函数信号发生器模拟电子技术课程设计

模拟电子技术课程设计题 目： 函数发生器 专 业： 10自动化（2） 学 号： 201010320220 姓 名： 完成日期： 指导教师： 2012-4-30 模拟电子技术课程设计任务书班级：10自动化（2） 姓名： 指导教师： 2012年4月23日设计题目： 函数发生器设计任务要求设计一个方波三角波正弦波发生器，频率范围10Hz100Hz，100Hz1KHz，1KHz10KHz ，正弦波Upp3v，三角波Upp5v，方波Upp14v，幅度连续可调，线性失真小。设计要求1、调研，查找并收集资料；2、总体方案设计，画出框图；3、单元电路设计；4、电气原理设计用计算机绘制电气原理图；5、列写元器件明细表；6、撰写设计说明书（字数2000左右）7、参考资料目录。参考资料童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.4版.北京：高等教育出版社康华光.电子技术基础-模拟部分.5版. 北京：高等教育出版社博伊尔斯塔德著，李立华译.模拟电子技术.北京：电子工业出版社目录1、引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12、总体方案与原理说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23、单元电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3a、电源电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3b、555方波产生电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3c、正弦波产生电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5d、三角波产生电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7e、方波产生电路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94、总体电路原理相关说明总体电路原理图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125、元件清单. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14设计心得体会. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15引 言尽管近30年来以大规模集成工艺为依托的各种数字电路的问世，逐渐代替了各种传统的模拟电路的应用领域，但是物理世界毕竟还是模拟的，与物理世界各种现象的接口，仍然需要靠模拟电路来承担。即便在某一功能块中，模拟电路所占份量可能很少，但是这一部分或许是整个系统就设计和实现来说最具挑战性的部分，而且往往在系统性能上起着关键作用。尤其是当速度和功率成为至关重要的因素时，模拟电路就更显突出。运算放大器和各种模拟集成电路是应用最为广泛的一类模拟器件。随着及程度的提高、性能的改善，愈来愈受到人们的青睐；在工业控制、遥控遥测、仪表仪器等领域成为不可或缺的器件。传统上隶属于模拟电子学领域的很多功能，今天都用数字形式给予实现了。然而，物理世界本来就是模拟的，这表明，总是需要模拟电路去适应这些物理信号，像与传感器相连的电路，以及把模拟信息转换为数字信息，供进一步处理，和从数字信息转换回模拟信息供物理世界再利用等这样一些电路，都还需要用到模拟电路。因此，当今的许多应用，最好是由混合模式的集成电路（混合模式IC）和系统来提出。它依赖模拟电路与物理世界接口，而数字电路则用作处理和控制。即便这个模拟电路或许进展这个芯片面积的一小部分，但它往往却是设计中极具挑战性的部分，并且在整个系统的性能上起着关键作用。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，电子电路及其应用系统设计手段也越来也越先进。传统的电子电路与系统设计方法，周期长、耗材多、效率低，难以满足电子技术飞速发展的要求。“电子工作台”，即EWB（Electronic Workbench），是将先进的计算机技术应用电子设计与仿真过程的新技术，它已被广泛的应用于电子电路分析、设计、仿真、印制电路板的设计等各项工作之中。EWB为使用者提供了一个集成一体化的设计与试验环境，创建电路、试验分析和结果输出在一个集成菜单系统中可以全部完成，使电子电路及系统的设计产生了划时代的变化，极大地提高了设计质量与效率。EWB与电路分析软件“PSpice”完全兼容，而且具有界面形象逼真、操作方便，采用图形方式创建电路等优点。EWB有庞大的原器件库和比较齐全的仪器仪表库。由于本次实验是针对模拟电子和数字电子的综合学习，个人认为着重点不是完成任务，而是更好的去学习电路的制作，激发自己的潜能灵感，注重过程。所以，该实验没有采用市场上有卖的集成电路来完成，例如AD9833，这快芯片可以很好的产生正弦波，方波，三角波。如果采用了这块芯片来制作会很省事，但是做完之后仅仅是熟悉了一块再简单不过的MOS芯片。在本设计中将采用数-模结合的集成电路来实现方波和三角波的输出。函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路。当调节外部电路参数时，还可以获得占空比可调的矩形波和锯齿波。因此广泛用于仪器仪表中。函数信号发生器的功能是产生据由指定特征，例如频率、幅度、形状以及占空比的波形，有时会通过适当的控制信号，将这些特征设计成可在外部编程的。一般来说，信号发生器是利用某些反馈形式以及像电容那样其特征与事件有关的器件仪器来实现。1、总体方案与原理说明利用硬件元器件设计一个信号发生器电路，该实验可以使用普通市电经变压器输出的波为正弦波再经分频达到分压达到要求的正弦波 ，然后经比较器产生占空比为1的方波信号，再经放大器与基本元器件组成的积分电路产生三角波信号 。也可以用555定时器产生方波信号在经积分电路产生正弦波三角波等方法，由于Ne555是一种多用途的数字模拟混合集成电路，利用它能极方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，本设计采用其做最基本的方波发生器，因此本实验采用第二套方案。实验要求如下： A:能产生方波，正弦波，三角波； B：产生的方波频率范围10100HZ，正弦波为1k-10kHZ，三角波为0.1-1HZ; C: 产生的方波、正弦波、三角波电压分别为14v、3v、5v； D：信号发生器输出的各种波形失真小；555电路产生的方波信号占空比可调很方便，且频率变化设置简单，555做为最基本最底层部分的扮演着该电路的重要角色，另外将555产生的方波信号转化成三角波，正弦波少不了运放的参与，系统方框图如图1-1所示： 图1-1 总体设计2、单元电路a、电源电路：图2 电源电路市电经变压器降压后成为12伏的正弦交变电流。L为一保险管，当电路中发生短路时可起到保护作用。交变电流通过4个整流二极管整流组成全波整流电路后输出全波电压，经电解电容C1的滤波后负载在LM7812上，LM7812输出电压为12伏直流电压，电解电容C2的作用也是滤除不稳定的电压信号，电路中R1A保护红色发光二极管的正常工作，通过红色发光二极管的工作状态来判断电源电路的工作状态。b、555方波产生电路（如图1-2） 图1-2 方波产生电路 该电路是通过施密特触发原理使555芯片通过7脚的不断的充放电使3脚输出方波信号，当2，6脚的电压达到2/3Vcc时7脚放电，当7脚的电压减到1/3Vcc时放电停止，继续充电，如此往复，产生方波信号，另外能通过调节C4使电路的充放电时间发生改变，从而能输出不同频率的、占空比始终为1的、连续可调的、频率在1Khz10Khz的方波信号。当电容C4为满幅时产生方波信号为1kHZ，为零时产生的方波信号为10kHZ。对此进行了仿真，仿真图形如下图1-2-1（1KHZ），1-2-2(10KHZ)，1-2-3(5KHZ): 图1-2-1 图1-2-2 图1-2-3 该单元电路的输出可以作为整个电路的信号的载体，承载着积分电路的灵魂角色。c、正弦波发生电路 如图（1-3）为设计的正弦波信号发生器 图1-3XFG1为信号发生器-在这里暂时替代一下555时基电路，图中各元器件的参数如图所示，其中R2、R3起调节正弦信号的平衡位置，即电压的基准电压。方波脉冲信号输入到5节点，经运算放大器与电容电阻构成的积分电路输出正弦波信号，其频率与555输出信号的频率相同为110KHZ，通过实验比较得知R5两端的正弦信号的失真度优于7节点的正弦信号。仿真电路如图1-3-1，1-3-2,1-3-3. 图1-3-1（5kHZ） 1-3-2（10KHz） 图1-2-3（2kHz） 有仿真电路可知正弦信号存在两个待解决的问题：第一， 信号在110kHz的边缘时失真较严重；第二， 整个信号的电压范围没有达到要求的5v；解决这两个问题非常比较麻烦，电压用一个动态电阻去调节 ，但怎么样去实时的调节呢，仅仅硬件电路是做不到的，波形的失真通过电容的调节可以达到标准化的水平。看似很简单但是怎么样才能做到频率，电容，电阻的同步变换呢？困扰 那么，怎么样去解决呢，我觉得可以采用在10000HZ时为标准输出波形，当频率减小时积分电路中的电容充电时间变长，放大效果增强，振幅增大，这样可以用6个二极管组成的电路限限制振幅在-3.6+3.6V之间，再在这样的波形上进行再次积分，从而达到要求d、三角波发生电路 555电路得到的1K10KHz的经CD4017十分频后，得到的频率为100Hz1kHz，此频率作为三角波发生电路的输入信号，占空比为1的方波信号通过放大器与的积分电路处理后，能产生三角波，该电路如图1-4； 图1-4（方波积分电路三角波产生电路）XFG1为1001000Hz的方波模拟信号发生器，XSC1是双踪示波器，该积分电路产生的仿真波形如图1-4-1，1-4-2，1-4-3所示 图1-4-1（100Hz） 图1-4-2（500Hz） 图1-4-3（1000Hz）由仿真器可知该电路也存在上面正弦波相同的两个问题；解决方案也同上e、10100Hz的方波信号发生电路 单元电路四产生的1001000Hz的方波信号再经一片10段译码器CD4017分频后，经出波形为10100Hz的方波信号，单元电路如图1-5-1仿真电路如下图1-5-2，1-5-3（上一级CD4017产生的信号频率分别为100Hz、1000Hz）； 图1-5-2 图1-5-3说明： 可以看出在仿真时输出高电平为15V ，是因为CD4017的外接电源为15V，固有参数不好变换，因此在实际电路中外接将改为12V ，使电路输出12V 的脉冲信号有仿真电路可知，方波信号产生正常。4、总体电路相关说明市电经变压器转变成12V的交流电该交变电流经VD1-VD4组成的全波整流电路后成为全波直流信号，该信号通过滤波和稳压快LM7812后在经滤波最后输出稳定12V的直流电，该电路设计少不了一个震荡电路要么是方波信号要么是正弦信号。如果采用的是正弦信号，则需要采用微分学的原理使其微分成方波，再积分成三角波。而本次设计采用的是以方波信号为主要信号源，在方波的基础上对其分频、积分就形成了题目要求的效果了。下面就电路做大概的说明，555产生1000-10000Hz的方波信号分两条支路输出，一、供LM358电容电阻组成的积分电路形成频率范围在1000-10000Hz的正弦波。二、方波信号经CD4017十分频后给LM358电容电阻组成的积分电路形成100-1000Hz的三角波信号，另外供给下一个CD4017十分频后产生产生10100Hz的题目要求的方波信号。电路中的S1、S2、S3为控制信号输出的开关，要产生不同频率的波形可以通过C6调节。5、总体电路原理图6、原件清单元件名称型号数目作用注释变压器DC220AC12V1变压保险丝限流保险丝1保护稳压二极管IN40174单向导通发光二极管LED1指示电阻R1R9阻值见原理图9分压、反馈C1C10容值见原理图10变容，滤波NE555Ne5551产生信号CD4017Cd40172分频运放Lm3581积分开关S1-S43控制三端稳压块Lm78121产生AC12V参考文献1、J.马库斯、 电子电路大全 计量出版社编辑部组织编译 19982、钟文耀、EWB电路设计入门与应用 清华大学出版社 20003、王文郁.电力电子技术应用电路.北京：机械工业出版社，20014、常光宇、自动化使用电路 电子工业出版社 2001 5、任致程.图解电子电工电路333例.西安：电子科技大学出版社，20026、张延琪.常用电子电路280例.北京：中国电力出版社，20047、林春方、电子线路学习指导与实训 电子工业出版社 2004 8、张洪润、电子线路及应用 清华大学出版社 2005设计心得体会有时可能担心电的知识是否太奥秘，制作过程是否太复杂。的确不错，电的技术发展得很快：新型的家用电器琳琅满目，电脑、彩电和不少现代电器在生活、学习、工作中不可缺少。但请记住，它们都是由一个个小小的电子元器件和小电路组成的。只有从基本的电的知识学起，学习用基本电子电路制作一些小的电子作品，才能逐步学习更多的知识，掌握更高级的技术，做更大更复杂更有意义的电子作品.课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，电路设计已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握简单的电路技术是十分重要的。做了一周的课程设计，有很多的心得体会，和在网上搜索课程设计的相关内容，也到学校图书馆借相关书籍，经过不断比较与讨论，最终确定了声控灯的电路原理图。通过这次课程设计，我明白了不管是学习哪种软件，如果以前没有没有接触，开始学得很费力，但到后来就好了。在每次的课程设计中，遇到问题，最好的办法就是查阅相关资料，如果找不到就向老师和其他同学请教，因为每个人掌握情况不一样，一个人不可能做到处处都懂，集合多个人的思想，复杂的事情就会变得很简单。这一点我深有体会。尽管现在只是初步学会了声控照明灯等电路的设计，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，不仅因为它发生在特别的时间，更重要的是我又多掌握了一门新的技术，付出的过程中我已经收获了很多快乐！回顾起此次声控灯的课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，让我对课堂上的学习有了更深的理解。从中我也学到一个道理，不管结果怎么样，只要你用心去把一件事做好，那到最后你就不会后悔！- 15 -