模拟电子技术课程设计波形发生器.docx

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模拟电子技术课程设计波形发生器

烟台南山学院

模拟电子技术课程设计

题目波形发生器

**************************

所在学院：

计算机与电气自动化学院

所学专业：

自动化

班级自动化1202

学号************

*************************

完成时间：

2013年12月

模电课程设计任务书

一、基本情况

学时：

40学时学分：

1学分课程设计代码：

07120102

适应班级：

电气工程、自动化

二、进度安排

本设计共安排1周，合计40学时，具体分配如下：

实习动员及准备工作：

2学时

总体方案设计：

4学时

查阅资料，讨论设计：

24学时

撰写设计报告：

8学时

总结：

2学时

教师辅导：

随时

三、基本要求

1、课程设计的基本要求

模电课程设计是在学习完模拟电子技术课程之后，按照课程教学要求，对学生进行综合性训练的一个实践教学环节。

主要是培养学生综合运用理论知识的能力，分析问题和解决问题的能力，以及根据实际要求进行独立设计的能力。

初步掌握模拟电子线路的安装、布线、焊接、调试等基本技能；熟练掌握电子电路基本元器件的使用方法，训练、提高读图能力；掌握组装调试方法。

其中理论设计包括总体方案选择，具体电路设计，选择元器件及计算参数等，课程设计的最后要求是写出设计总结报告，把设计内容进行全面的总结，若有实践条件，把实践内容上升到理论高度。

2、课程设计的教学要求

模电课程设计的教学采用相对集中的方式进行，以班为单位全班学生集中到设计室进行。

做到实训教学课堂化，严格考勤制度，在实训期间累计旷课达到6节以上，或者迟到、早退累计达到8次以上的学生，该课程考核按不及格处理。

在实训期间需要外出查找资料，必须在指定的时间内方可外出。

课程设计的任务相对分散，每3名学生组成一个小组，完成一个课题的设计。

小组成员既有分工、又要协作，同一小组的成员之间可以相互探讨、协商，可以互相借鉴或

参考别人的设计方法和经验。

但每个学生必须单独完成设计任务，要有完整的设计资料，独立撰写设计报告，设计报告雷同率超过50%的课程设计考核按不及格处理。

四、设计题目及控制要求

设计制作一台能产生方波、三角波和正弦波的波形发生器。

要求：

①输出波形频率范围为0.02Hz∽20kHz且连续可调；

②正弦波幅值为±10V，失真度小于2%；③方波幅值为10V；

④三角波峰-峰值为20V；

⑤各种波形幅值均连续可调。

五、设计报告

设计完成后，必须撰写课程设计报告。

设计报告必须独立完成，格式符合要求，文字（不含图形、程序）不少于2000字，图形绘制规范。

设计报告的格式如下：

1、封面

2、内容提要

3、目录

4、正文

（1）所作题目的意义、本人所做的工作及系统的主要功能；

（2）方案选择及论证；（3）元器件的选择；

（4）设计过程中出现问题的解决方法；

5、心得体会6、参考文献

六、考核方法

模电课程设计的考核方式为考查，考核结果为优秀、良好、中等、及格和不及格五等，分数在90-100之间为优秀，80-89分之间为良好，70-79分之间为中等，60-69分之间为及格，60分以下为不及格。

考核分三个方面进行：

平时考勤：

30%；实验及设计成果质量：

40%；课程设计报告：

30%。

有下列情形之一者，课程设计考核按不及格处理：

1、设计期间累计迟到、早退达8次；2、设计期间累计旷课达6节；

3、设计报告雷同率超50%或无设计报告；4、不能完成设计任务，达不到设计要求。

摘要

当今世界在以电子信息技术为前提下推动了社会跨越式的进步，科学技术的飞速发展日新月异带动了各国生产力的大规模提高。

由此可见科技已成为各国竞争的核心，尤其是电子通信方面更显得尤为重要，在国民生产各部门都得到了广泛的应用，而各种仪器在科技的作用性也非常重要，如信号发生器、单片机、集成电路等。

信号发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。

常用超低频信号发生器的输出只有几种固定的波形，有方波、三角波、正弦波、锯齿波等，不能更改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LM324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。

本系统本课题将介绍由LM324集成电路组成的方波—三角波—正弦波函数信号发生器的设计方法，了解多功能函数信号发生器的功能及特点，进一步掌握波形参数的测试方法，制作这种低频的函数信号发生器成本较低，适合学生学习电子技术测量使用。

制作时只需要个别的外部元件就能产生正弦波、三角波、方波等脉冲信号。

输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。

关键字：

信号发生器、波形转换、LM324

1绪论

1.1课题背景

信号发生器是一类非常重要的电子仪器，在做实验、进行产品研制和调试以及系统测试中都是必不可少的，而一般的信号发生器是由硬件组成的，它的输出频率范围宽，各项指标高，性能优良，因而在对输出波形要求较高的地方被广泛采用。

这种仪器的缺点是电路复杂，成本高，输出波形种类不多，不够灵活。

在对波形指标要求不高、频率要求较低的场合，可以用单片机构成一个波形发生器，产生所需要的各种波形．这样的函数发生器靠软件产生各种波形，小巧灵活，便于修改，且成本低廉，容易实现。

但受单片机工作频率的限制，它所构成的波形发生器的输出频率较低，各项指标也都不太高，只能用于对波形要求不高的场合。

1.2波形发生器简介

波形发生器是一种数据信号发生器，在调试硬件时，常常需要加入一些信号，以观察电路工作是否正常。

用一般的信号发生器，不但笨重，而且只发一些简单的波形，不能满足需要。

例如用户要调试程序时，就要在计算机上写好一段程序，再用线连接计算机和用户实验板，如果不正常，不知道是通讯线有问题还是程序有问题。

用E2000/L的波形发生器功能，就可以定义串口数据。

通过逻辑探勾输出，调试起来简单快捷。

2系统方案设计

2.1设计任务和要求

设计制作一台能产生方波、三角波和正弦波的波形发生器。

要求：

①输出波形频率范围为0.02Hz∽20kHz且连续可调；

②正弦波幅值为±10V，失真度小于2%；

③方波幅值为10V；

④三角波峰-峰值为20V；

⑤各种波形幅值均连续可调。

2.2设计目的

1．巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识能力。

2．培养根据课题需要选学参考书籍，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。

通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。

3．通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件。

4．了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。

5．培养严肃、认真的工作作风和科学态度。

2.3设计思路

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。

由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路如图2.1所示：

图2.1设计框图

系统设计电路总图如图2.2所示：

图2.2系统设计电路总图

3各单元工作原理

3.1波形发生器

因为方波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平（如图3.1所示），所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈---正反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。

方波电压状态如图3.1所示：

图3.1方波电压状态

此电路由反相的输入比较器和RC电路组成（如图3.2所示）。

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Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+Ut。

Uo通过R1对电容C正向充电。

反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，从Uo=+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。

随后，Uo又通过R1对电容C反向充电。

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=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，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。

方波发生电路如下图3.2所示：

图3.2方波发生器电路图

方波仿真图如下图3.3所示：

图3.3方波仿真图

3.2方波—三角波转换电路

当方波发生电路的输出电压Uo=+Uz时，积分运算电路的输出电压Uo将线性下降；而当Uo=-Uz时，Uo将线性上升。

积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压Uo1，而且Uo1不是+Uz，就是-Uz。

设初态时正好从-Uz跃变为+Uz，则积分电路反向积分，Uo随时间的增长线形下降，一旦Uo=-Ut，再稍减小，Uo1将从+Uz跃变为-Uz。

积分电路正向积分，Uo随时间的增长线形增大，一旦Uo=+Ut，再稍增大，Uo1将从-Uz跃变为+Uz，回到初态，积分电路又开始反向积分。

电路重复上述过程，因此产生自激振荡，三角波发生电路如图3.4所示：

图3.4方波—三角波发生电路

方波-三角波波形如图3.5和仿真图图3.6所示：

图3.5方波-三角波波形

图3.6方波-三角波仿真图

3.3三角波---正弦波转换电路

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。

正弦波电路如图3.7所示：

图3.7正弦波电路

为使输出波形更接近正弦波：

（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R4和R12调节三角波的幅度，R13调整电路的对称性。

电容C1为隔直电容，C2和C3为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

（4）正弦波电路仿真图3.8：

图3.8正弦波电路仿真

总结

经过一个星期的课程设计，收获了挺多的。

一个星期大都是在图书馆或是电脑上花费的，主要是查找实验相关的资料并设计出合理的实验方案，单就方案设计就让人头疼，不过依靠现在发达的科技以及图书馆的丰富的资料，终于设计出了合理的方案。

方案设计都还是挺顺利的，在刘老师的检查下，方案得到了刘老师的认可，接下来便是设计方案。

在这方面，存在挺多问题的，像是电路的设计，元件的选择都挺难的，总之要细心加耐心。

在刘老师的指导下，我们改变了电路中电容的值，经过老师的多次指导，频率范围变宽了，基本达到了要求。

在这次设计课我懂的了，很多东西，明白耐心，细心的重要，也体会了自己创造的成果带来的喜悦，也明白很多知识，知道自己在那些方面存在着不足，通过这次得已明白。

也明白了只有理论和实践结合起来才是最终的目的。

对一学期以来所学的电子方面的知识也重新学习和复习了一遍，也对自己在模拟电子方面能力有了更客观的认识和评价。

在这次设计过程中，从最基本的查元件，找资料做起，了解了完整的电子设计的一般步骤，也和同学们共同探讨，学到了很多课堂上学不到的东西，也遇到了各种各样从没想过的问题，通过请教老师，和同学交流，并真的解决了它们，可以说是为我们以后在电子领域的发展做了一些有益的尝试，同时也使我增加了对电子方面知识的兴趣，也从中发现了自己的一些不尽如人意的地方，以后要多改进。

最后，在这里也非常感谢指导老师，感谢老师的耐心指导。

这次课设实验感受挺多的，其实整个阶段挺快乐，同时让我明白了只有实践了，你才能得出正确的答案，而理论，你只能当做参考，理论得到实践才是真知。

这次课程设计的经历将是作为财富而不仅仅是经验。

课程设计就是将理论知识在实际中验证，应运于实际这才是学习的目的。

参考文献

1.杨素行主编.模拟电子技术基础简明教程（第三版）.清华大学，高等教育出版社.2005.10

2.李万臣主编．模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，2001.3

3.胡宴如主编.模拟电子技术.北京.高等教育出版社，2000

4.邓谦、刘清平、张琦、黄丽贞主编.电子技术事件2（低频电子线路）实验指导书.2003.10

5.《电子设计应用》2009年第5期国家一级科技期刊.2009.5

6.《电子器件》2009年第32卷第3期中国科技核心期刊.2009.3

7..《电子线路课程设计》北京.电子工业出版社.2003.2

8..童诗白主编．模拟电子技术基础（第四版）．北京.高等教育出版社.2005.12

附录

附录1

表1电路元器件清单

主要元件

规格

稳压管

两个

芯片

一个LM324

电阻

一个1KΩ

一个8.2KΩ

五个10KΩ

一个47KΩ

电位器

一个50

一个200K

两个1M

电容

三个0.1μF

一个1μF

附录2

LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器，芯片外观如图1所示。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

图1外观图

4和11为直流电源输入管脚，图中有四组运放，每组运放的功能和特点均相同，使用时可以任选其一。

例如，2和3管脚分别是信号反相和同向输入端，1管脚是信号输出端。

使用时注意若芯片发烫，则此组运放可能已经烧坏，可以改用另一组运放使用。

LM324的引脚排列如图2所示：