有源信号发生器的设计制作报告.docx
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有源信号发生器的设计制作报告
电子技术综合训练
设计报告
题目：
信号发生器的制作
一摘要：
对于电子学领域的产品，如诸如电话、电视机、收音机，都需要各种波形发生器，多种波形发生器可以说是电子领域最基础，最实际，最广泛的器材，本次设计的多种波形发生器需要用市电供电，产生方波、正弦波、三角波，输出波形可选择，频率可调，并且可以显示频率。
电路采用变压整流滤波稳压电路来转换电压，用ICL8038函数发生芯片或者使用多种运算电路来产生三种波形来产生三种波形，经过反复修改测试，电路已经基本达到了要求。
关键字：
波形发生器；频率可调；
目录
1设计任务和要求…………………………………………………………4
1.1设计任务……………………………………………………………4
1.2设计要求…………………………………………………………….4
2系统设计…………………………………………………………………5
2.1系统要求…………………………………………………………….5
2.2方案设计……………………………………………………………6
2.3系统工作原理……………………………………………………….6
3单元电路设计……………………………………………………………7
3.1单元电路A（正弦波的产生电路）……………………………………7
3.1.1电路结构及工作原理……………………………………………7
3.2单元电路B（方波的产生电路）……………………………………8
3.2.1电路结构及工作原理…………………………………………8
3.2单元电路C（三角波的产生电路）……………………………………9
3.2.1电路结构及工作原理…………………………………………9
3.2单元电路D（波形的放大电路）……………………………………11
3.2.1电路结构及工作原理…………………………………………11
3.2单元电路E（电子开关的设计）……………………………………12
3.2.1电路结构及工作原理…………………………………………12
4电路元器件的选择…………………………………………………13
5电路仿真……………………………………………………………………14
6电路安装、调试与测试……………………………………………………18
6.1电路安装………………………………………………………………19
6.2电路调试………………………………………………………………20
7器件列表……………………………………………………………………20
8总结、体会和建议…………………………………………………………21
一．设计任务和要求
题目名称：
信号发生器制作
一、设计内容及技术要求：
设计并制作一个信号发生器，
基本要求如下：
1、能够输出正弦波、方波、三角波，输出信号能够在这三种信号中通过电子开关（非机械开关）进行选择，电子开关由按键控制，并且能够对选择的信号用发光二极管指示；
2、输出信号频率范围为100HZ---10KHZ；
3、输出信号幅值在0.1---5V之间可调；
4、电源：
220V/50HZ的工频交流电供电；
（注：
直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）
5、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。
发挥部分：
1、输出信号幅度调节方式为数控方式，并且能够用LED进行档位显示；
2、测量信号的频率并指示；
3、其它恰当的功能。
二、提交成果：
1、设计报告
2、作品
3、电路原理图：
要求提交两份，一份为CAD/EDA软件绘制，另一份为手工绘制，图纸大小自定，但要符合标准，电路图绘制要规范。
三、设计进度：
1、时间：
三周
2、进度安排：
（1）第一周选题，熟悉题目，分析要求，查找资料，选择方案，优化方案，确定原理方框图，单元电路设计，选择元器件；
（2）第二周进行电路仿真，确定电路原理图，画出电路原理图，购买元器件，焊接电路；
（3）第三周电路调试，电路测试，绘制电路原理图，完成设计报告，答辩。
二．系统设计
1.设计要求：
1、能够输出正弦波、方波、三角波，输出信号能够在这三种信号中通过电子开关（非机械开关）进行选择，电子开关由按键控制，并且能够对选择的信号用发光二极管指示；
2、输出信号频率范围为100HZ---10KHZ；
3、输出信号幅值在0.1---5V之间可调；
2.方案设计：
方案1：
利用文氏桥振荡电路产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波转换成方波，最后用积分电路将方波转换成三角波。
原理框图如图4。
图4方案1波形发生转换电路
该方案结构简单，具有较好的正弦波和方波信号，但要通过积分电路产生同步的三角波电路，存在一定的困难。
原因是积分电路的积分常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出三角波幅度将同时改变，若要保持三角波输出幅度不变，则须同时改变积分时间常数的大小。
方案2：
先产生方波，再将方波变成三角波，再将三角波通过差分放大器产生正弦波
为了电路的设计方便，连接方便，本次课程设计采用方案一。
方案3：
采用单片函数发生器芯片ICL8038，可以灵活组成各种波形发生电路，并且频率可以方便调节，电路结构简单，便于仿真调试。
仿真原理图如图
图6波形发生电路原理图
图中，ICL8038的6管脚接直流10V电压，当开关SW2拨到C4时，调整滑动变阻器RW可实现输出波形频率在1~100Hz范围内连续变化。
将开关SW2拨到C2，可实现频率在100~500范围内变化。
ICL8038的9、2、3管脚分别输出占空比为1/2的方波、正弦波、三角波，通过改变波形选择开关可选择波形。
另外，调节RW1可调整正弦波的失真度，保证正弦波的无失真输出
为了满足本次设计的要求。
我组最终选择了方案一进行设计与制作
3.12V直流稳压电源的设计：
根据设计需要，要把市电（220V，50Hz）转换为12V的直流电压，直流稳压电源原理框图如图2所示。
图2直流稳压电源原理框图
直流稳压电源是提供直流电压的电源设备，主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成。
根据框图，在母体Mutisium中用分立元件搭建的仿真图如图3。
图3直流稳压电源仿真图
图中整流部分是单相桥式整流电路，滤波部分为电容滤波电路，稳压部分为串联稳压芯片ADJ，并由三个电压表分别测量输入市电电压、副线圈两端电压和输出端电压。
六．系统工作原理
3.1正弦波发生电路的工作原理
工作原理图如下：
原理如下：
如图2所示，正弦波电路由放大电路、正反馈网络和选频率网络组成。
RC串联臂阻抗为Z1，RC并联臂阻抗为Z2，通常要满足R1=R2，C1=C2，
其频率特性分析如下：
，
反馈网络的反馈系数
因s=jw，令w0=1/RC，则反馈系数为
幅频特性表达式为
当w=w0=1/RC时，
幅频响应有最大值Fvmax=1/3。
此时相频响应为
。
这样RC串并联选频网络送到运算放大器同相输入端的信号电压与输出电压同相，即
，RC反馈为正反馈，满足相位平衡，可能产生振荡。
调节RC的参数时可实现频率谐振，在频率谐振过程中，电路不会停止振荡，也不会使输出幅度改变。
因此该选频网络决定信号发生器的输出信号频率。
本次采用RC正弦波振荡器，可产生7Hz至16KHz的低频信号，满足设计要求。
3.2正弦波—方波转换电路的工作原理
工作原理图如下：
原理如下：
R6、D3、D4为输入保护电路，R6为限流电阻，防止R6过大时损坏运放器；D3、D4为输入保护二极管，限制输入电压幅度。
输出回路R7为限流电阻，D6D7稳压二极管，完成输出电压双向限幅，
由正弦波转换为方波的电路原理为，将输入的正弦波信号通过一个电压比较器，则可以将正弦波转换为方波信号。
因此，当输入电压Vi为正弦波信号时，经比较器变换，输出Vo为方波信号。
3方波—三角波转换电路的工作原理
工作原理图如下:
原理如下：
如图5，利用虚短和虚断两条法则求Vo和Vi的关系，有：
（R为R8C为C3）
有节点电流法可知
，表明v0与vi为积分关系。
因此，若积分器输入为方波，其输出波形即为三角波，如图所示：
，
在实际电路中，通常在积分电容C3L两端并联反馈电阻Rf即积分电路中的R10用作直流负反馈，目的是减少集成运算放大器输出端的直流漂移。
但是RfC＞＞R8C.C太小，会加剧积分漂移，若C增大，电容漏电也随之增大。
通常取Rf＞10R8,C≤1uF（涤纶电容或聚苯乙烯电容）。
4波形调幅的设计
实验要求波形幅值可以在0.1~5v之间调节，为达到此要求，本次设计采用比例放大器对最终信号进行比例放大，则最终的信号的大小可调，比例放大器的原理图如下：
本设计采用的是反相比例放大器，输入电压通过R2作用于集成运放的反相输入端，故输出电压与输入电压反相。
同相端通过R3接地，R3为补偿电阻，保证集成运放输入差分放大电路的对称性，电路放大关系为：
Uo=（1+R1/R2）Ui
5电子开关的设计和选择
本次设计的电子开关的设计，可以选用市售的4052四选一模拟开关，也可以选用市售的4051八选一模拟开关，满足本次设计得理想开关为4052四路选一模拟开关，点由于本次采购只买到了4051型八选一模拟开关，故改选用4051，八路选一模拟开关。
器件参数给出如下：
CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。
幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号。
例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V的模拟信号。
这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。
当INH输入端=“1”时，所有的通道截止。
只有当INH=0时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道，连接该输入端至输出。
其中VEE可以接负电压，也可以接地。
当输入电压有负值时，VEE必须接负电压，其他时候可以接地。
4051引脚说明如下：
CD4051引脚功能说明
引脚号
符号
功能
124512131415
IN/OUT
输入/输出端
91011
ABC
地址端
3
OUT/IN
公共输出/输入端
6
INH
禁止端
7
VEE
负电压端
8
Vss
数字信号接地端
16
VDD
电源+
4051真值表如下：
INH
C
B
A
输出
0
0
0
0
“0”
0
0
0
1
“1”
0
0
1
0
“2”
0
0
1
1
“3”
0
1
0
0
“4”
0
1
0
1
“5”
0
1
1
0
“6”
0
1
1
1
“7”
1
x
x
x
均不接通
6电路参数的计算及选择
七．对正弦波发生电路：
振荡频率
，10Hz取C=1uF，则R取值为15.9至15.9K，R可取20K电位器。
起振幅值条件
即
，R8取6k，仿真时实际取R4=3.3kΩ
稳幅部分采用常见的1N4001反向并联连接，输出端用1kΩ电阻限流。
（2）对正弦波—方波转换电路：
输入端保护限流电阻R3选择1K，限制电压输入幅度同样采用二极管1N4001反向并接，
输出端限流电阻选用20K电位器，Dz选用RD15稳压管反向串联，电压幅度限制在±Vz。
（3）对方波—三角波转换电路：
C3采用1uF，R10采用1KΩ，
=900Ω
三．总原理图：
八．电路的仿真
本次设计采用Multisim软件进行仿真，在Multisim中按照设计原理图画出仿真图后，查看输出曲线。
5.1正弦波发生电路的仿真
仿真图如下：
将调频电阻调小后频率升高：
5.2正弦波—方波转换电路的仿真
5.3方波——三角波转换电路的仿真
九．电路的安装与调试
6.1正弦波发生电路的安装与调试
（1）安装正弦波产生电路
首先将运放芯片LM324插入通用电路板；
再分别把各电阻、电容放入适当位置，电位器管脚不要接错；
最后按设计原理图接线。
（2）调试正弦波产生电路
首先接入正负直流电源后，用示波器进行正弦波单踪观察；
然后调节R11、R12使正弦波的幅值及频率满足指标要求；
根据示波器的显示，各指标达到要求后进行下一步安装。
6.2正弦波—方波转换电路的安装与调试
（1）安装正弦波—方波变换电路
首先将LM324插入电路板；
再分别把电阻放入适当位置；
按图接线，注意直流源的正负及接地端。
（2）调试正弦波—方波变换电路
首先接入正负直流电源后，用示波器进行正弦波—方波双踪观察；
然后调节波的幅值及频率满足指标要求；
根据示波器的显示，指标符合要求后进行下一步安装。
6.3方波—三角波转换电路的安装与调试
首先将LM324放入电路板，再分别把电容、电阻放入适当位置；
按图接线，注意正负极。
接入正负直流电源后，用示波器进行方波—三角波双踪观察。
6.4总电路的调试
把三部分的电路接好，进行整体测试、观察示波器波形。
针对各部分出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求。
（1）电路仿真时，最初用Pspice软件进行，测试后发现，相同的参数在Multisim中能产生波形，在Pspice中却不能满足，但实物电路也验证了该参数下波形的产生，为取得最佳仿真效果，改用Multisim仿真。
（2）实物电路中方波及三角波调幅不能很好的实现。
可能是前后电路时间常数配合有误差，导致积分器饱和。
（3）实际电路中增加了几个开关，便于测量输出不同的波形。
一十．元器件列表
表4元器件清单
元器件
数量
多孔通用板
1块
导线及排插
若干
LM324
3个
1K欧电阻
3个
1000欧电阻
1个
3.3K欧电阻
1个
6K欧电阻
1个
100K欧电位器
3个
1uF电容
3个
1N4001二极管
4个
稳压二极管RD15
2个
示波器
1台
直流稳压源
1台
万用表
1块
八．课设小结
经过两周的努力，我基本完成了这次课程设计。
在这一过程中我遇到了很多困难和疑惑，但在老师的指导下和自己的努力下，终于完成了设计。
在这两周时间内，在从遇到问题到解决问题的过程中，我学到了很多东西，从开始的迷惑不解，到最后的能较灵活应用几种常见的集成数字器件，不仅解决了自己的问题，也帮助同学解决了一些困难，这是一件很让人愉快的事情。
这是我们第一次电子方面的实习，将课本中学到的理论知识应用到实际中，对知识有了更深刻的理解和掌握，而且也掌握了Mutisium仿真的一些基本方法，实践能力也得到了显著提高。
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