反面图
四、实验电路工作原理分析
1、实验电路原理框图
方波---三角波转换电路的工作原理
图2方波-三角波转换电路
图2为方波-三角波转换电路，其中运算放大器用双运放uA741。
工作原理如下：
若a点断开，运算发大器A1（左）与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。
运放A2（右）与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1,则积分器的输出电压Uo2为
当
时，
当
时，
由此可见积分器在输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如下图3所示
图3方波--三角波波形关系
若a点闭合，即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。
三角波的幅度为：
方波-三角波的频率f为：
由以上两式可以得到以下结论：
1.电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。
若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。
2.方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。
三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。
电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。
2.2三角波—正弦波转换电路工作原理
图4三角波—正弦波转换电路
图（4）为实现三角波—正弦波变换的电路。
其中Rp3调节三角波的幅度，Rp4调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。
电容C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。
三角波-正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。
差分放大器采用单入单出方式。
三角波-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。
差分放大器传输特性曲线的非线性及三角波-正弦波变换原理如下图：
图5三角波-正弦波变换原理
分析表明，传输特性曲线的表达式为：
上式中：
；
—差分放大器的恒定电流；
—温度的电压当量，当室温为25℃时，UT≈26mV。
如果Uid为三角波，设表达式为
式中：
Um—三角波的幅度；T—三角波的周期。
为使输出波形更接近正弦波，由图5可知：
（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；
（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
3.总电路图
整个设计电路如图6所示。
图6方波—三角波—正弦波函数信号发生器
3、实验电路功能与作用
1.总的原理框图及总方案
图1函数信号发生器原理图
多波形信号发生器方框图如图1所示。
本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。
并采用先产生方波—三角波，再将三角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。
设计差分放大器时，传输特性曲线要对称、线性区要窄，输入的三角波的的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
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。
4、电路的参数选择与电路仿真
本课题采用Multisim10.1作为仿真软件。
Multisim是InteractiveImageTechnologies（ElectronicsWorkbench）公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。
Multisim10.1通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路；通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为；借助高级电路分析,理解基本设计特征；本课题使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。
1.方波--三角波部分
参数选择：
在电容C1、C2处放置了选择开关，可以满足课设要求的两个频率范围1～10Hz、10～100Hz：
当需要1～10Hz时，开关选择C2=10μF，取
，RP2为100Ω电位器；
当需要10～100Hz时，取C2=1μF，以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。
平衡电阻
。
方波-三角波电路的仿真：
在Multisim10.1中按方波-三角波转换电路图（图2）接线。
调节Rp1和Rp2到设定值，检查无误后，在正确位置接上示波器观察输出波形，即可得到如图7所示的波形：
图7（a）方波
图7（b）三角波
图8为双踪示波器显示的方波三角波波形图
图8方波-三角波
微调Rp1，使三角波的输出幅度满足设计要求，调节Rp2，则输出频率在对应波段内连续可变。
2.三角波--正弦波部分
参数选择：
隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取
，滤波电容
视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，
可取得较小，
一般为几十皮法至0.1微法。
RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。
差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R7确定。
三角波--正弦波电路的仿真：
在Multisim10.1中按方波-三角波转换电路图（图4）接线。
保证参数正确，检查无误后，在正确位置接上示波器观察输出波形，调整R7和C6的大小即可得到如图9所示的波形：
图9正弦波
五、实验结果分析
比较器与积分器组成正反馈闭环电路，方波、三角波同时输出。
电位器Rp1与Rp2要事先调整到设定值，否则电路可能会不起振。
只要接线正确，接通电源后便可输出方波、三角波。
微调Rp1，使三角波的输出幅度满足设计要求，调节Rp2，则输出频率在对应波段内连续可变。
调整RP4及电阻R7，可以使传输特性曲线对称。
调节Rp3使三角波的输出幅度经Rp3输出等于Uidm值，这时输出波形应接近正弦波，调节C6的大小可改善波形。
因为运放输出级由PNP型与NPN型两种晶体管组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，导通时受输出电阻的影响，使方波输出值小于电源电压值，故方波输出电压Up-p≤2Vcc。
方波的上升时间tr主要受运算放大器转换速率的限制。
实验中若波形幅值太小，可适当添加一个放大电路以达到课设要求。
五、Protel电路板设计
1、PCB电路设计与制作
概括地说，设计印制电路板（使用Protel99SE）的整个过程可分成三步：
第一步是电路原理图的设计；第二步是在电路原理图的基础上生成电路的网络表格；第三步是印制电路板（PCB）的设计。
1.1设计电路原理图的一般步骤
按上述流程图完成该实验电路的PCB板设计的第一步后，得出以下电路原理图：
图5-1-2电路原理图（保存为.Sch格式）
2、PCB板的绘制
2.1绘制PCB板的一般步骤
按上述PCB板设计流程图导入网络表格后，得出以下PCB板初始图：
图5-2-2导入网络表格后的PCB板初始图
2.2PCB板电路图
完成PCB板设计的所有流程后，得出的PCB板
图5-2-3PCB板电路图
六、问题的解决
1、电路焊接、组装及调试
1.1电路的焊接和组装
（1）首先检查印制电路板，看是否右走样、断线、连线；焊孔打歪等不合格板。
然后在合格的印制电路板上将已成形的元器件安装好，打弯引脚．准备焊接。
（2）选择合适的电烙铁进行加热，印刷电路焊接一般使用20w内热式电烙铁或低压温度控制电烙铁。
电烙铁温度根据焊点热容量的大小控制在250—300c。
加热时，烙铁头应同时接触引线和焊盘，使两种金属同时均匀加热。
（3）印刷电路板焊接所用的焊料，根据印刷电路板导线的密度和焊盘的大小，一般采用0.5—1.2mm的线状焊料。
焊接时，用右手握电烙铁，小拇指支撑在印刷电路板上，使电烙铁稳定。
自由调整接触角度、接触面积和接触压力，在接合金属部位达到焊接温度后供给适量的焊料。
焊料熔化后，烙铁头带动焊料沿焊盘移动一个距离，促使焊料分布均匀，焊点饱满。
焊接时注意先焊接无极性的阻容元件，电阻采用卧装，电容采用直立装，紧贴电路板，焊接有极性的元件如电解电容、话筒、整流二极管、三极管、单向可控硅等元件时千万不要装反，注意极性的正确，否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。
1.2电路的调试
调试实际上包括调整和测试工作。
调整是对组成该电路的可调元器件、部件进行调整，而测试是对该电路各项电气性能进行测试。
本电路调试时，先用自制的黑色防光套子将光敏电阻的光挡住，再将A、B分别接在电灯的开关位上，用手轻拍驻极体，这时灯应亮，但大概5分钟后，灯自动熄灭；若拿掉防光套子，将光敏电阻完全暴露在光下，再用手重拍驻极体，这时灯不亮。
若电路测试能得到上述效果，则表明此声光控延时电子开关制作成功。
若不成功，则仔细检查有无虚假错焊和拖锡短路现象，以及检查各元器件是否有错接或烧毁现象。
如有上述导致不成功的现象存在，则逐一找出解决办法，使电路正常工作。
在调试电路过程中，注意做好电路各个关键位置的电压或电流等参数的测试及数据记录工作。
2、实验过程中遇到的问题及解决方法
在此次创新实验过程中，我们遇到了很多的问题，其中问题主要出在PCB电路板的绘制和电路的调试过程中。
当然，制作PCB板时也遇到了相当大的难题，其原因在于我和我的拍档都从未学过Protel及其他绘制电路板的软件。
那么，该怎么办呢？
问题一出，我们就商量着如何解决。
由于实验时间比较紧，我们就分工合作，由她完成电路在面包板上的实现工作，而我主动接下绘制PCB电路板的工作。
之后，我在网上下了个Protel99SE软件安装在自己的电脑上，还下载了一个该软件的视频教程学习了一番，这还不够，我还上图书馆借阅了两本关于此软件的学习丛书，认真地照着书上及教程上的学习章程，一步步地学习及练习画板。
在短短的速学时间内，我基本上学会了如何绘制PCB电路板。
我们创新实验所用的电路板就是我的速学成果。
此外，我还帮另一组的同学也绘制了一块PCB电路板。
虽然我的画板技术还有待提高，但看着自己绘制后印制
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