信号发生器的设计说明.docx

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信号发生器的设计说明

信号发生器的设计

摘要

　　本设计以用集成运放LM324和74HC04设计并制作一简易函数信号发生器，制作成本较低。

适合学生学习电子技术测量使用。

ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。

输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。

另外由于该芯片具有调制信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制

　　函数信号发生器是一种能能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

函数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。

现在我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能输出幅度、频率可调的方波、矩形波、正弦波简易发生器。

我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。

在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。

按照设计的方案选择具体的原件，焊接出具体的实物图，并在实验室对焊接好的实物图进行调试，观察效果并与课题要求的性能指标作对比。

　　关键字：

LM324，74HC04，方案确定、参数计算、调试、。

1方案比较与选择（须详细阐述创新点或新见解）

2电路仿真与分析

2.1电路仿真

2.2电路分析

3调制结果和制板

4电路板制作、焊接、调试

4.1电路板制作

4.2电路板焊接

4.3电路板调试

5讨论及进一步研究建议

1．方案比较与选择

　　本次课程设计我们运用的方案如下（即方案一）：

　　用方波发生器产生方波和矩形波，通过二阶有源低通滤波器将方波分压滤波产生正弦波。

最后用电压放大器，实现幅值可调。

　　性能和可行性评价：

能实现频率、幅值、占空比可调，且结构简单，容易进行PCB排版，需要的器件少。

　　选择理由：

1）为了保证设计的成功率，2）减少设计成本，3）稳定性高。

　　电路原理图：

　　仿真结果：

输出方波波形：

　　输出矩形波：

（占空比为70%）

　　输出正弦波：

　　各组成部分分析：

（1）模拟比较器：

（2）作用：

输出Vpp=18V（正负9V）左右的方波信号

（2）二阶有源低通滤波器（LPF）

　　低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。

　　如图9－2（a）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。

它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。

　　图9－2（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。

                                                                             （a）电路图　　　　　　　　　　　　　（b）频率特性

　　图9－2二阶低通滤波器

　　电路性能参数

　　二阶低通滤波器的通带增益

　　截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。

　　品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。

　　二阶低通滤波器仿真图：

　　幅频响应曲线

　　相频响应曲线

　　其他比较方案：

　　方案二：

　　用三角波和方波发生器产生方波和三角，经过电压跟随器，二阶有源低通滤波器，将三角波变换成正弦波。

最后是电压放大器，实现幅值可调。

　　性能介绍：

能实现频率、幅度可调，占空比可调，可产生方波，矩形波，三角波，正弦波。

但是结构复杂，波形稳定性比较差。

　　电路原理图：

　　仿真结果：

　　方波输出

　　三角波输出

　　正弦波输出

　　矩形波输出（占空比约为70%）

　　锯齿波输出（上升时间约占70%）

（1）三角波和方波发生器

　　如把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图11－3所示，则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。

图11－4为方波、三角波发生器输出波形图。

由于采用运放组成的积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波线性大大改善。

　　图11-3三角波、方波发生器

　　电路振荡频率　　

　方波幅值　

　　三角波幅值　　

　　调节RW可以改变振荡频率，改变比值可调节三角波的幅值。

　　图11－4　方波、三角波发生器输出波形图

（2）二阶有源低通滤波器（LPF）

　　低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。

　　如图9－2（a）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。

它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。

　　图9－2（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。

                                                                                  （a）电路图　　　　　　　　　　　　　（b）频率特性

图9－2二阶低通滤波器

　　电路性能参数

　二阶低通滤波器的通带增益

　截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。

　　品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。

　　二阶低通滤波器仿真图：

　　幅频响应曲线

　　相频响应曲线

　　方案三：

用单片集成函数发生器5G8038

分析比较：

　　方案一能实现频率、幅值、占空比可调，且结构简单，需要的器件少。

方案二能实现频率可调，占空比可调，但是结构复杂，波形稳定性比较差。

方案三用到的是集成电路，外围电路比较简单，输出波形准确稳定。

但为了锻炼动手实践能力，最好不要用集成电路。

　　比较讨论结果：

方案一主要用的是二极管、电阻、运放等电器原件，结构设计简单而且排版比较容易。

为了提高设计成功率和节省材料，我们一致决定运用第一钟方案。

2.电路仿真与分析

2.1电路仿真步骤：

（1）画好方案一的电路图后，点击Pspice\NewSimulationProfile功能选项，打开NewSimulation对话框，在Name栏输入仿真参数文件的名称sdff，再单击Create按钮，将会出现SimulationSetting－sdff对话框。

（2）在Analysis页的Analysistype栏选择timedomain选项来设置静态分析。

接着把run-to设为10ms,起始时间为0，确定后退出。

（3）在VO2，VO3处加上电压探针，单击Pspice\Run执行仿真，这时，Probe窗口就显示出曲线或波形。

2.2电路仿真结果

　　仿真结果：

输出方波波形：

　　输出矩形波：

（占空比为70%）调节可变电阻R11可调节占空比。

　　输出正弦波：

2.3电路各组成部分分析：

（1）模拟比较器：

　　作用：

输出Vpp=18V（正负9V）左右的方波信号

（2）二阶有源低通滤波器（LPF）

　　低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。

　　如图9－2（a）所示，为典型的二阶有源低通滤波器。

它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。

　　图9－2（b）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。

                                                                                （a）电路图　　　　　　　　　　　　　（b）频率特性

　　图9－2二阶低通滤波器

　　电路性能参数 

　二阶低通滤波器的通带增益

　截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。

　　品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。

　　二阶低通滤波器仿真图：

　　幅频响应曲线

　　相频响应曲线

3调试结果

3.1电路板原形：

（如图）

正面图：

背面图：

3.2调试波形：

（1）方波波形

（2）占空比大于50%的矩形波：

（3）占空比小于50%的矩形波：

（4）幅度为9V的正弦波：

（5）幅度为3V的正弦波：

4电路板制作、焊接、调试

4.1制作过程中我们遇到一个比较突出的问题是有些线之间的距离太近，很容易造成打印出来的墨迹接在一起，所以我们在PCB板电布线的时候应当在保证线的宽度的前提下尽可能增大各线之间的距离。

4.2由于焊锡只对铜面具有粘性，对电路板上的塑料面很难进行黏合。

所以在焊接时，元件能不能很好的固定在电路板上，桩孔附近的铜面面积是关键，如果孔周围的铜面太小，焊锡就很难是元件固定在电路板上。

因此，在PCB板布线时，尽可能使电路线加宽，最好能在1MM到1.5MM之间。

或者在腐蚀前，用墨笔加大桩孔附近的墨迹。

4.3调试是实现设计电路功能的最后一步，只要制作和焊接过程顺利，加上电路设计的合理性和可行性，实验输出的理论波形是没问题的。

但是我们还是要注意电源正负级的接触，和调试时注意力度。

无论有没有出现自己理想中的波形和数据，我们应该都要有耐心去解决。

4.讨论及进一步研究建议

　　本次设计的信号发生器的基本要求我们已经完全达到，而且多加了一些由我们自行设计增加的功能，本设计电路中可由可变电阻R16调节频率大小，通过可变电阻R15可调节占空比，同时方波和正弦波的输出幅度也可调。

频率的可调围可在100HZ到1KHZ，占空比的理论可调围是0到100%，幅度的可调围在0到9V之间。

当R15等于10K时，可输出方波和正弦波。

　　在设计之初，我们还设想在电压比较器之后加入一个积分电路，使之产生三角波，并由R15的改变产生锯齿波，而且保持电路原来的功能不变。

　　设计仿真和制作过程中我们遇到遇到一个小问题，那就是在调节占空比的时候稍微影响到频率的大小，我们也设想能对电路进行改进使占空比的调节不能干涉频率的大小。

　　然而，由于实习设计时间、电路板大小、PCB板布线、电路工作的稳定性等因素的影响，我们只能停止进一步增加设计创新点的设想。

5.课程设计心得

　　从1月8号开始到今天，我们组成功提前完成了本次课程设计，在设计、仿真、制板、焊接、调制过程中，每一步都进展得很顺利，并最终准确实现设计的功能。

之所以得到这样的成功与我们每个组员严谨积极的态度和合理的分工密不可分，因为大家在整个过程真的很尽心尽力。

　　在设计前为了得到充分的理论依据，大家认真的查阅之前学习过模电、高频等专业学科的课本和相关的指导书；为了熟练掌握设计工具POTEL，大家到图书馆借了很多关于POTEL的书籍一边学习一边运用。

完成设计的电路图之后，我们没有并没有沾沾自喜，而是不断对电路进行改进和更改。

经过不断改进，我们设计的输出波形更加准确更加稳定，之后我们不再局限于老师规定的功能要求，在保证基本功能的前提下做了大的改进，增加了频率、幅度和占空比可调的功能。

但由于时间有限，我们没能再进一步对电路进行改进，这确实是一个遗憾。

　　在制板和焊接过程，我们采取了分工合作的做法，大家都很认真的完成自己的分配的工作。

当其中一个跟在做自己分配的工作时，其他两个都会旁边给于支持和帮助，因为相互提醒的缘故，整个过程避免了很多无谓的过失，使制作焊接得以顺利进行，并最终比其他人开始进行调试。

　　最后进行的是调试，由于之前每一步都进行得非常顺利，我们几乎不费吹灰之力就在调试时我们得到了几天来努力的成果：

功能全部实现，波形非常准确。

——提前完成实习任务。

　　几天来我们深刻感受到扎实的专业知识和严谨的精神的重要性。

如果没有丰富的参考资料和对专业知识的掌握，我们想得到能实现基本的功能的电路真的很不容易，更不用提在基本功能的基础上加以创新。

如果没有严谨的工作态度，即使电路设计再完美，分析再怎么精确，也很有可能调制不出最基本的功能。

因为这次实习，我们更加熟练掌握了CAD的运用和专业知识的理解。

同时也让我们学到新的工程专业重要的软件工具POTEL。

希望以后还会有更多这样的机会。