本科毕业设计论文功率函数信号发生器的设计任务书.docx
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本科毕业设计论文功率函数信号发生器的设计任务书
沈阳航空航天大学
课程设计
（说明书）
功率函数信号发生器的设计
班级通信1302
学号2013040202056
学生姓名赵思琪
指导教师于春和
沈阳航空航天大学
课程设计任务书
课程名称电子线路课程设计
课程设计题目功率函数信号发生器的设计
课程设计的内容及要求：
一、设计说明与技术指标
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波等函数信号波形的电路或仪器。
为了得到如上波形信号，可以首先采用RC文氏振荡电路产生一定频率的正弦波信号，然后再由其生成方波、三角波信号，最后对信号进行功率放大输出。
信号频率可通过数字电路进行显示。
技术指标：
电路产生正弦波、三角波及方波三种信号，
1.频率范围：
10Hz~3kHz；
2.输出电压：
正弦波幅度可调，方波Vpp=5V；
3.最大不失真输出功率：
Pomax≧3W。
二、设计要求
1.在选择器件时，应考虑成本。
2.根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。
3.画出电路原理图。
三、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案，验证所设计的电路，用软件仿真；
2．进行实验数据处理和分析。
四、推荐参考资料
1.李万臣，谢红编著.模拟电子技术基础实验与课程设计.哈尔滨：
哈尔滨工程大学出版社，2001
2.沈明发等编著.低频电子线路实验.广州：
暨南大学出版社，2001
3.张咏梅，陈凌霄编著.电子测量与电子电路实验.北京：
北京邮电大学出版社，2000
五、按照要求撰写课程设计报告
成绩评定表：
序号
评定项目
评分成绩
1
设计方案正确，具有可行性，创新性（15分）
2
设计结果可信（例如：
系统分析、仿真结果）（15分）
3
态度认真，遵守纪律（15分）
4
设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（25分）
5
答辩（30分）
总分
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
一、概述
功率函数信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器，是工业生产、产品开发、科学研究等领域必备的工具。
作为信号源的一种，功率函数信号发生器能自动产生方波、三角波和正弦波，对输入信号进行功率放大输出，并且通过数字电路将其频率值显示出来。
设计电路时首先要明确所要设计的电路要达到什么样的目的，有什么样的功能，输出和输入分别都是什么，再进行分步设计。
本次课程设计为了达到功率函数信号发生器自动产生方波、三角波、正弦波并对其进行功率放大和频率显示等基本的功能，设计的功率函数信号发生器主要由函数发生部分、功率放大部分和数码计数显示部分三部分组成。
应用模拟电子技术和数字电子技术的知识，函数发生部分可以采用多谐振荡电路产生方波，经积分电路产生三角波，经滤波产生正弦波，或采用桥式振荡电路产生正弦波来实现。
功率放大部分可通过无输出变压器的功率放大电路（OTL电路）或无输出电容的功率放大电路（OCL电路）来实现。
数码显示部分可以由计数电路、锁存电路和译码显示电路几部分组合实现。
本设计报告主要由概述、方案论证、电路设计、性能测试、结论、参考文献和附录七部分组成。
本设计实现了方波、三角波、正弦波三种波形的产生及频率范围在10Hz~3kHz之间可调，输出电压：
正弦波幅度可调，方波Vpp=5V，功率放大最大不失真输出功率：
Pomax≧3W等基本要求。
二、方案论证
设计一个函数信号发生器，能够产生方波、三角波和正弦波，并且频率在10Hz~3kHz之间可调；输出电压：
正弦波幅度可调，方波Vpp=5V；功率放大最大不失真输出功率：
Pomax≧3W，且电路能直接显示其频率。
方案一：
方案一原理框图如图1所示。
函数发生部分采用555定时器组成的多谐振荡器来产生方波，在其中加了一个滑动变阻器，根据公式T=（R1+R2+R滑动变阻器）Cln2和f=1/T来改变波的频率，然后让输出的方波输入用运放组成的RC积分电路，从而输出为三角波，最后用低通滤波器把输出的三角波变为正弦波，此处运放可采用内含4个运放的LM324芯片来实现。
功率放大部分采用OCL功率放大电路。
数字计数显示部分采用计数电路、锁存电路、译码显示电路的组合来显示其频率。
计数器可采用十进制计数器74LS160或74LS90，锁存器可采用内含8个D锁存器的74LS273，译码显示用共阳极的74LS47和7段数码管来实现。
图1功率函数信号发生器原理框图
方案二：
方案二为方案一的改进。
方案一中三角波经滤波器产生正弦波时，由于滤波器中电阻、电容等参数无法随输入信号频率变化而随时变化，由此产生的正弦波在三角波输入信号频率变化时会出现较为严重的失真现象。
所以方案二中函数发生部分改为采用RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波信号。
功率放大部分和数码计数显示部分同方案一的设计相同。
图2功率函数信号发生器原理框图
本设计采用的是方案二，RC桥式正弦波振荡电路不会出现失真现象，电路易实现且不复杂，性价比较高。
三、电路设计
1、函数发生部分
1.1方波的产生电路
图3为555定时器组成的多谐振荡器来产生方波。
LM555CM芯片OUT端为输出端，输出方波信号。
根据公式
（1）、
（2）计算可得电路参数R4=1kΩ，R5=1kΩ，滑动变阻器用来调节方波频率，其阻值范围为0~1MΩ，电容C2=10nF,C3=100nF。
T=（R4+R5+R6）C3ln2
（1）
f=1/T
（2）
当滑动变阻器R6的小滑片滑到100%时，由公式
（1）、
（2）计算得此时频率为9.5Hz。
当滑动变阻器R6的小滑片滑到0%时，由公式
（1）、
（2）计算得此时频率为7.1kHz。
符合题目的要求频率范围：
10Hz~3kHz，在电路中加入非线性环节为了稳定输出电压的幅值。
由图4方波波形图可见输出电压幅值Vpp=5V，符合题目要求。
图3方波产生电路原理图
图4方波波形图
1.2三角波的产生电路
图5三角波产生电路原理图
图5为积分电路产生三角波。
用函数信号发生器代替由555定时器组成的多谐振荡电路来产生方波作为输入信号连在输入端，经过积分电路，输出三角波。
示波器A口测输入端的方波波形C口测输出端的三角波波形。
uo=-1／C∫icdt=－1／RC∫uⅠdt（3）
图中所示的积分电路中由于集成运放的同相输入端通过R1接地，UP=UN=0，为“虚地”。
电容C1中的电流等于电阻R4中电流，输出电压与电容上电压的关系为：
uo=-uc，电容上电压等于其电流的积分。
图6三角波波形图
1.3正弦波的产生电路
正弦波产生电路采用的是RC桥式正弦波振荡电路，又称文氏桥振荡电路，如图7。
其中RC串并联网络在正弦波振荡电路中既为选频网络，又为反馈网络。
并且有：
Z1=R1//1／jωC1（4）
Z2=R2+1／jωC2（5）
F=Z1／（Z1+Z2）（6）
设R1=R2=R，C1=C2=C,当f=f0=1／2πRC时输入电压与输出电压同相，此时反馈系数F为1／3，只要为RC串并联选频网络匹配一个电压放大倍数等于3（即输出电压与输入电压同相，且放大倍数的数值为3）的放大电路就可以构成正弦波振荡电路，考虑到起振条件，所选放大电路的电压放大倍数应略大于3。
为了稳定输出电压的幅值，在电路中加入非线性环节。
利用电流增大时二极管动态电阻减小，电流减小时二极管动态电阻增大的特点，在Rf回路串联两个并联的二极管作为非线性环节使输出电压稳定。
图7RC桥式正弦波振荡电路原理图
由于频率要求范围为10Hz-3kHz可调,实现方法为将RC振荡频率范围分为10Hz-100Hz、100Hz-1000Hz、1000Hz-3000Hz四个频率段进行。
利用公式f=f0=1／2πRC,计算得到RC的参数。
R选定为0-100KΩ变化范围的滑动变阻器，四个档位的C选定为300nF、30nF、3nf、1nF以实现10Hz-3kHz频率可调。
同时选定合适的Rf=1.8kΩ,R1=1kΩ来完成正弦波的发生。
利用稳压管稳压，调节RC范围以实现电压幅度调节。
图8正弦波产生电路原理图
图9正弦波波形图
2、OCL功率放大电路
图10为OCL功率放大电路原理图。
静态时，从+Vcc经过R1、R、D1、D2、R2到-Vcc有一个直流电流，它在T1和T2管两个基极之间所产生的电压为UB1B2=UR2+UD1+UD2，使UB1B2略大于T1管发射结和T2管发射结开启电压之和，从而使两只管子均处于微导通状态，即都有一个微小的基极电流，分别为IB1、IB2，调节R，可使发射极静态电位UE为0V,即输出电压为0V。
当ui1>0且逐渐增大时，uBE1增大，T1管基极电流iB1随之增大，发射极电流iE1图10OCL功率放大电路原理图
也必然增大，负载电阻RL上得到正方向的电流；与此同时，ui的增大使uEB2减小，当减小到一定值时，T2管截止。
当ui<0且逐渐减小时，同理T1管截止。
这样即使ui很小，总能保持至少有一只晶体管导通，因而消除了交越失真。
根据功率放大的特点，选定OCL实现功率在小范围内放大能够较好地实现Pomax≧3W的要求。
电路的最大输出功率Pom，最大不是真输出电压的有效值Uom,设饱和管压降Uces1=-Uces2=Uces，则计算最大输出功率如公式（7）。
在饱和管压降可忽略不计的情况下，计算最大不失真输出功率如公式（8）。
为了保证最大不失真输出功率：
Pomax≧3W，应使Vcc=15V，VEE=－15V，R1=R3=100Ω，R2=R4=0.5Ω。
如图11所示功率放大电路输出功率Po=5.493W，且波形不失真，满足题目要求Pomax≧3W。
Pom=Uom×Uom／RL=（Vcc-Uces）×（Vcc-Uces）／2RL（7）
Pom=Uom×Uom／RL=Vcc×Vcc／2RL（8）
图11OCL功率放大电路图
3、数字频率显示部分
数字频率显示电路原理框图如图12所示。
图12数字频率显示电路原理框图
图13频率控制电路原理框图
频率就是周期信号在1s内变化的次数。
用函数信号发生器产生一个频率为0.5Hz的方波信号作为时间基准信号，与放大整形后的待测信号一起经过控制电路，合成为脉冲信号，作为计数器的触发信号。
脉冲信号在1s内每改变一次，计数器计1。
若在时间1s内计数器的脉冲个数为N,则被测信号频率为NHz，由此实现对频率的计数。
3.1计数电路
图14一片74LS160十进制计数器电路
图154片LS74160级联计数电路
74LS160是十进制计数器，EP、ET高电平时有效，LD’、RD’低电平有效。
本设计采用置数法，将LD’接高电平，当计数到1001时，RD’变为低电平，计数器置零。
用函数信号发生器代替时间基准信号和待测的方波信号，输入到clk端。
用4片74LS160级联在一起构成计数器可以计0000到9999一万个数。
故可以完成对频率的计数。
3.2锁存、译码显示电路
锁存器的作用是将计数器在1s结束时所记得的数进行锁存使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。
本设计采用内含8个D触发器的74LS273芯片来完成锁存。
译码显示用共阳极的74LS47芯片驱动数码管。
图16译码显示部分电路原理图
四、性能测试
1．函数发生部分性能测试结果
1.1正弦波的测试
R3、R4（kΩ）
R5、R6（Ω）
C1、C2（nF）
C3、C4（nF）
C5、C6（nF）
C7、C8（nF）
频率（Hz）
0—100
100
300
30
3
1
10.055—3.128k
表1RC桥式正弦波振荡电路测试数据表
1.2方波的测试
R4值（kΩ）
R5值（kΩ）
R6值（MΩ）
C2值（nF）
C3值（nF）
频率（Hz）
幅值（V）
1
1
0—1.5
10
100
9.5—7.1k
5
表2555多谐振荡电路测试数据表
1.3三角波的测试
表3积分电路测试数据表
R1值（kΩ）
R2值（kΩ）
R3值（kΩ）
R4值（kΩ）
C1值（nF）
频率（Hz）
1
10
10
1
100
9.5—7.1k
函数发生部分较好地实现了频率范围在10Hz~3kHz之间连续可调；输出电压：
正弦波幅度可调，方波Vpp=5V的题目要求。
（方波波形图见图4，三角波波形图见图6，正弦波波形图见图9）
2．功率放大部分性能测试结果
图17功放部分测试结果图
输出功率Po=5.493W（见图11）满足Pomax≧3W，波形没有失真，符合题目要求。
3.数字频率显示部分性能测试结果
3.1计数部分性能测试结果
图18计数部分性能测试结果图
用函数信号发生器代替脉冲信号，经测试，用4片74LS160相连可以完成对计数功能。
3.2锁存、译码显示部分测试结果
锁存、译码显示部分无法正确显示频率，没有达到题目要求。
4.硬件测试结果
图19方波硬件测试结果图
图20三角波硬件测试结果图
图21电路板连接图
五、结论
经过测试，本次课程设计较好地完成了功率函数发生器的函数发生部分和功率放大部分的设计，包括555多谐振荡电路产生方波、方波经积分电路产生三角波以RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波。
并且符合题目要求，使三种波形的频率均在10Hz~3kHz之间连续可调。
并且实现了正弦波幅度可调，方波Vpp=5V，最大不失真输出功率Pomax≧3W的要求。
且所用到的器件均是市面上常见的较为容易得到的器件，电路设计用到的原理已经在报告中详细阐述。
总的来说，前两部分的设计合理有效，性价比较高。
但在数字频率显示部分的设计没有完全达到题目要求，只能保证计数功能的正常实现，没有实现数字频率显示电路功能。
不足的原因应该是对这学期的数电知识掌握的不够熟练，对计数器、锁存器、译码显示几部分的设计和连接存在疑惑。
此部分会在以后的学习中加以改进加强。
通过此次课程设计，我更加深刻掌握了模电和数电的知识，将课堂上学到的知识运用到电路设计中，明白了再复杂的电路，功能再强大的电路，也是由简到繁一点点设计出来的。
设计过程中最重要的是要明白设计这个电路想要实现什么样的功能，明确电路的输入输出分别是什么。
参考文献
[1]阎石主编.数字电子技术.[M]北京：
高等教育出版社，2006年
[2]童诗白，华成英主编.模拟电子技术基础.[M]北京：
高等教育出版社，2006年
[3]王连英主编.电子仿真实验与设计.北京：
北京邮电大学出版社，2009年
[4]张咏梅，陈凌霄编著.电子测量与电子实验.北京：
北京邮电大学出版社，2000年
[5]沈明发等编著.低频电子线路实验.广州：
暨南大学出版社，2001年
[6]许晓华，何春华主编.计算机仿真及应用.北京：
清华大学出版社，2011年
[7]葛汝明主编.电子技术实验与课程设计.山东：
山东大学出版社，2004年
附录I总电路图
附录II元器件清单
序号
编号
名称
型号
数量
1
A1
555定时
LM555CM
1
2
U1
集成运放
LM324N
1
3
D2
二极管
1N4248GP
4
4
R1
电阻
0.5Ω
2
5
R2
电阻
8Ω
1
6
R3
电阻
100Ω
4
7
R4
电阻
1kΩ
4
8
R5
电阻
1.8kΩ
1
9
R6
电阻
10kΩ
1
10
C1
电容
1nF
2
11
C2
电容
3nF
2
12
C3
电容
10n
1
13
C4
电容
30nF
2
14
C5
电容
100nF
2
15
C6
电容
300nF
2
16
XMM1
万用表
1
17
XWM1
功率表
1
18
XSC
示波器
1
升级会员 