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方波三角波正弦波
电子技术课程设计报告
方波—三角波—正弦波发生器的设计
姓名：
蒋小波
学号：
1138230110
专业班级：
自动化111
指导教师：
周晖、周柳娜
小组成员：
高宇、马强
广西大学行健文理学院
2014年3月
第一章函数发生器总方案及原理框图…………..........................................................2
1.1原理框图…………..........................................................................................2
1.2函数发生器的总方案.................................................................................2
第二章课程设计的目的和设计的要求………………………………………………………............3
2.1设计目的………………………………………………………………………………………………..3
2.2设计………………………………………………………………………………………………………..3
2.3设计要求………………………………………………………………………………………………..3
第三章课程设计电路说明…………………………………………………………………………………….4
3.1方波发生电路的工作原理.........................................................................4
3.2方波--三角波转换电路的工作原理……………………………………………………..5
3.3三角波--正弦波转换电路的工作原理………………………………………………...6
3.4总电路图……………………………………………………………………………………………….8
第四章原理分析……………………………………………………………………………………………….....9
4.1使用Multisim仿真…………………………………...........................…………….....9
4.2输出方波电路的仿真……………………………………………………………………...……9
4.3方波—三角波电路的仿真…………………………………………………………………..10
4.4三角波—正弦波电路的仿真…………………………………………………………..….10
第五章实验内容………………………………………………………………………………………………...11
5.1原理图………………………………………………………………………………………………..11
5.2PCB设计………………………………………………………………………………………..…...11
5.3制板…………………………………………………………………………………………............12
第六章方案特点及心得体会…………………………………………………………………………......13
参考文献………………………………………………………………………………………………………………..14
元件列表………………………………………………………………………………………………………………..15
第1章函数发生器总方案及原理框图
1.1原理框图
1.2函数发生器的总方案
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，
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。
第2章课程设计的目的和设计的要求
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设计任务
设计方波、三角波、正弦波函数信号发生器
2.3设计要求
（1）电路能输出正弦波、方波和三角波等三种波形；
（2）输出信号的频率要求可调；
（3）根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图；
（4）测量输出信号的幅度和频率；
（5）撰写设计报告。
技术指标：
频率范围：
10～100Hz；100Hz～1KHz；1KHz～10KHz；
输出电压：
方波VP-P=14V，三角波VP-P=5V，正弦波VP-P=3V；幅度都连续可调
第三章各组成部分的工作原理
3.1方波发生电路的工作原理
利用555与外围元件构成多谐振荡器，来产生方波的原理。
（如图1）
用555定时器组成的多谐振荡器如图所示。
接通电源后，电容C2被充电，当电容C2上端电压Vc升到2Vcc/3时使555第3脚V0为低电平，同时555内放电三极管T导通，此时电容C2通过R3、Rp放电，Vc下降。
当Vc下降到Vcc/3时，V0翻转为高电平。
电容器C2放电所需的时间为
tpL=（R3+Rp）C2ln2
当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R3、Rp向电容器C2充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为
tpH=（R1+R3+Rp）C2ln2=0.7（R1+R3+Rp）C2
当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。
如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。
图1由555定时器组成的多谐振荡器
3.2三角波发生电路的工作原理
图2积分电路
由555定时器组成的多谐振荡器输出的方波经C4耦合输出，如图2所示为RC积分电路，再经R与C积分，构成接近三角波。
其基本原理是电容的充放电原理。
工作原理如下：
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
比较器的门限宽度
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，则积分器的输出Uo2为
时，
时，
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。
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。
3.3正弦波发生电路的工作原理
图3差分放大电路
原理：
采用差分放大电路（如图3）的方法将三角波变换为正弦波。
工作原理：
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
——差分放大器的恒定电流；
——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。
为使输出波形更接近正弦波，由图可见：
（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）图为实现三角波——正弦波变换的电路。
其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2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C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。
3.4总电路图
图4函数发生器总电路图
总电路图的原理：
555定时器接成多谐振荡器工作形式，C2为定时电容，C2的充电回路是R2→R3→RP→C2；C2的放电回路是C2→RP→R3→IC的7脚（放电管）。
由于R3+RP》R2，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波。
按图所示元件参数，其频率为1kHz左右，调节电位器RP可改变振荡器的频率。
方波信号经R4、C5积分网络后，输出三角波。
三角波再经R5、C6积分网络，输出近似的正弦波。
C1是电源滤波电容。
发光二极管VD用作电源指示灯。
第四章调试结果及分析
4.1使用Multisim仿真
用Multisim12电路仿真软件进行仿真。
从Multisim12仿真元件库中调出所需元件，按电路图接好线路，如图5为接好后的电路图。
图5Multisim12仿真图
4.2输出方波电路的仿真
方波输出端接一个虚拟的示波器，接通电源后，可得如图所示的输出方波仿真图（如图6）。
图6输出方波电路的仿真
4.3方波—三角波电路的仿真
方法同输出方波电路的仿真方法，可得方波转三角波波形仿真图。
（如图7）
图7输出三角波电路的仿真
4.4三角波—正弦波电路的仿真
方法同输出方波电路的仿真方法，可得三角波转正弦波波形仿真图（如图8）。
图8输出正弦波电路的仿真
仿真结果完全符合设计要求，说明电路图可行，接下来就是PCB制图、制板、焊接、调试。
第五章protel的设计与制板
5.1画原理图
通过protel99se进行原理图的设计（如图9）：
1、在元件库中找到相应的原件；
2、将原件进行合理的放置，连线;
3、改好原件的名称
4、进行原件的封装，对于库中没有的原件，在库中新建文件夹， 按照实训要求将其制作，然后导入进元件库中就可以封装。
5、最后一步，对设计好之后的原理图进行检错。
图9原理图
5.2PCB板的设计
PCB板的设计要求：
电阻的焊盘大小为2mm，集成电路与数码管的焊盘为椭圆形，大小为1.4X2.4mm，按钮焊盘大小为3mm，单面版布线，布线最小宽度为0.5mm，电源线和地线加宽到1mm，尽量少用跳线，布局做到美观合理，导线要横平竖直，直线拐弯处要45度导角，不能用直角，直线间距要均分，元件排列整齐美观，疏密适当（如图10）。
图10PCB板
5.3制板
设计好PCB图后就可以开始制板了，首先打印出PCB图纸，包裹住已经准备好的覆铜板，在用电熨斗烫好，把图纸撕下来，再把覆铜板放到腐蚀液里面把多余的铜腐蚀掉，然后再用仪器把焊盘孔打好，再用砂纸打磨好，就可以用电骡铁把元件焊接好了。
（如图11就是已经制作完成的板了）
图11制作完成的板
第六章方案特点及心得体会
在这两个星期的课程设计中，我充分的体会到了和团队成员一起学习生活的乐趣。
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。
在我做这个课程设计的时候，我和我的小队成员通过出查阅资料，找到了两种方案，一种是通过555芯片产生方波然后积分得到三角波，最后在通过低通滤波电路得到正弦波。
第二种方案是RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法。
经过小组的讨论，我们采用了第一种方法，因为第一种方法耗费的成本低，框架简单利于制板，而第二种方法具有良好的正弦波和方波信号。
但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。
原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。
若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。
所以我们选择了第一种方法。
在实验过程中，我们遇到了不少的问题。
中暴露出我们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，让我意识到了自己的不足之处。
其次，这次课程设计提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契，体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦，体会到成功来自于汗水，体会到成果的来之不易。
在此，我和我的小队成员非常感谢老师在我们的这次课程设计中对我们不懂和迷惑的地方耐心的教导并且给予了巨大的帮助。
参考文献
[1]康华光.电子技术基础（数字部分）[M].第五版.北京：
高等教育出版社，2006.414-424
[2]稻叶保.振荡电路的设计与应用[M].北京：
科学出版社，2004.29-99
[3]王立欣，杨春玲.电子技术实验与课程设计[M].哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，2003.98-99
[4]陶桓奇，张小华，彭其胜.模拟电子技术[M].武汉：
华中科技大学出版社，2007.170-230
[5]何宝祥，朱正伟，刘训飞，储开斌.模拟电路及其应用[M].北京：
清华大学出版社，2008.104-195
[6]DavidA.JohnsKenMartin.模拟集成电路设计[M].北京：
机械工业出版社，2005.213-495
元件列表
表一仪器清单表
类型
规格
数量
备注
电阻
0.51K/55v
1
1K/110v
1
15K/220v
1
47K/220v
1
芯片
555芯片
1
电解电容
100uF/18v
1
10uF/14v
1
电容
0.47uF/8v
1
0.1uF/6v
2
0.01uF/5v
2
变阻器
20K/220v
1
100K/220v
1
10K/220v
1
1K/220v
1
发光二极管
LED
1
升级会员 