电子线路课程设计信号发生器综述.docx
《电子线路课程设计信号发生器综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子线路课程设计信号发生器综述.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电子线路课程设计信号发生器综述
电子线路课程设计
设计题目：
信号发生器设计
班级：
2012级电子信息科学与技术（3）班
学号：
080212095、080212104、080212103
姓名：
韦胜斌、张飞、宋亮
指导教师：
丁蕾
设计时间：
2014年11月
摘要
信号发生器是一种能够产生多种波形，如锯齿波、三角波、方波、正弦波的电路。
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。
本设计通过对信号发生器的原理以及构成进行分析，设计了信号发生器，能够输出稳定的正弦波和方波，实现占空比50%,并且能够实现频率和输出幅度可调。
设计中采用常用器件NE555为核心，通过比较获得最佳电路方案，并对电路各部分工作原理进行了分析，确定其能够稳定工作，利用相关仪器多次试验，测试达到了设计要求。
关键词：
振荡器；RC电路；射极输出器；方波；三角波；正弦波。
目录
摘要I
1概述1
2课程设计任务及要求1
2.1设计任务1
2.2设计要求1
3理论设计1
3.1方案论证1
3.2系统设计2
3.2.1结构框图及说明2
3.2.2系统原理图及工作原理3
3.3单元电路设计4
3.3.1单元电路工作原理4
3.3.2元件参数选择7
4.安装调试7
4.1安装调试过程7
4.2故障分析10
5.结论10
6.使用仪器设备清单10
7.收获、体会和建议11
8.参考文献12
1概述
信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。
按照频率范围分类可以分为：
超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。
按照输出波形分类可以分为：
正弦信号发生器和非正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：
脉冲信号发生器，信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。
按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。
前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。
后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。
2课程设计任务及要求
2.1设计任务
设计一信号发生器。
2.2设计要求
设计一信号发生器，至少能产生一定频率和幅值的方波、三角波。
可拓展产生更多其他波形。
3理论设计
3.1方案论证
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。
分析方案后最终选择方案三。
3.2系统设计
3.2.1结构框图及说明
首先，将555定时器接成多谐震荡电路，多谐震荡电路的输出便是方波，接着接一个RC积分电路，从而产生三角波，最后接一个无源低通滤波器，从而产生正弦波。
如框图1所示。
555多谐振荡器积分电路低通滤波电路
图1
首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转
化为三角波，如图2，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，如图3。
图2
图3
3.2.2系统原理图及工作原理
NE555功能分析NE555是电子设计中常用元器件，在这个元件中既有模拟电路电压渐变、电位比较的特点，又具有数字电路中输出高电平或低电平的特点。
在下表1功能表中“L”表示低电平，“H”表示高电平，“x”可以理解为不管是什么状态。
在555中复位管脚4决定了555输入和输出的关系，复位管脚是低电平时，不管2、6管脚如何变化都不会影响输出状态，此时3管脚保持低电平。
只有复位4为高电平时，2、6管脚才会决定输出状态。
通用NE555的管脚图如下图4所示。
表1图4NE555引脚图
根据对NE555的分析，设计如初图如图5，工作过程为：
4管脚一直接高电平，因此2、6管脚电平会直接影响输出管脚3的电平。
首先电源通过R1、Rp1对C1充电，2、6管脚电位随着时间逐渐升高，达到阈值后，管脚3输出低电平，7管脚放电端开启，此时C1通过Rp1经7管脚放电，2、6管脚电位逐渐降低，低至阈值后，管脚3由低电平变为高电平，7脚放电端截止。
再次重复初始过程，即电源通过R1、Rp1对C1充电，如此周而复始，管脚3即可输出方波。
图5
方波经过积分电路、滤波电路以及射极输出电路，最终得到合适的三角波与正弦波，考虑到设计的要求，是频率与波形幅度可调，可采用电位器Rp1与Rp2来实现，但在这里要注意2个问题，第一：
接入积分电路后，积分电路对前级存在一定影响，因此后级将信号分为2部分；第二：
由于后级电路的衰减后导致输出信号比较弱，因此在最后引入射极输出器，以便于信号发生器具有带负载的能力。
总体设计原理图如图6：
图6
3.3单元电路设计
3.3.1单元电路工作原理
1.电源极性保护电路,如图7。
该部分电路的主要功能是保护电路以及电源探测电路，电源接入通电时，发光二极管D2（LDE灯）被点亮，而保护电路则是消除电源极性接法对电路的影响。
其中，D1（1N4007）作为整流二极管，具有单向导电性，具有较强的正向浪涌承受能力。
电解电容C9对电流具有缓冲作用。
2.方波产生电路，如图8。
图8
4管脚一直接高电平，因此2、6管脚电平会直接影响输出管脚3的电平。
首先电源通过R1、Rp1对C1充电，2、6管脚电位随着时间逐渐升高，达到阈值后，管脚3输出低电平，7管脚放电端开启，此时C1通过Rp1经7管脚放电，2、6管脚电位逐渐降低，低至阈值后，管脚3由低电平变为高电平，7脚放电端截止。
再次重复初始过程，即电源通过R1、Rp1对C1充电，如此周而复始，管脚3即可输出方波，通过对电位器Rp1的调节从而调节输出频率。
3.三角波产生电路---积分电路，如图9。
图9
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。
Uo=Uc=（1/C）∫icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时，Uc=Oo.随后C充电，由于RC≥Tk,充电很慢,所以认为Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故Uo=（1/c）∫icdt=（1/RC）∫Uidt这就是输出Uo正比于输入Ui的积分（∫Uidt）RC电路的积分条件：
RC≥Tk当输入信号为方波时，积分电路的输出为三角波。
4.正弦波产生电路——低通滤波电路，如图10。
所谓的低通滤波器就是允许低频信号通过，而将高频信号衰减的电路，RC低通滤波器电路的组成如图所示。
三角波可以分解成由无数不同频率的正弦波组成的复合波。
当输入信号为三角波时，用低通滤波器将其高频成分滤掉后，波形将不再有尖顶部分，波形变得圆滑，从而变成类正弦波。
图10图中正弦波是通过二次滤波得到的。
5.后级信号放大电路，如图11。
由于后级电路的衰减后导致输出信号比较弱，因此在最后引入射极输出器，以便于信号发生器具有带负载的能力。
图11（R：
+，H:
-）
3.3.2元件参数选择
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。
充电时间：
T1=（R1+Rp1）C1ln2=0.7（R1+Rp1）C1
放电时间：
T2=0.7Rp1C1
振荡周期：
T=T1+T2=0.7（R1+2Rp1）C1
振荡频率：
f=1/T=1.43/（0.7（R1+2Rp1）C1）
通过分析计算后，电阻R1取值1千欧姆，电位器Rp1取值10千欧姆，电容C1取值0.047微法。
其他各元件依据分析计算取值如下：
1.电源：
9V直流电源。
2.电阻（单位；欧姆）：
R3=510、R4=R5=R6=R10=10K、R7=1M、R8=4.7K、R9=1K、R11=R12=100K。
3.电容（单位：
微法）：
C2=C5=C7=0.01、C3=0.1、C4=C6=0.047、C8=C9=1。
4.安装调试
4.1安装调试过程
在绘制电路的原理图时，我分别采用了multisim和AltiumDesigner软件，multisim用于仿真分析结果，AltiumDesigner则用于原理图绘制和PCB板图的绘制为后面制作PCB板做准备。
multisim仿真及调试过程：
首先设置好实验相关参数，接着画原理图，最后运行（用示波器观察波形）。
一开始运行的时候示波器上并未出现预期的波形，示波器上出现了不规则的波形。
接下来便是反复地修改参数。
最后根据波形选择了合理的参数。
各波形如下。
方波：
三角波：
正弦波：
根据NE555振荡频率计算公式，带入元件参数计算得：
波形的频率大约为1.4K—20KHz可调。
波形幅度这是通过电位器Rp2输出可调，各种波的幅度范围为：
方波：
0—800MV,三角波：
0—850MV,正弦波：
0—810MV。
三种波的最大幅度大致想等，电路设计合理。
Altiumdesigner制板过程：
首先新建工程（在工程下建原理图和PCB图），接着画原理图，最后是绘制PCB板。
该过程的主要问题是PCB板的绘制。
其中连线比较复杂，同一层的线不能交叉，因此需要在适当的时候打孔将两层的线连接起来。
自动布置的线很乱并且有尖角效应，因此最好己动手布置。
连完线后就开始铺铜，铺完铜就是打印制版的过程了。
该过程的相关图片PCB连线图如图12，PCB板子如图13，做出的板子实物图如图14。
图12
图13
4.2故障分析
在最后实际测试电路时，波形有一些误差，特别是方波存在明显跳变。
对其进行分析为：
第一，多谐振荡器输出频率决定于电阻和电容，其中电阻值和电容值的稳定性容易受到外界温度影响。
故555振荡器输出的振荡频率会不稳定。
第二：
普通的电阻、电容参数的稳定性低，有一定误差，误差在5%以上。
而方波的跳变则是由于电容C1的充放电所引起的。
5.结论
通过测试各器件的电压与信号得出的数据中了解实际电路跟原理图电路的数据是有一定误差的、各电容、电阻的数据要跟实物电路的数据还是有区别的，由于实际中器件的特性及差异最后的成品实现功能却不一定与仿真时完全一样，因为，在实际接线中有着各种各样的条件制约着。
而且，在仿真中无法成功电路接法，在实际中因为器件本身的特性而能够成功，所以在设计时应该考虑两者的差异，从中找到最合适的设计方法。
6.使用仪器设备清单
仪器设备：
9V直流电源、示波器、万用表、镊子、电烙铁、剪钳等。
元件清单：
如表2。
表2元件清单表
元件编号
元件名称
规格
数量
U1
芯片
NE555P
1
R1、R9、R10
电阻
1K
3
R3
电阻
510
1
Rp1、Rp2
电位器
10K
2
R4、R5、R6
电阻
10K
3
R7
电阻
1M
1
R8
电阻
4.7K
1
R11、R12
电阻
100K
2
VCC
直流电源
9V
1
D1
整流二极管
1N4007
1
D2
发光二极管
LED
1
VT1、VT2
三极管
8050
2
C1、C4、C6
瓷片电容
473
3
C2、C5、C7
瓷片电容
103
3
C3
瓷片电容
104
1
C8、C9
电解电容
1uf
2
J1、J2、J3
排针
2*2
3
OUT（R）、OUT（H）
排针
2*2
2
7.收获、体会和建议
经过这些天的课程设计，让我明白课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，更是对自己综合实践能力及团队协作能力的一种锻炼。
通过这次课程设计让我明白了自己原来知识还比较欠缺。
通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
总之，在这次设计中我学到了不少新知识，了解了很多的设计思想与方法，我也将继续努力，不断地完善和充实自己。
在本次课程设计中，我作为组长，组织并和大家一起努力完成这次设计，让我学会了如何增加团队之间的沟通，如何让大家更紧密的联系在一起。
也学习到了怎样调动组员的积极性。
在整个过程中统一调配，也参加了PBC图的绘制以及电路板的制作。
让我明白所学运用到实际当中还比较欠缺。
在这次的设计中虽然遇到了很多的问题，认识了一些以前不了解或者不知道的元件，有些虽然没有用到，但是学习是无限的，虽然做课程设计有很多困难，但是，当自己完成的时候有无比的喜悦。
我感觉设计是对学习知识的运用和自己的能力的全面体现，体现了一个人学以致用的能力。
只有在真正的运用中才能更好的掌握知识，这样的学习才会有效率，才能长久的记忆。
在设计过程中，我们通过查阅大量有关资料，团队之间交流经验，并向老师请教。
通过对多种方案的分析讨论让我们明白在对于不同的环境和要求相应的要作出最合适的选择的合理性和重要性。
在整个设计中我懂得了许多东西，对自我水平有了进一步的了解，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
虽然，这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。
本次课程设计是在老师细心指导下开展的，整个过程中给了我莫大的支持，关心和指导；同时在制作过程中也得到了许多同学的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意，感谢他们的帮助。
8.参考文献
[1]余孟尝•《数字电子技术基础简明教程（第三版）》•高等教育出版社
[2]杨素行•《模拟电子技术基础简明教程（第三版）》•高等教育出版社
[3]李建兵•《EDA技术基础教程—Multisim与Protel的应用》•国防工业出版社
升级会员 