1、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
2、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
3、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:输出波形频率范围为0.02Hz20kHz且连续可调;正弦波幅值
4、为10V,失真度小于2%;方波幅值为10V;三角波峰-峰值为20V;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,
5、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
6、,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
7、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、LM3241 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
8、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
9、弦波的波形发生器。要求:输出波形频率范围为0.02Hz20kHz且连续可调;正弦波幅值为10V,失真度小于2%;方波幅值为10V;三角波峰-峰值为20V;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
10、。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
11、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
12、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
13、,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
14、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
15、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
16、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
17、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.2005.102.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,2001.33.胡宴如主编. 模拟电子技术. 北京. 高等教育出版社,20004.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.2003.105.电子设计应用2009年第5期 国家一级科技期刊.2009.56.电子器件2009年第32卷 第3期 中国科技核心期刊.20
18、09.37.电子线路课程设计北京.电子工业出版社.2003.28.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1K一个8.2K五个10K一个47K电位器一个50一个200K两个1M电容三个0.1F一个1F附录2LM324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:
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