简易信号发生器课程设计文档格式.docx
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8
第三章电路设计方案的选择
3.1三角波变换成正弦波·
9
3．2整体设计方案·
12
第四章运算放大器（UA741芯片）简介·
第五章参数的确定
5.1方波与三角波参数的确定·
14
5.2正弦波参数的确定·
第六章仿真与制板
6.1multisim仿真·
15
6.2系统PCB板的制作·
16
第七章调试与测试
7.1调试·
20
7.2电路测试·
21
第八章心得体会·
24
附录：
元件清单·
25
鸣谢·
26
参考文献·
第一章课程设计任务书
——简易信号发生器设计
一、设计目的
1、掌握信号发生器的设计方法和测试技术
2、了解单片函数发生器IC8038的工作原理和应用。
3、学会安装和调试分立元件与集成电路组成的多级电子电路小系统。
二、设计技术与要求
1、设计要求
A、电路能输出正弦波、方波和三角波等三种波形；
B、输出信号的频率要求可调；
C、拟定测试方案和设计步骤；
D、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；
E、在面包板上或万能板或PCB板上安装电路；
F、测试输出信号的幅度和频率；
G、写出设计报告。
2、技术指标
频率范围：
100Hz-1kHz，1Kz-10kHz；
输出电压：
方波Vp-p≤24V；
三角波Vp-p=6V；
正弦波Vp-p=1V;
方波tr小于1us.
三、设计提示
方案提示：
（1）设计方案可先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变成方波，再由积分电路将方波变成三角波；
也可先产生三角波-方波，再将三角波变成正弦波。
（2）也可用单片集成芯片IC8038实现，采用这种方案时要求幅度可调。
设计用仪器：
示波器1台，晶体管毫伏表，万能表1块，低频率信号发生器，实验面包板或万能板，智能电工实验台。
（1）双运放NE5532（或747）1只（或7412只）、差分管3DG1004个、电阻电容若干；
（2）IC8038、数字电位器、电阻电容若干。
参考书：
《电子线路设计·
实验·
测试》华中科技大学出版社
《模拟电子技术基础》康华光高等教育出版社
《模拟电子技术》胡宴如主编高等教育出版社
四、设计报告要求
1、选定设计方案；
2、拟出设计步骤，画出设计电路，分析计算主要元件参数值；
3、列出测试数据表格；
4、进行总结和分析，并写出设计性报告。
五、设计总结与思考
1、总结信号发生器的设计和测试方法；
2、总结设计信号发生器所用的知识点；
3、三角波的输出幅度是否可以超过方波？
4、IC8038的输出频率与那些参数有关？
如何减小失真？
第二章简易信号发生器基本原理
2.1、函数发生器的组成
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，本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。
2.2、正弦波产生电路
1、正弦波振荡电路的振荡条件
正反馈放大电路如图2-1所示。
若环路增益
则
，去掉
，
仍有稳定的输出
又
所以振荡条件为
图2-1正弦波振荡电路的方框图
2、RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器）
图2－2为RC桥式正弦波振荡器。
其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、RW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D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。
D1、D2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。
R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。
电路的振荡频率
起振的幅值条件
≥2
式中Rf＝RW＋R2＋（R3//RD），RD为二极管正向导通电阻。
调整反馈电阻Rf（调RW），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Rf。
如波形失真严重，则应适当减小Rf。
改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。
一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。
图2－2RC桥式正弦波振荡器
2.3、方波发生器
由集成运放构成的方波发生器和三角波发生器，一般均包括比较器和RC积分器两大部分。
图2-3所示为由迟滞比较器及简单RC积分电路组成的方波—三角波发生器。
它的特点是线路简单，但三角波的线性度较差。
主要用于产生方波，或对三角波要求不高的场合。
电路振荡频率
式中 R1＝R1'
＋RW'
R2＝R2'
＋RW"
方波输出幅值 Uom＝±
UZ
三角波输出幅值
调节电位器RW（即改变R2／R1），可以改变振荡频率，但三角波的幅值也随之变化。
如要互不影响，则可通过改变Rf（或Cf）来实现振荡频率的调节。
图2－3方波发生器
2.4、三角波和方波发生器
如把迟滞比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图2－4所示，则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。
图2－5为方波、三角波发生器输出波形图。
由于采用运放组成的积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波线性大大改善。
图2-4方波、三角波发生器
电路振荡频率
方波幅值 U′om＝±
三角波幅值
调节RW可以改变振荡频率，改变比值
可调节三角波的幅值。
图2－5 方波、三角波发生器输出波形图
3.1、三角波变换成正弦波
由运算放大器单路及分立元件构成，方波——三角波——正弦波函数发生器电路组成如图3-1所示，由于技术难点在三角波到正弦波的变换，故以下将详细介绍三角波到正弦波的变换。
图3-1简易信号发生器的设计思路
方案一：
用差分放大电路实现三角波到正弦波以及集成运放组成的电路实现函数发生器
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。
其非线性及变换原理如图3-2
图3-2三角波--正弦波的变换原理
为了使输出波形更加接近正弦波，要求：
传输特性曲线尽可能对称，线性区尽可能窄。
方案二：
用二极管折线近似电路以及集成运放组成的电路实现函数发生器
图3-3二极管折线近似电路
方案三：
用单片集成函数发生器5G8038
图3-4用单片集成函数发生器5G8038构成
可行性分析：
上面三种方案中，方案一与方案二中三角波——正弦波部分原理虽然不一样，但是他们有共通的地方就是都要认为地搭建波形变换的电路图。
而方案三采用集成芯片使得电路大大简化，但是由于实验室条件和成本的限制，我们首先抛弃的是第三种方案，因为它是牺牲了成本来换取的方便。
其次是对方案一与方案二的比较，方案一中用的是电容和电阻运放和三极管等电器原件，方案二是用的二极管、电阻、三极管、运放等电器原件，所以从简单而且便于购买的前提出发我们选择方案一为我们最终的设计方案。
3.2、整体设计方案
综上所述，简易信号发生器的整体设计电路图如图3-5所示。
图3-5简易信号发生器
第四章运算放大器（UA741芯片）简介
集成运算放大器（uA741）是一种线性集成电路，在本课题中起非常重要的地位，和其它半导体器件组成的电路一样，使用中需要进行一系列调整流才能保证准确使用和正常工作。
为了正确使用集成运放，零偏是其中最基本的调整之一
1、它是八脚双列直插式组件，②脚和③脚为反相和同相输入端，⑥脚为输出端，⑦脚和④脚为正、负电源端，①脚和⑤脚为失调调零端，①⑤脚之间可接入一只几十KΩ的电位器并将滑动触头接到负电源端，⑧脚为空脚。
2、工作电压±
22V,差分电压±
30V,输入电压±
18V,允许功耗500mW.其管脚与OP07（超低失调精密运放）完全一样。
3、其内部结构原理图如图所示
图4-1
4、uA741芯片外部引脚如下图
图4-2
5、引脚介绍
八脚双列直插式组件，②脚和③脚为反相和同相输入端，⑥脚为输出端，⑦脚和④脚为正、负电源端，①脚和⑤脚为失调调零端，①⑤脚之间可接入一只几十KΩ的电位器并将滑动触头接到负电源端。
⑧脚为空脚。
5.1、方波部分和三角波部分参数的确定
比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下。
根据设计要求
由
；
得
不妨取R2=20kΩ,R3=20kΩ,RP1=60kΩ。
平衡电阻R1=R2‖（R3+RP1）≈16kΩ。
由输出频率的表达式
当100Hz≤f≤10kHz时，取C=C2=0.1uF,R4=10kΩ,RP2=100kΩ；
当1kHz≤f≤10kHz时，取C=C1=0.01uF，R4和RP2的取值不变；
取平衡电阻R5=10kΩ。
5.2、正弦波部分参数的确定
三角波--正弦波电路的参数选择原则是：
隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取C3=C4=C5=470uF，滤波电容C6的取值视输出的波形而定，若含高次谐波成分较多，则C6一般为几十皮法至0.1uF。
由于我们选取差分放大电路对三角波——正弦波进行变换，首先要完成的工作是选定三极管，我们现在选择KSP2222A型的三极管，其静态曲线图像如右图所示。
根据KSP2222A的静态特性曲线，选取静态工作区的中心。
由直流通路有：
因为静态工作点已经确定，所以静态电流变成已知。
根据KVL方程可计算出镜像电流源中各个电阻值的大小：
所以取
。
6.1、multisim仿真
为了确定我们设定的方案以及选取的参数是否合理，我们可以用multisim仿真软件进行电路仿真，仿真的原理图如下
图6-1multisim仿真原理图
通过仿真，我们得到理想的波形图像。
说明我们的设计方案和参数选择没有问题。
图6-2仿真波形
6.2、系统PCB板的制作
实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。
这是因为我们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。
然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。
因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。
调试的常用仪器有：
万用表、示波器、信号发生器。
1、据设计要求设计电路原理图，并完成原理图的绘制。
对于简单的原理图也可以进行直接的PCB板绘制。
a.据原理图生成网络表，这部分PROTEL99是自动进行的，只需要用户单击“CreateNetlist”即可；
b.网络表也是原理图与印制电路板的接口；
c.规划电路板的结构，即确定电路板的框架，设置系统参数；
d.引入第二步生成的网络表和零件封装，让原理图与印制电路板连接起来；
e.引入网络表后系统将根据规则对零件自动布局进行连线；
f.修改封装与布局，这是自动布线的前提；
g.Protel99SE自动布线比较完善，它采用最先进的无网络技术，基于形状的对角线自动布线技术；
h.自动布线后，如果有不满的地方，我们可以进行手工调整；
i.存盘并打印；
j.结束。
图6-3PCB板电路原理图
2、电路的PCB板图。
（1）印刷电路板的设计，从确定板的尺寸大小开始，印刷电路板的尺寸因受机箱外壳大小限制，以能恰好安放入外壳内为宜，其次，应考虑印刷电路板与外接元器件（主要是电位器、插口或另外印刷电路板）的连接方式。
印刷电路板与外接元件一般是通过塑料导线或金属隔离线进行连接。
但有时也设计成插座形式。
即：
在设备内安装一个插入式印刷电路板要留出充当插口的接触位置。
对于安装在印刷电路板上的较大的元件，要加金属附件固定，以提高耐振、耐冲击性能。
（2）布线图设计的基本方法
首先需要对所选用元件器及各种插座的规格、尺寸、面积等有完全的了解；
对各部件的位置安排作合理的、仔细的考虑，主要是从电磁场兼容性、抗干扰的角度，走线短，交叉少，电源，地的路径及去耦等方面考虑。
各部件位置定出后，就是各部件的连线，按照电路图连接有关引脚，完成的方法有多种，印刷线路图的设计有计算机辅助设计与手工设计方法两种。
最原始的是手工排列布图。
这比较费事，往往要反复几次，才能最后完成，这在没有其它绘图设备时也可以，这种手工排列布图方法对刚学习印刷板图设计者来说也是很有帮助的。
计算机辅助制图，现在有多种绘图软件，功能各异，但总的说来，绘制、修改比较方便，并且可以存盘贮存和打印。
接着，确定印刷电路板所需的尺寸，并按原理图，将各个元器件位置初步确定下来，然后经过不断调整使布局更加合理，印刷电路板中各元件之间的接线安排方式如下：
a.印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。
即，让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，在特殊情况下如何电路很复杂，为简化设计也允许用导线跨接，解决交叉电路问题。
b.电阻、二极管、管状电容器等元件有“立式”，“卧式”两种安装方式。
立式指的是元件体垂直于电路板安装、焊接，其优点是节省空间，卧式指的是元件体平行并紧贴于电路板安装，焊接，其优点是元件安装的机械强度较好。
这两种不同的安装元件，印刷电路板上的元件孔距是不一样的。
c.同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。
特别是本级晶体管基极、发射极的接地点不能离得太远，否则因两个接地点间的铜箔太长会引起干扰与自激，采用这样“一点接地法”的电路，工作较稳定，不易自激。
d.总地线必须严格按高频－中频－低频一级级地按弱电到强电的顺序排列原则，切不可随便乱接，级与级间宁肯可接线长点，也要遵守这一规定。
特别是变频头、再生头、调频头的接地线安排要求更为严格，如有不当就会产生自激以致无法工作。
调频头等高频电路常采用大面积包围式地线，以保证有良好的屏蔽效果。
e.强电流引线（公共地线，功放电源引线等）应尽可能宽些，以降低布线电阻及其电压降，可减小寄生耦合而产生的自激。
3、印刷板图设计中应注意的几点
（1）布线方向：
从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：
指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。
（2）各元件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨的工艺要求。
（3）电阻，二极管的放置方式：
分为平放与竖放两种：
a.平放：
当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般是采用平放较好；
b.竖放：
当电路元件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般是采用竖放；
（4）进出接线端布置
a.相关联的两引线端的距离不要太大，一般为2～3/10英寸左右较合适。
b.进出线端尽可能集中在1至2个侧面，不要太过离散。
（5）设计布线图时要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。
图6-4简易信号发生器实物
7.1、调试
1、调试前的检查
在电子元器件安装完毕后，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔细检查。
其检查内容包括：
检查连线是否正确
检查的方法通常有两种方法：
（1）按照电路图检查安装的线路。
这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序安装好的线路，这样比较容易查出哪里有错误。
（2）按照实际线路来对照原理图电路进行查线。
这是一种以元件为中心进行查线的方法。
把每个元件引脚的连线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。
为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量，可直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。
检查元器件的安装情况
检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。
2、调试方法与原则
（1）通电观察
把经过准确测量的电源接入电路。
观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；
如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。
（2）静态调试
交流和直流并存是电子电路工作的一个重要组成部分。
一般情况下，直流为交流服务，直流是电路工作的基础。
因此，电子电路的调试有静态和动态调试之分。
静态调试过程：
如，通过静态测试模拟电路的静态工作点，数字电路和各输入端和输出端的高低电平值及逻辑关系等，可以及时发现已损坏的元器件，判断电路工作情况，并及时调整电路参数，使电路工作状态符合设计要求。
（3）动态调试
调试的方法是在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号，并循着信号流向来检测各有关点的波形，参数和性能指标。
发现故障应采取各种方法来排除。
通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标是否满足设计要求，如必要再进一步对电路参数提出合理的修正。
3、调试中注意的事项
我们在调试时，为了保证效果，必须尽量减小测量误差，提高测量精度。
调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。
为此，需注意以下几点：
（1）正确使用测量仪器的接地端。
（2）测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。
因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大误差。
（3）测量仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。
（4）要正确选择测量点，用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。
（5）调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。
记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。
只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。
（6）调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。
因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。
我们应该认真检查.
7.2、电路测试:
在对电路调试完后我们将对电路进行测试，在测试中我们主要是看能否实现其功能。
将电路板接入±
12V电压，地线与电源处公共地线连接。
（1）频率范围:
100HZ~1KHZ，1kHz~10kHz.
（2）输出电压：
1方波：
电路板上方波信号接入示波器，调节RP1,测得方波峰峰Vpp=14V，可见所得值与性能指标中的一致。
2三角波：
撤除方波信号并接入三角波信号，调节RP1,测得三角波峰峰值Upp=6V也能达到课题的要求。
3正弦波：
将正弦波信号接入示波器，调节RP3和RP4,测得正弦波峰峰值Upp=1.8V.也基本上能到达课题要求。
3、波形特性测定:
①方波上升时间:
将电路板上的方波信号接入示波器,,调节示波器上周期调节旋钮,直到能清楚观测到方波信号上升沿处的跃变,测得方波上升时间为:
tr=6.4µ
s
分析：
上升时间达不到要求，这个可以用换运放类型来解决。
通过改变运放的速度来改变其上升时间。
1三角波非线形失真:
撤除方波信号,将电路板上三角波信号接入示波器通道1,测得此时的三角波信号参数如下:
频率:
f=100Hz
峰峰值:
Upp=6V
此时将实验台上函数发生器产生的三角波作为标准信号接入示波器的通道2,并调节其频率及峰峰值,使之与要测试的三角波信号参数一致（f=100Hz,Upp=6V）.
在示波器上的双踪模式下比较,发现两通道的三角波完全重合,说明无非线形失真.测试波形如下图所示：
方波：
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