正弦波三角波方波函数发生器.docx
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正弦波三角波方波函数发生器
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
信息工程学院
题目：
正弦波－三角波－方波函数发生器
初始条件：
具备模拟电子电路的理论知识；具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。
要求完成的主要任务：
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、频率范围三段：
10～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz；
2、正弦波Uopp≈3V，三角波Uopp≈5V，方波Uopp≈14V；
3、幅度连续可调，线性失真小；
4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书
时间安排：
一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
目录
摘要4
Abstract5
1概论6
1.1LM324简介6
1.2MULNISIM简介7
2电路方案的比较与论证8
2.1方案一8
2.2方案二8
2.3方案三9
3单元电路模块10
3.1选频振荡模块10
3.1.1RC桥式振荡电路及工作原理10
3.1.2RC桥式振荡电路实际电路参数选择11
3.2方波发生模块12
3.2.1过零比较器工作原理12
3.2.2方波发生模块参数选择13
3.3三角波产生模块13
3.3.1三角波信号产生原理13
3.3.2三角波产生模块参数选择14
3.4直流稳压电源模块14
4电路仿真16
4.1.正弦波16
4.1.方波波16
4.1.三角波17
5电路的安装与调试18
5.1电路安装18
5.2电路调试19
5.2.1正弦波20
5.2.2方波20
5.2.3三角波21
心得与体会22
参考文献23
附件1：
元件清单24
附件2：
电路原理图26
专业综合课程设计成绩评定表27
摘要
信号发生器作为信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形广泛地应用于各大院校和科研场所。
随着科技的进步，社会的发展，单一的波形发生器已经不能满足人们的需求，而我们设计的正是多种波形发生器。
本文设计采用模块化结构，主要由以下三个模块组成，即正弦波发生器模块、方波发生器模块、三角波发生器模块。
使用RC文氏桥电路来产生正弦波，然后通过过零比较器来产生方波，再通过一个RC积分器来得到三角波。
在设计此函数信号发生器时，采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、容易、条理清晰，同时调试起来也更容易。
在设计过程中，采用LM324运算放大器，方便，简单，其功能强大且价格便宜。
同时使用由CW7812和CW7912三端集成稳压器组成的正负12电源，给运放供电。
该电路可为实验室提供稳定的信号源。
大大降低了实验成本，有效的简化实验的操作步骤，是实验室小型电路信号发生器的理想所选，具有广泛的应用价值。
Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。
凭借NIMultisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图。
本设计就是利用Multisim软件进行电路图的绘制并进行仿真。
关键词：
信号发生器方波三角波正弦波
Abstract
Signalgeneratorasasignalsourcetoprovidethedesiredwaveformcircuitundertestiswidelyusedinmajoruniversitiesandresearchestablishments.Withtheadvancementoftechnology,thedevelopmentofsociety,asinglewaveformgeneratorcannotmeetpeople'sneeds,andourdesignismultiplewaveformgenerator.
Thisdesignismodularinstructure,mainlycomposedofthefollowingthreemodules,namely,thesinewavegeneratormodule,asquarewavegeneratormodule,thetriangularwavegeneratormodule.UseRCWienbridgecircuittogenerateasinewave,thenthezero-crossingcomparatortogenerateasquarewave,andthenthroughanRCintegratortogetatrianglewave.Indesigningthisfunctionsignalgenerator,themodulardesign,sodesignitmoresimple,easy,clear,anditisalsoeasiertodebug.Inthedesignprocess,usingLM324opamp,convenientandsimple,itspowerfulandinexpensive.SimultaneouslyusedbyCW7812andCW7912three-terminalintegratedvoltageregulatorconsistsof12positiveandnegativepowersupplytotheopamp.
Thiscircuitcanprovideastablelaboratorysource.Greatlyreducethecostofexperiments,effectivelysimplifyingtheexperimentalprocedureisidealforsmalllaboratoryselectedsignalgeneratorcircuithaswideapplicationvalue.
Multisimsoftwarecombinesintuitivecaptureandpowerfulsimulationtoquickly,easilyandefficientlyforcircuitdesignandverification.WithNIMultisim,youcancreateacircuitdiagramwithacompletecomponentlibraryimmediately.ThisdesignistheuseofMultisimsoftwaretodrawschematicsandsimulation.
Keywords:
signalgeneratorSquarewaveTrianglewaveSinewave
1概论
1.1LM324简介
LM324是四运放集成电路，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源供电外，四组运放相互独立。
LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
图1.1.2LM324引脚排列图
1.2Mulnisim简介
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
NIMultisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。
作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具，NIMultisim是一个完整的集成化设计环境。
NIMultisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。
学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。
NIMultisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。
Ø直观的图形界面
整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的；
Ø丰富的元器件
提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。
Ø强大的仿真能力
以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronicworkbench带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。
包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。
Multisi软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。
凭借 Multisim可以立即创建具有完整组件库的电路图。
本设计就是利用Multisim软件进行电路图的绘制并进行仿真。
2电路方案的比较与论证
2.1方案一：
方波三角波正弦波
RC多谐振荡器
积分电路
差分电路
图2.1
本方案采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。
我们计划采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。
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。
但在实际操作中难以调试出正弦波，原因是差分电路难以达到绝对的对称。
故未采用此方案。
2.2方案二：
方波三角波正弦波
RC多谐振荡器
积分电路
二阶有源滤波器
图2.2
本方案使用RC多谐振荡器产生方波，然后通过积分电路产生三角波，再通过二阶有源滤波器产生正弦波。
此方案很好，但是没采用，原因在于电路的前面部分比较繁琐，如果电路太繁琐，那么对后面的结果影响也就更大，会增大误差，故而放弃。
2.3方案三：
正弦波三角波方波
RC正弦波振荡电路
电压比较器
积分电路
图2.3
RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法，电路框图如上所示。
先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。
此电路具有良好的正弦波、方波信号和三角波信号。
此方案高频部分效果不是很好，但电路使用元件少、价格便宜、结构简单，好调试。
因而在本次课设中采用了本方案。
3单元电路模块
信号发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。
根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数信号发生器，使用的器件可以是分立器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块）。
为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器，通过波形转换得到各种输出波形。
由RC桥式振荡电路得到正弦波，再通过过零比较器，从而得到方波。
最后由积分电路，得到三角波。
而因为方波占空比可调，因此通过占空比的调节得到锯齿波。
3.1正弦波发生器模块
3.1.1RC桥式振荡电路及工作原理
图3.1.1RC桥式正弦振荡电路图
其中R1、C1和R2、C2为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。
R3、RW及R4组成负反馈网络，调节RW可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。
1+Rf/R3=3为了保证电路起振1+Rf/R3>3，Rf=Rw+（R4//rD），当R1=R2=R时，C1=C2=C时。
起振的幅值条件：
Rf/R3>2。
电路的振荡频率：
fo=1/2πRC，
为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。
图中的两个二极管D1，D2便是稳幅元件。
当输出电压的幅度较小时，电阻R4两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由R3、RW及R4决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与R4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。
输出电压的幅度越大，二极管的动工作原理及电路图态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。
为了维持振荡输出，必须让调整电阻RW（即改变了反馈Rf），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，则应适当减少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（粗调），而调节R作量程内的频率细调。
3.1.2RC桥式振荡电路实际电路参数选择
电路的振荡频率：
fo=1/2πRC
要使RC桥式振荡电路产生10Hz—10KHz的正弦波，取C=0.1UF,则可算出电阻R的取值范围为R:
160Ω-160KΩ；在实际电路中用一个160Ω的定值电阻和160KΩ的电位器代替；
起振的幅值条件：
Rf/R3>2
在实际电路中Rf取为1K和2K电阻的串联，R3用一个5K的电位器代替。
图3.1.2
3.2方波发生器模块
3.2.1过零比较器工作原理
在实用电路中为了满足负载的需要，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UOH和UOL，设稳压管DZ1的稳定电压为UZ1，稳压管DZ2的稳定电压为UZ2，UZ1和UZ2的正向导通电压均为UD。
当uI<0时，由于集成运放的输出电压uO=+UOM，DZ1使工作在稳压状态，DZ2工作在正向导通状态，所以输出电压uO=UOH=（UZ1+UD）
当uI>0时，由于集成运放的输出电压uO=-UOM，DZ2使工作在稳压状态，DZ1工作在正向导通状态，所以输出电压uO=UOL=-（UZ2+U0）
两只稳压管稳压值相同。
若要求，UZ1=UZ2则可以采用两只特性相同而
又制作在一起的稳压管，稳定电压标为±UZ。
当uI<0时，uO=UOH=UZ；
当uI>0时，uO=UOL=-UZ。
方波产生原理：
由正弦波通过过零比较器转化为方波，稳压管有限幅的作用，使其输出的信号通过稳压管的作用，产生稳定方波。
3.2.2方波发生模块参数选择
要是正弦波通过过零比较器后产生峰峰值为14V的方波，因而电路使用2个1N753A的稳压二极管反向串联在一起，其反向击穿后稳压值为6.3V，加上0.7V的导通压降，可以得到峰值为7V的方波。
同时采用10KΩ的电阻限流，用330Ω和10KΩ的电阻隔离、平衡，使其产生稳定的方波。
图3.2.2
3.3三角波产生模块
3.3.1三角波信号产生原理：
在方波发生电路中，当滞回比较器的阀值电压数值较小时，可将电容两端的
电压看成为近似三角波。
但是，一方面这个三角波的线性度较差，另一方面带负
载后将使电路的性能产生变化。
实际上，只要将方波电压作为积分运算电路的输
入，在其输出就得到三角波电压。
当方波发生电路的输出电压U01=+Uz时，积分运算电路的输出电压Uo将线性下降；而当U01=-UZ时，U0将线性上升。
积分器输入电压和输出电压的关系式为：
，当输入为恒定值时，则
。
3.3.2三角波产生模块参数选择
由于
。
负反馈电容取1UF,接入方波异名端的电阻用阻值为100K的电位器代替，可以通过电阻的值来调节波形上升或下降的斜率，从而调节输出三角波的幅值大小。
同名端接入一个1KΩ的电阻来平衡运放两端的输入。
图3.3.2
3.4直流稳压电源模块
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成
其中：
①电源变压器：
是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
②整流电路：
整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。
再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。
常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。
③滤波电路：
可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
各滤波电容C满足RC＝（3~5）T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。
④稳压电路：
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。
本设计采用整流桥进行整流，用470uF的电容进行滤波，用W78xx/W79xx系列进行稳压，其中，78系列输出正电压，79系列输出负电压，xx代表所能稳定输出的电压值。
它们有一系列固定的电压输出，应用非常的广泛。
如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于1.5A的输出电流。
虽然是按照固定电压值来设定的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。
文中选用W7812三端正电源稳压电路，输出稳定+12v电压；选用W7912三端负电源稳压电路，输出稳定的-12v电压。
4电路仿真
4.1.正弦波仿真结果
在RP1和RP2百分比为54%、RP3的百分比为27.2%的条件下，测得正弦波的峰峰值为3.147V，频率为40.3Hz。
图4.1
4.2方波仿真结果
所测方波的幅值为7.323V，其峰峰值为13.646V，频率为41.8Hz。
图4.2
4.3三角波仿真结果
在RP4取56%的条件下，所测三角波幅值为2.593V，峰峰值为5.186V，频率为40.4Hz。
图4.3
5电路的安装与调试
5.1电路安装
电路安装要注意几个原则：
1.先矮后高、先小后大、先放耐焊元器件等；
2.布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；
3.最好分模块安装。
此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现
过焊，因为有些器件，不能耐高温，比如焊接三极管时，电烙铁绝对不能停
留太久；
4．在焊接的时候要注意尽量少用导线连接电路，用焊锡丝连接电路，使作
品更为美观；
5.在布局上要合理的安排电路。
5.1.1实物作品展示
总体图
函数信号发生器正面元件图函数信号发生器反面接线图
稳压源正面元件图稳压源反面接线图
5.2电路调试
调试时应小心谨慎，电路安装完毕后，首先应检查电路的电源线和地线的走
向，防止因为电源线或地线接错而导致烧坏芯片或者是电源等现象。
然后接电调
试。
如果遇到问题，则应该根据产生的问题，加上对原理图的分析，首先找到可
能出错的地方，在调试过程中先要接好线，特别是接电源线，一个是正15V，另
一个是-15V，而且在接线时接地端要连接好，要连接在一起，在接正弦波产生电
路时，我们可能需要通过调节滑动变阻器的阻值来改变输出信号的波形，在调节
时要均匀的调，不能太快，容易失真，而且在检查电路时应尽量用万用表测量每
一个支路是否导通或是有存在虚焊现象，在保证每一条支路导通的情况下，才能
得到想要的结果。
5.2.1正弦波
5.2.1.1正弦波调试波形
图5.2.1.1
5.2.1.2正弦波数据测试
输出电压峰峰值3.28V，在200mV-5.8V内可调；频率3Hz-7.8KHz连续可调。
5.2.2方波
5.2.2.1方波调试波形
图5.2.2.1
5.2.2.2方波波数据测试
输出方波的峰峰值为17.4V，频率在3Hz-7.8KHz范围内连续可调
5.2.3三角波
5.2.3.1三角波调试波形
5.2.3.2三角波数据测量
输出三角波的峰峰值为4.80V，在2V-8.5V内可调；频率在3Hz-7.8KHz范围内连续可调。
心得与体会
模电课程设计已经结束，这一段时间的学习我感触颇深，使我对抽象的理论有了具体的认识，让我在很多方面得以提高。
通过对函数信号发生器的设计，我进一步掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。
通过对函数信号发生器的设计，我还深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。
而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。
最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。
也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。
他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。
在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。
而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧！
在实验过程中，我们遇到了不少的问题。
比如：
波形失真，甚至不出波形这样的问题。
在大家齐心协力下，把问题一一解决。
实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，但在与同组同学讨论过程中找到了解决方法。
这次课程设计提高了我的团队合作水平，和团队成员配合默契，体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦，体会到成功来自于汗水，体会到成果的来之不易。
总之，模电课设让我受益匪浅！
参考文献
[1]吴友宇.模拟电子技术基础[M].北京：
清华大学出版社，2009
[2]刘岚.电路分析[M].北京：
科学出版社,2012
[3]华永平.电子线路课程设计—仿真、设计与制作[M].江苏:
东南大学出版社,2
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