波形信号发生器.docx
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波形信号发生器
学号：
0909131078
2010-2011学年第2学期
电路EDA课程设计报告
题目：
波形发生器课程设计
专业：
通信工程
班级:
09级通信二班
姓名：
张瑞
指导教师：
吴慧
电气工程系
课程设计任务书
学生班级：
09通信
（2）班学生姓名：
张瑞学号：
0909131078
设计名称：
波形发生器课程设计
起止日期：
2011.5.16—5.22指导教师：
吴慧
设计要求：
1、明确设计题目，确定方案。
对于考虑的方案，经过比较后，确定选择哪个方案。
2、单元电路的设计和元器件的选择。
要列出元器件清单
3、画出完整的电路原理图和必要的波形图，并说明主要工作原理。
4、计算出各元器件的主要参数，并标在电路图中恰当的位置。
题目波形发生器
一、设计任务与要求
1.设计要求：
使用集成运放设计一个波形发生器，产生一个频率为fo=5kHz的方波，其电压幅度为+Vs=|－Vs|=14V。
同时产生一个频率为fo=5kHz的三角波，其幅度为+Vt=|－Vt|=5V。
波形发生器方框图见图（图1）。
2.设计任务：
（1）正弦波发生器设计；
（2）方波发生器设计；
（3）三角波发生器设计。
二、方案设计
波形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压或仪器。
根据用途不同，有产生三种或多种波形的波形发生器，使用的器件可以是分立器件（如视频信号函数发生器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5G8038）。
本次波形发生器设计要求产生正弦波、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。
系统原理框图如下示：
模拟电路实现方案
用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经积分电路产生三角波，电路框图如上示。
此电路结构简单，且有良好的正弦波和方波信号。
但经过积分电路产生同步三角波信号，存在难度。
原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，且随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波的幅度同时改变。
若要同时保持三角波的输出幅度不变，须同时改变积分时间常数的大小。
系统原理框图如下示：
若用运放完成，则选定用比较器，比较器器有好多种，比如单限比较器，滞回比较器，窗口比较器等等。
虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。
滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因而也就是具有一定的抗干扰能力。
从而选择滞回比较器。
由于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。
三、单元电路设计
1、正弦波发生器电路
先由文氏桥振荡产生一个正弦波信号，电路图如下图所示
2．三角波发生器电路
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。
如图（6）所示。
三角波产生电路
3．矩形波发生器电路
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。
下图（图4）是矩形发生器电路，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。
矩形发生电路
原理：
将输出电压U0经过RC积分电路，利用电容的充放电电压取代外加输入信号送入比较器反相端，与同相端上的门限电压相比较，使比较器的输出不断发生转化，从而形成高低电平周期性交替的矩形振荡波形。
接通电源的瞬间，电容C的初始电压为0，电路输出电压U0使高电平或者低电平是随机的，假设输出电压为高电平U0=+UZ，则运放的同相输入端电位是U+=UT+.
（1）u0通过R对电容C正向充电，使UC增加，当UC上升到略大于UT+，比较器输出电压发生反转，U0由+UZ变为-UZ，同相端的电位U+由UT+变为UT-。
（2）UC通过T对电容反向放电，使UC减小，当UC减小到略小于UT-，比较器输出电压发生反转，U0由-UZ变为+UZ，同相端的电位U+由UT-变为UT+。
4．电源电路
本设计还要求有电源电路。
稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。
图（7）为稳压电源.
输出电压可调的稳压电源
四、单元电路计算
1.频率计算公式：
由于R3是可调电阻，可调范围为0~100K，所以频率f的可调范围为500~50M。
当可调电阻R3为10K时，达到本次设计要求的5KHz。
在本次设计中，为了满足负载的需要，在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的Ut。
为了产生幅度相同的矩形波，两个稳压管的特性必须相同，如图（6）。
本次设计采用两稳压管反向串接，其中稳压电压为14V，正向导通电压为0.9717V。
所以Uz的值为14.9717V。
2.幅度的计算公式：
±Ut=±R1Uz/R2
Ut=±14.9717V。
如果电路图仅此而已，如下图（8）所示，则幅度改变的话，频率就跟着改变。
如何使调频率和调幅度不相互影响？
幅度改变频率就跟着改变的信号发生器
对应图（8）的信号发生器输出波形
可以在输出端Ut处加一跟随器，这样调频和调幅可互不影响。
如下图图（10）所示：
调频和调幅可互不影响的信号发生器
对应图（10）的调频和调幅可互不影响的信号发生器输出波形
这样调频率则调R3，调方波幅度则调R6，调三角波幅度则调R7，所以方波输出幅度的范围为0V~14.9717V，当电阻R6为20K*6%=1.2K时，达到本次设计的要求14V。
三角波输出幅度范围为0V~14.9717V，当电阻R7为20K*66%=13.4K时，达到本次设计的要求5V。
五、总原理图及元器件清单
1．总原理图
（1）用EWB仿真设计
a．用EWB绘制的电路图：
EWB绘制波形发生器
b．用EWB仿真的波形图
EWB绘制波形发生器仿真结果
此时即为设计要求的值。
（2）用Protel模拟电路
a.用Protel绘制的原理图
用Protel绘制的原理图
用Protel绘制的原理图局部截图
c.用Protel绘制的PCB板：
用Protel绘制的原理图生成PCB板
用Protel绘制的原理图封装PCB板
（3）元件清单及封装（表一）
表1波形发生器电路原理图中的元件清单
元件序号
型号
主要参数
封装
数量
备注
R1
RES2
15k
AXIAL0.3
1
R2
RES2
15k
AXIAL0.3
1
R4
RES2
10k
AXIAL0.3
1
R5
RES2
10k
AXIAL0.3
1
R3
POT2
100k
VR2
1
R6
POT2
20k
VR2
1
R7
POT2
20k
VR2
1
C
CAP
0.005uF
RAD0.4
1
C1
CAP
100uF
RAD0.4
1
C2
CAP
100uF
RAD0.4
1
D1
DIODESCHOTTKY
DIODE0.4
1
D2
DIODESCHOTTKY
DIODE0.4
1
OPAMP1
OPAMP
DIP6
1
OPAMP2
OPAMP
DIP6
1
OPAMP3
OPAMP
DIP6
1
OPAMP4
OPAMP
DIP6
1
B1
BATTERY
14v
RAD0.4
1
B2
BATTERY
14v
RAD0.4
1
B3
BATTERY
14v
RAD0.4
1
B4
BATTERY
14v
RAD0.4
1
B5
BATTERY
14v
RAD0.4
1
B6
BATTERY
14v
RAD0.4
1
B7
BATTERY
14v
RAD0.4
1
B8
BATTERY
14v
RAD0.4
1
六、结论与心得
通过这次课程设计，我了解了电路CAD的各项功能和CAD的发展，了解了电路CAD的数值计算方法和电路分析的基本方法基础，并通过自己的实践，利用Protel软件制作简易波形发生器的电路以及PCB板。
也是在设计中认识到自己学习中的不足，在设计中也有不懂得地方，在网上查找资料和同学们的帮助下，总算完成了设计任务，在这次课程设计中，也算受益颇多。
指导老师评语
课程设计成绩
指导老师签字
2011年月日
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