模电课程设计简易信号发生器的设计

第1章 绪论1.1电子技术的发展趋势电子技术是根据电子学的原理，运用电子器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学，包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。信息电子技术包括 Analog (模拟) 电子技术和 Digital (数字) 电子技术。电子技术是对电子信号进行处理的技术，处理的方式主要有：信号的发生、放大、滤波、转换。电子技术发展的主要趋势是实现超高速化，超大容量，多功能化和开僻新器件领域。在今后一个相当长的时期内，微电子技术产品的技术水平仍将遵循莫尔定律高速发展，并对未来电子信息技术及知识经济社会带来极为深刻的影响。未来电子技术发展方向1. 半导体生存系统正在发生变化。随着半导体产业数十年的发展，整机制造商和半导体供应商的需求和服务都在发生转变：从整机制造商来看，其需求层次已由器件、参考设计上升到总体解决方案，包括硬件、软件，甚至外形等工业设计，这对半导体厂商提出更高的要求；另一方面，半导体供应商面临更多的挑战，包括更高的集成度、更低的功耗、更低的成本。基于这些要求，业界的广泛合作会成为一个必然。例如，一家半导体公司可能需要与数十甚至百家软件供应商合作，共同推出一个平台以满足应用的需求。在这一方面，也希望中国本土的半导体厂家在业界广泛开展合作，以各自的特点形成强强联合态势，迅速建立自己的品牌形象。 2. 平台解决方案的重要性和业界的接受程度日益明显。领先的半导体公司纷纷推出了各具特色的平台产品，其优势体现在强大的功能、广泛的第三方软件和硬件支持、产品的可延续性和升级性等。从业界的发展趋势看，当我们由单个器件向更高集成度发展的过程中，平台解决方案是必然所至，尤其是那些在广义平台概念上衍生而出的针对特定垂直市场的平台解决方案，如频视应用、音频应用、显示应用等。 3. 可靠、高效率、低功耗是业界对电源系统的永久追求。从目前一些领先电源半导体制造商的解决方案来看，在中、小功率应用中，提高效率、降低成本仍然是主要的作为；而对于大功率应用来看，多相位无疑将成为主流，在服务器、电信设备中的应用中已明显看到这个趋势。节能产品已成为进入欧美等发达国家的通行证，相关的法规和行业标准也在不断出台，利用先进的节能半导体技术能在电动控制、照明等主要耗电领域节省30%至50%的能源。 4. 可编程技术和器件将与平台半导体解决方案形成更激烈的竞争态势，并促进FPGA/CPLD器件密度的进一步提高，以及面向特定应用的新型器的研发。快速的产品更新周期和不断的升级造就了可编程器件的迅速发展，对于样品阶段以及一些新兴电子产品来说，将一直保持其灵活、快速的优势，而当进入快速成长和成熟期的阶段，可编程器件公司的策略是低成本可编程器件或类似ASIC的掩膜器件来进一步延伸其产品的生命周期。而这对于制造商的利益在于可以无缝地移植代码，并顺利地进入批量生产。 5. EDA工具和半导体IP成为半导体工业发展的重要支持力量。半导体工艺向90nm以及65nm、45nm直至32nm的进程大大增加了芯片复杂度，而其它需求，如采用CMOS工艺实现模拟和射频电路、DFM、DFT等，对EDA工具提出了更高的要求。SiP是半导体厂商可以考虑的一种重要模式。与此同时，半导体IP，尤其是一些被业界广泛认同的内核，正成为快速推出IC（单IP内核或多IP内核）的一条捷径。 6. 模拟器件仍然无处不在。数字家庭中的无线连接、新潮便携数码产品中的音频电路、电源管理、信号通路使模拟器件的重要性日益突显，我们看到的趋势是在数字世界中创造了更多的模拟应用，放大器、ADC/DAC、接口都是明显的例子。未来，我们应该更关注的是模拟及数字器件将如何不断融合的发展进程。 7. 信息加密系统是身份认证、信息保密、信息完整以及信息确认方面的保证。PKI加密算法等，可以提供数据的安全保障，而结合了智能卡和PKI的智能卡存储加密解决方案，通过“卡”和“密钥”的共同使用，可以进一步提高安全的可靠性。同时，生物密钥、量子密钥等其它加密手段也在取得进展。1.2本设计的主要工作1、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拟定测试方案和设计步骤；4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；5在面包板上或万能板或PCB板上安装电路；6测量输出信号的幅度和频率；7撰写设计报告。2、设计任务设计正弦波方波三角波函数信号发生器 3、课程设计的要求及技术指标1设计、组装、调试函数发生器2输出波形：正弦波、方波、三角波；3频率范围 ：在，范围内可调 ；4输出电压：方波，三角波，正弦波；方波小于。第2章 简易信号发生器电路的设计函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍正弦波、方波、三角波函数发生器的方法。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。本课题采用先产生正弦波，再将正弦波转变为方波和三角波的电路设计方法。2.1原理框图2.2 正弦波的产生2.2.1正弦振荡电路的原理正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。 RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器）电路的构成串并联网络是正反馈网络， 和为负反馈网络。串并联网络与、负反馈支路正好构成一个桥路，称为桥式。电路的振荡频率起振的幅值条件 稳幅措施RC振荡电路当适当的调整负反馈的强弱，只有在时才能输出正弦波，失真小，但如果大于3的话，波形将产生严重失，所以引入了稳幅措施。2.2.2正弦波产生电路的设计图2-2为RC桥式正弦波振荡器。其中串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，、及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器RW，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管、正向电阻的非线性特性来实现稳幅。、采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。电路的振荡频率 起振的幅值条件 式中， 二极管正向导通电阻。调整反馈电阻（调），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大。如波形失真严重，则应适当减小。从741的第六脚输出的波形为正弦波。通过调节RC并串连中的R可使得输出的正弦波频率不一样。图2-2正弦波产生图2.3 方波的产生迟滞比较器的电路图如图2-3所示。该比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。由于正反馈作用，这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化。在实际电路中为了满足负载的需要，通常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的和 。 图2-3 迟滞比较器 图2-4 迟滞比较器电压传输特性由图2-3可知:电路翻转时： 即得:2.4 三角波的产生积分是一种常见的数学运算，然而本课程讨论的是模拟积分。积分电路如图2-4-1所示。利用虚地和虚断的概念：，。,因此有,电容起C以电流 进行充电。假设电容起C初始电压，则图2-4-1 积分电路 (2.4.1) (2.4.2)若 是幅值为E的阶跃电压，并设，则 (2.4.3)即输出电压随时间增长而现行下降。显然RC的数值越大，达到给定的值所需的时间越长。积分输出电压所能达到的最大值受集成运放的最大输出范围的限值。由原理可知，积分电路能将方波转化为三角波。电路如下：方波和三角波发生器由集成运算放大器构成的方波和三角波发生器，一般均包括比较器和RC积分器两大部分。如图2-4所示为由迟滞比较器和集成运放组成的积分电路所构成的方波和三角波发生器。图2-4方波和三角波发生器电路方波和三角波发生器的工作原理：A1构成迟滞比较器同相端电位由和决定。利用叠加定理可得： (2.4.4) 当时，输出为正，即当时，输出为负即 (2.2.5)构成反相积分器为负时，向正向变化，为正时，向负向变化。假设电源接 通时，线性增加。当： 时，可得: (2.2.6)当V02上升到使Vp略高于0V时，A1的输出翻转到V01=+Vz。同样： 时当下降到使略低于0时，。这样不断的重复，就可以得到方波和三角波。其输出波形如图2-6所示。输出方波的幅值由稳压管决定，被限制在稳压值之间。电路的振荡频率：方波幅值： 三角波幅值： 调节可改变振荡频率，但三角波的幅值也随之而变化。 图2-4-2 三角波发生器波形图第3章EWB仿真及仿真结果3.1 EWB的简介Electronic Workbench简称EWB，专用于电子电路仿真的“虚拟电子实验平台”软件工具。该软件可以对各种模拟电路、数字逻辑电路及混合电路进行仿真。EWB软件对电路的输入采用原理图输入方式，易学易懂；软件提供的虚拟仪器与实际仪器外形及其操作基本一致；软件提供的元器件有上千种，内容丰富，器件齐全。与其它的仿真电路软件相比，Electronic Workbench具有界面直观、操作方便等优点。使用EWB进行仿真实验，可以帮助学生更快、更好的掌握课堂讲述的内容，加深对概念、原理的理解，弥补课堂理论教学的不足。而且通过电路仿真，可以熟悉常用的电子仪器的测量方法，进一步培养学生的综合分析能力、排除故障能力和开发、创新能力。3.2 EWB仿真及结果图3-2-1 EWB仿真图3.2.1仿真1、正弦波得仿真图3-2-2 正弦波仿真图3-2-3正弦波-三角波仿真图3-2-4正弦波-方波仿真2、方波-三角波的仿真图3-2-5 方波的仿真图3-2-6三角波的仿真图3-2-7方波三角波的仿真3.2.2仿真结果及分析1、正弦波的仿真结果表3-2-8 正弦波实验数据表3-2-9方波实验数据峰峰值：要求数据 仿真结果下降时间：要求数据 仿真结果表3-2-10三角波实验数据要求数据仿真结果2、实验数据分析对于我们进行仿真的实验数据正弦波得频率在缩小了，在缩小了。正弦波的峰峰值误差较小。由于在调试的过程中滑动变阻器的变化不是很微小，所以在测量的时候就会有误差。本身的参数设置也纯在一些误差，骨灰如此。方波下降时间误差过大，原因是所选的元器件不够好。三角波的峰峰值的误差很小。很符合要求。3.3 PCB电路板的设计第4章 结束语这次的模电课程设计是我上大学以来的第一个课程设计，其中的辛酸我想每个人都深有体会吧。简易函数信号发生器，在很短的时间内就被我选出来了。当时选这个题目的原因就是，原理我都懂，我想做它应该不会有什么问题吧。都有先入为主的观念所以其他的题目看都没看就定下了课题，可是后来在做的时候才发现，原来这个课题并不是最适合我的，我遇到了太多无从下手的问题，当然我相信没个课题都有难点，但是只要我们努力能解决的话，那也是没有问题的。可是课题选好了，我不可能再中途改变方向，所以我硬着头皮做了下去。4天5夜，听起来有点恐怖吧。可是我真的是在端午放假那几天没日没夜的弄，可能一个调试就会耗费我一天，参数的设定是用了一天又一天都没有改进，原理图也花个大半个下午，PCB是学了很久但最后还是没有完全正确。论文的书写等等。可以说是做什么就碰到什么问题，遇到这些问题也想过放弃吧，真的不会弄，可是当放下之后又想不好吧，还是弄一下，就是这样弄弄停停，还有借助网上的资料终于有了今天的这份稿子。通过这个课程设计让我懂得了，理论是如此的重要，没有理论做指导，就算你的动手能力再好，也不可能成功。设计这个词我算是心领神会了，没有缜密的思维和坚定的毅力是不可能做好的。对于一些学习软件应该熟悉的掌握，这样才能提高做事效率。 第一次,可能总有些不完美，但是，我相信因为有了第一次以后做起来就会得心应手。每一次都是成长。参考文献1电路设计Protel 99及仿真 北京，中国铁道出版社 曾祥富主编，20002电子技术基础（模拟部分）第五版，高等教育出版社 康华光编2006 3电子技术基础（数字部分）第五版，高等教育出版社 康华光编20064电路分析第五版 邱关原主编20055EWB电路仿真 王林根主编 高等教育出版社 2003附录A 元器件清单表1 信号发生器元器件清单元件序号型号主要参数封装数量备注R1RES16.2KAXIAL0.31R3RES14.3KAXIAL0.31R7RES12KAXIAL0.31R9RES1470AXIAL0.31R11RES1150KVR41R2/R4/R5POT122KVR43R6/R8POT110KVR42R10POT115KVR41C1/C1CAP0.01URAD0.22C3CAPO.1URAD0.21D1/D2DIODEDIODE0.42D3/D4DIODE SCHOTTKYDIODE0.42AR1OPAMPDIP81AR2/AR3OPAMPDIP82GND5