电子线路技术课程设计.docx
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电子线路技术课程设计
湖北民族学院信息工程学院
课程设计报告书
题目:
方波、三角波和正弦波发生器
课程：
电子线路课程设计
专业：
电气工程及其自动化
班级：
0312408
学号：
031240212
学生姓名：
郭雨
指导教师：
杨庆老师
2015年1月8日
摘要
波形函数信号发生器广泛地应用于各场所。
函数信号发生器应用范围：
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。
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，而我设计的正是多种波形发生器。
设计了多种波形发生器，该发生器通过将滞回电压比较器的输出信号通过RC电路反馈到输入端，即可组成矩形波信号发生器。
然后经过积分电路产生三角波，三角波通过低通滤波电路来实现正弦波的输出。
其优点是制作成本低，电路简单，使用方便，频率和幅值可调，具有实际的应用价值。
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，本文在对方波、三角波和正弦波发生器工作原理分析的基础上，建立了基于Multisim的仿真电路的仿真模型，并对其进行了仿真分析和研究。
关键词：
仿真；信号发生器；正弦波；方波；三角波
Abstract
Waveformfunctionsignalgeneratoriswidelyusedinvariousplaces.Functionsignalgeneratorapplication:
communications,broadcastingandtelevisionsystem,Allneedrf（radiofrequency）emission,theradiofrequencywavesarecarrierhere.Exceptforcommunicationstestinstrumentsandautomaticcontrolsystem,iswidelyusedinotherelectricmeasurementfield,andIdesignisthevarietyofwaveformgenerator.Designavarietyofwaveformgenerator,thegeneratorthroughthehysteresisvoltagecomparatoroutputsignalbytheRCcircuitfeedbacktotheinput,canbecomposedofrectangularwavesignalgenerator.Aregeneratedfromtheintegralcircuitandtrianglewave,trianglewavethroughalow-passfiltercircuittorealizethesinewaveoutput.Itsadvantageislowproductioncost,simplecircuit,easytouse,adjustablefrequencyandamplitude,andhaspracticalapplicationvalue.
Functionwaveformsignalgenerator.Canproducecertainperiodictimefunctionwaveform（sinewave,squarewave,trianglewave,sawtoothwaveandpulsewave,etc.）signals,thispaper,ontheothersidewave,trianglewaveandsinewavegeneratorbasedontheanalysisoftheworkingprinciple,basedonMultisimsimulationcircuitsimulationmodelisestablished,andthesimulationanalysisandresearch.
Keywords:
Thesimulation;Signalgenerator;Sinewave;Squarewave;Trianglewave
目录
1引言4
2总体设计5
2.1设计目的5
2.2设计要求5
2.3设计原理5
2.3.1方波发生电路工作原理6
2.3.2方波-三角波转换电路的工作原理7
2.3.3三角波-正弦波转换电路的工作原理8
3详细设计及仿真10
3.1方波、三角波和正弦波发生器仿真电路10
3.2方波、三角波和正弦波发生器仿真结果及分析10
3.3仿真结果分析13
4元器件清单14
5总结15
参考文献16
1引言
在人们认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。
信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其它仪表测量感兴趣的参数。
可见信号源在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。
波形发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形。
传统的波形发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，不能根据实际需要灵活扩展。
随着微电子技术的发展，运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调的信号。
与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便。
2总体设计
该发生器通过将滞回电压比较器的输出信号通过RC电路反馈到输入端，即可组成矩形波信号发生器。
然后经过积分电路产生三角波，通过改变方波的占空比不仅可以得到锯齿波，还可得到额外的矩形波。
三角波通过低通滤波电路来实现正弦波的输出。
然后将各种信号通过比例放大电路得到需要幅值；峰峰值的信号波形。
该电路具有结构、思路简单，运行时性能稳定且能较好的符合设计要求。
2.1设计目的
1．掌握电子系统的一般设计方法
2．掌握模拟IC器件的应用
3．培养综合应用所学知识来指导实践的能力
4．掌握常用元器件的识别和测试
5．熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法
2.2设计要求
1．设计、组装、调试方波、三角波、正弦波发生器仿真电路
2．输出波形：
方波、三角波、正弦波及其之间的相互转换
3．频率范围：
在0.02－20KHz范围内且连续可调
2.3设计原理
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）。
为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，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。
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。
本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，本课程设计中函数发生器电路组成框图如下所示：
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。
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，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。
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。
图2-3
2.3.1方波发生电路工作原理
图2-3-1
此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。
RC回路即作为迟滞环节，又作为反馈网络，通过RC冲、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，如图中箭头所示。
反相输入端电位n随时间的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是Un=+Ut、再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz，与此同时Up从+Ut跃变为-UT。
随后，Uo又通过R3对电容反相充电，如图中虚线箭头所示。
Un随时间逐渐增长而减低，当T趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Uz再减小，UO就从-Uz跃变为+Uz，UO从-Ut跃变为+Ut，电容又开是正向充电。
上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。
2.3.2方波-三角波转换电路的工作原理
图2-3-2
若a点断开，运算发大器A1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。
运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。
比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）,当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。
设Uo1=+Vcc,则
将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
由以上公式可得比较器的电压传输特性。
a点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则
可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下图所示。
a点闭合，既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。
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。
2.3.3三角波-正弦波转换电路的工作原理
图2-3-3
三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。
（如上图）
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，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。
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。
分析表明，传输特性曲线的表达式为：
式中a=IC/IE≈1
I0——差分放大器的恒定电流；
UT——温度的电压当量，当室温为25oc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。
3详细设计及仿真
用Multisim10电路仿真软件进行仿真。
从Multisim10仿真元件库中调出仿真电路所需元件，按设计好的电路图接好线路，在其函数发生器模块输出端接一个虚拟的示波器，接通电源后，可得如下图所示的输出方波仿真图。
3.1方波、三角波和正弦波发生器仿真电路
把以上所述的三组仿真电路组合在一起，从而形成一个总仿真电路图。
及由方波发生器电路、方波-三角波转换电路、三角波-正弦波转换电路三部分和两个示波器组成。
如下图3-1，示波器AB两端分别接入的两个输出信号分别是不同的波形。
而其和在一起输出的及为波与波的转换。
由此可以观察其仿真结果。
其中仿真电路模型如下：
图3-1方波、三角波和正弦波发生器仿真模型
3.2方波、三角波和正弦波发生器仿真结果及分析
将XSC1的B端口去掉，及为方波输出端的波形。
其波形如下：
图3-2-1
将XSC1的A端口去掉，及为三角波输出端的波形。
其波形如下：
图3-2-2
将XSC2的A端口去掉，及为正弦波输出端的波形。
其波形如下：
图3-2-3
将XSC1的AB端口如总仿真电路图连接，其方波-三角波输出端的波形。
其波形如下：
图3-2-4
将XSC2的AB端口如总仿真电路图连接，其三角波-正弦波输出端的波形。
波形如下：
图3-2-5
3.3仿真结果分析
波形可以看出其波形有一些失真，特别是矩形波；还有就是其峰值电压有一些误差其误差可能由以下几点产生。
1.参数设计不够精确。
2.所选可调电阻的调节范围太大，调节不够精确。
3.调试没能很精确，产生的波形还有细微的失真现象，记录数据时，读数不精确导致误差产生。
4.选用的实验元件存在系统偏差。
5.集成运放不是理想运放，其运放性能指标对运算误差有影响。
改进该实验，减少实验误差的方法：
选取精确度较高的实验器件，在选择可变电阻时要考虑到其要调节的范围，尽可能的选用与要用最大限度接近的可调电阻，在振荡电路中可调电阻最好用双滑式可调电阻。
在调试过程中要尽可能的把波形调节到不失真，调节频率时用同轴电位器，这样不仅避免了调节困难，还能使调节的精确度更高。
4元器件清单
元器件名称
型号
主要参数
备注
VCC
12V
电源
VDD
-12V
电源
R1
10KΩ5%
电阻
R2
20KΩ1%
R3
2KΩ1%
R4
50KΩ50%
变阻器
R5
2.7KΩ5%
R6
50KΩ50%
变阻器
R7
68KΩ
R8
20KΩ
R9
20KΩ
R10
100Ω
R11
50KΩ50%
变阻器
R12
2KΩ
R13
2KΩ
R14
8KΩ
R15
100KΩ
D1
02BZ2.2
稳压管
D2
02BZ2.2
稳压管
U1
3354AM
运算放大器
U2
3354AM
运算放大器
U3
3354AM
运算放大器
C1
22nf
电容
C2
470uf
C3
470uf
C4
100nf
C5
470uf
GROUND
接地6个
XSC1
示波器1
XSC1
示波器2
5总结
为期三个星期的课程设计已经结束，在这几天的学习、设计、及电路搭建过程中我感触颇深。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
通过对函数信号发生器的设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、搭建方法；以及如何提高电路的性能等等。
通过对函数信号发生器的设计，我还深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。
而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。
最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。
也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。
在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。
而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧！
在实验过程中，遇到了不少的问题。
比如：
波形失真，甚至不出波形这样的问题。
在老师和同学的帮助下，最后把问题一一解决了。
实验中暴露出我在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，导致仿真过程十分困难。
在这次课程设计过程中通过互动指导，我根据老师的要求一步一步的制定并依次实施计划，并在设计计划执行过程中学会查阅资料，鼓励克服心理上的不良情绪，不断的学习和解决难题，不断磨练炼我的意志。
虽然这几天都在埋头苦干，但终于是完成了一份属于自己的课程设计，我为自己感到自豪。
此次课程设计为我今后的毕业设计做必要的准备，并为我毕业后的工作学习提供了借鉴思路。
参考文献
[1]谢自美.电力电子、电子线路设计·实验·测试（第三版）［M].华中科技大学出版社
[2]孙梅生，李美莺，徐振英.电子技术基础课程设计［M].高等教育出版社，2006.1
[3]梁宗善.电子技术基础课程设计［M].华中理工大学出版社，2005.12
[4]张玉璞，李庆常.电子技术课程设计［M].北京理工大学出版社，2013.11
[5]邱关源.电路第5版（原著邱关源修订罗先觉）［M].高等教育出版社，2006.5
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