多测试信号发生器全硬件实现设计.docx
《多测试信号发生器全硬件实现设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多测试信号发生器全硬件实现设计.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
多测试信号发生器全硬件实现设计
多测试信号发生器全硬件实现设计
摘要：
本设计完成产生矩形波、正弦波、锯齿波、阶梯波线路原理图设计。
并设计出硬件，主要利用按键来控制不同波形的输出，通过不同的按键函数发生器就输出不同的信号。
通过按键可以以任意循环方式输出不同波形。
再通过调节电阻实现波形频率、幅度的调节。
关键词：
信号发生器、线路设计、硬件、调节
Muchofthetestingsignalgeneratorallthehardwarerealizationdesign
Abstract：
Thisdesigncompletedrectanglepulse,sinewave,sawtoothwave,ladderwavelinedesignandimplementation.Anddesignthehardware,themainusebuttontocontroltheoutputofthedifferentwaveform,throughthedifferentkeysfunctiongeneratoristheoutputofdifferentsignals.Throughthebuttonscaninanywaydifferentwaveformsoutputcycle.Thenthroughthebuttonrealizefrequency,amplitudewaveformstheadjustment.
KeyWords:
Signalgenerator,circuitdesign,hardware,regulation
目录
前言1
第一章绪论2
第二章多测试信号发生器方案制定3
2.1发生器原理框图3
第三章各信号发生器的线路设计5
3.1方波发生电路5
3.1.1电路组成5
3.1.2方波发生电路的工作原理5
3.2方波—三角波转换电路6
3.2.1电路组成6
3.2.2方波—三角波转换电路的工作原理7
3.2.3振荡频率7
3.3三角波—正弦波转换电路8
3.3.1三角波—正弦波转换电路工作原理8
3.4方波—锯齿波转换电路8
3.4.1电路组成8
3.4.2方波—锯齿波转换电路的工作原理9
3.5多测试信号发生器总电路原理图设计10
第四章软件仿真11
4.1仿真软件介绍11
4.2输出方波电路的仿真12
4.3三角波电路的仿真12
4.4正弦波电路的仿真13
4.5锯齿波电路的仿真14
第五章多测试信号发生器硬件设计15
5.1元件清单15
5.2主要元件介绍15
5.2.1LM324N芯片作用15
结束语17
致谢18
参考文献19
前言
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。
波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。
目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。
信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。
绪论
第二章多测试信号发生器方案制定
2.1发生器原理框图
原理框图是表示用框图的形式来表达其原理，它的作用在于能够清晰地表达比较复杂原理。
原理框图已经广泛应用于计算机程序设计、工序流程的表述、设计方案的比较等方面，也是表示各电子器件的工作原理最方便的工具，并将成为日常生活和各门学科中进行交流的一种常用表达方式。
根据本设计要求，确定方波、三角波、正弦波、锯齿波信号发生器的原理框图，如图2-1。
图2-1发生器原理框图
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
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，对原器件要求不高，且成本低廉、调整方便。
第三章各信号发生器的线路设计
3.1方波发生电路
3.1.1电路组成
方波产生电路如图3-1所示，它是在迟滞比较器的基础上，把输出电压经Rf、C反馈到集成运放的反相端。
在运放的输出端引入限流电阻R和两个稳压管而组成的双向限幅电路。
图3-1方波信号发生原理图
3.1.2方波发生电路的工作原理
此电路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。
设某一时刻输出电压+Uz，此时滞回电压比较器的门限电压为UTH2。
输出信号通过R对电容C1正向充电，充电波形如图3-2所示。
当该电压上升到UTH2时，电路的输出电压变为-UZ，门限电压也随之变为UTH1，电容C1经电阻R放电。
当该电压下降到ＵTH１时，输出电压又回到+Uz，电容又开始正相充电。
上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。
图3-2方波信号发生波形
3.2方波—三角波转换电路
3.2.1电路组成
根据RC积分电路输入和输出信号波形的关系可知，当ＲＣ积分电路的输入信号为方波时，输出信号就是三角波，由此可得，利用方波信号发生器和ＲＣ积分电路就可以组成三角波信号发生器，如图3-3所示。
图3-3积分电路产生三角波
3.2.2方波—三角波转换电路的工作原理
该电路的工作原理是：
方波信号发生器输出的方波输入积分电路，在积分电路的输出端得到三角波信号。
积分电路的输出端除了输出三角波信号外，还通过电阻R1，Rp1将三角波信号反馈到滞回电压比较器的输入端，将三角波信号整形变成方波信号输出。
该电路工作波形图如图3-4。
图3-4三角波波形图
3.2.3振荡频率
因为，该电路振荡信号的频率与三角波输出信号的幅度有关，所以要确定该电路的振荡频率，必须先确定三角波信号的输出幅度。
三角波输出信号的幅度等于滞回电压比较器的阈值电压，根据叠加定理可求出滞回电压比较器的阈值电压为
U+=UOR1/（R1+R2）-UOR2（R1+R2）=U-=0
由此可得输出信号的幅度为：
Uom=UTH=R1Uz/R2
设积分电路的输出电压从+Uom到－Uom所需要的时间为t，根据积分电路输出电压和输入电压的关系式可得
2Uom=Uo1×t/（C×R4）
即t=2R4×C1×Uom/Uz=2R1×R4×C1/R2
因三角波信号的周期为2t,所以三角波输出信号的频率为
f=R2/（4R1×R4×C1）
3.3三角波—正弦波转换电路
3.3.1三角波—正弦波转换电路工作原理
采用低通滤波的方法将三角波变换为正弦波。
其电路原理图和波形图分别如图3-5、图3-6所示。
图3-5三角波—正弦波转换电路原理图
图3-6正弦波波形图
3.4方波—锯齿波转换电路
3.4.1电路组成
三角波信号的特征是波形上升和下降的斜率相同，当波形上升和下降的斜率不同时，三角波就转化成锯齿波。
根据这个特征，只要将图3-3的电路中的积分电路改成时间常数随方波输出极性而变化的电路，即可组成锯齿波信号发生器。
电路原理图如图3-7所示。
图3-7锯齿波产生原理图
3.4.2方波—锯齿波转换电路的工作原理
图2-7中的二极管D3和D4的作用是改变积分电路的时间常数，当输入为+Uz时，D3导通，D4断开，积分电路的时间常数为R（8到12）C1；当输入为－Uz时，D3断，D4通，积分电路的时间常数为R（6到12）C1.可得
T=t1+t2=2（R4+R5）R1C1/R2
锯齿波波形图如图3-8所示。
图3-8锯齿波波形图
3.5多测试信号发生器总电路原理图设计
根据发生器各组成部分的线路原理图设计，将各电路图依次组合，绘制设计出总电路图，如图3-9所示。
图3-9多测试信号发生器总电路原理图
图中S1开关可实现各种波形切换，滑动变阻器Rp2可实现不同频率调节，调节Rp1可实现方波占空比的调节，最主要的是可将三角波转换为锯齿波，调节Rp3可调节输出波形不同的幅值。
第四章软件仿真
4.1仿真软件介绍
本设计使用的仿真软件为Multisim10仿真软件。
Multisim10是美国国家仪器公司（NI，NationalInstruments）最新推出的Multisim最新版本。
软件主窗口如图4-1所示。
图4-1Multisim10的主窗口
利用NIMultisim10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：
设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。
4.2输出方波电路的仿真
用Multisim10电路仿真软件进行仿真。
从Multisim10仿真元件库中调出所需元件，按电路图接好线路，方波输出端接一个虚拟的示波器，接通电源后，将S1开关打到方波信号线档，可得如图4-2所示的输出方波仿真图。
图4-2输出方波电路仿真
4.3三角波电路的仿真
方法同输出方波电路的仿真方法，将S1开关打到三角波信号线档即可得图4-3所示的方波转三角波波形仿真图。
图4-3 输出三角波电路仿真
4.4正弦波电路的仿真
方法同输出方波电路的仿真方法，将S1开关打到正弦波信号线档即可得图4-4所示的正弦波波形仿真图。
图4-4输出正弦波电路仿真
4.5锯齿波电路的仿真
方法同输出方波电路的仿真方法，将S1开关打到三角波信号线档，调节可调电阻Rp1,最好是0%或100%即可得图4-5所示的锯齿波波形仿真图。
图4-5输出锯齿波电路仿真
第五章多测试信号发生器硬件设计
5.1元件清单
根据所设计的总电路原理图，例举出所需要的元器件见表5-1。
表5-1元器件清单表
类型
规格
数量
备注
电阻
0.51K
3
1K
1
2K
1
10K
3
100K
2
滑动变阻器
1K
1
20K
1
500K
1
芯片
LM324N
1
电容
4.7uF
1
2.2uF
3
1uF
1
开关
单刀四掷开关
1
普通二极管
2
稳压二极管
2
5.2主要元件介绍
5.2.1LM324N芯片作用
本设计采用采用带有差动输入的四运算放大器LM324N为核心器件，其工作过程是先由滞回比较器产生方波，再把方波由积分器进行积分，产生三角波，再由二阶有源低通滤波器，产生正弦波，其原理图如图5-1所示。
电路图如图5-2所示，各引脚说明：
1、7、8、14、输出端，2、6、9、13为反向输入端，3、5、10、12为同向输入端，4是电源，11是接地。
图5-1LM324N芯片作用原理图
图5-2LM324N芯片电路图
结束语
为期几天的课程设计已经结束，在这几天的学习、设计、及电路设计过程中我感触颇深。
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。
他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。
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，因为你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，我们遇到了不少的问题。
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，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啦。
实验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，老师们不厌其烦地为我们调整波形，讲解知识点，实在令我感动。
最后用一句话来结束吧：
“实践是检验真理的唯一标准”。
致谢
毕业设计是对我们的一次综合训练，在此过程中，不但需要我们独立设计思考，而且也需要老师和同学的关心帮助。
从一开始本人就很重视毕业设计，也在此次设计中有很大的收获。
此次设计将近一个学期，从无从下手到所有任务的完成，培养了我们独立进行设计的能力，查找资料、搜集材料的能力，提高了对电路原理分析和设计的能力。
在设计过程中，赵曾贻老师无私的挤出时间来细心的指导我们的毕业设计，耐心的告所我们设计中的错误。
并借阅给我们很多有关设计课题的书籍资料。
使我能较顺利的完成毕业设计。
同时感谢同组的同学们，在设计攻关时帮助我借书并一起探讨设计方案，在每次有关于毕业设计的通知或消息时，都及时的告所我。
在此表示感谢。
诚挚祝福他们身体健康，万事如意。
同时，感谢大学期间各位教师的悉心教导。
参考文献
[1]张国雄.测控电路.机械工业出版社,2001.8
[2]赵负图.现代传感器集成电路.人民邮电出版社,2000.1
[3]刘征宇.线性放大器应用手册.福建科学技术出版社,2005.1
[4]蔡锦福.运算放大器原理与应用.科学出版社,2005.7
[5]孙俊逸.函数信号发生器原理及应用[M].清华大学出版社,2002
[6]刘守义.信号发生器\集成振荡器应用技术.西安电子科技大学出版社,2002.8
升级会员 