函数信号发生器设计.docx

函数信号发生器设计.docx

《函数信号发生器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《函数信号发生器设计.docx（24页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

函数信号发生器设计

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:

函数信号发生器设计

初始条件：

ProtelDXP应用软件；电容若干；电阻若干；

LM348N，2个；2N3904，4个。

要求完成的主要任务:

1、能够完整的画出电路图；

2、绘制相应电路原理图的双面印刷版图pcb；

3、对电路原理图进行仿真，给出仿真结果；

4、能够产生多种波形，如三角波，矩形波，正弦波。

时间安排：

第1-18周，安排任务，并进行电路绘制，仿真；

第19周完成（答辩，提交报告，演示）。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要

Protel设计系统是世界上第一套将EDA环境引入到Windows环境中的EDA开发工具，是具有强大功能的电子设计CAD软件，它具有原理图设计、印刷电路板（PCB）、设计层次原理图设计、报表制作、电路仿真以及逻辑器件设计等功能，是进行电子设计最有用的软件之一。

ProtelDXP运行在优化的设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程。

通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，ProtelDXP提供了全面的设计解决方案。

本次protel课程设计实现函数信号发生器的原理图绘制，PCB板图制作，以及电路仿真。

运用LM348N实现矩形波和三角波的输出，再经差分对管产生正余弦波形。

关键词：

LM348NProtelDXP函数信号发生器

Abstract

Proteldesignsystemistheworld'sfirstsetofEDAenvironmentwillbeintroducedtotheWindowsenvironmentintheEDAdevelopmenttools,isastrongfeatureoftheelectronicdesignCADsoftware,ithasaschematicdesign,printedcircuitboard（PCB）,schematicdesignleveldesign,Makingstatements,circuitemulationandlogicdevicedesign,andotherfunctions,istheconductofelectronicdesignoneofthemostusefulsoftware.

ProtelDXPisthefirstall-indesigntoolsandaboard-leveldesignsystem,electronicdesignersoftheprojectmodulefromtheinitialplanningtofinalproductiondatacanbeformedinaccordancewiththeirowndesigntoachieve.ProtelDXPoperationinoptimizingthedesignofthebrowserplatform,andhavealloftoday'sadvanceddesignfeatures,canhandlecomplexPCBdesignprocess.Enterthroughthedesignsimulation,PCBdrawingediting,topologyautowiring,signalintegrityanalysisanddesignofoutput,andothertechnicalintegration,ProtelDXPprovidesacomprehensivedesignsolution.

Theprotelcurriculumdesignfunctionsignalgeneratortoachievetheprincipleofmapping,PCBboardmapproduction,andcircuitemulation.LM348Nusetoachievetherectangularwaveandtriangularwaveoutput,andthenbythedifferentialpairisgeneratedcosinewavetube.

Keywords：

LM348NProtelDXPTheprincipleofmapping

函数信号发生器设计

1设计准备

1.1课题分析

函数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压或仪器。

根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件（如视频信号函数发生器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5G8038）。

为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题要求设计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。

1.2PROTELDXP简单介绍

图1-1Protel启动界面

到现在许多PCB工程师们也许还在使用Protel99或者protel99se在他们所熟悉的编辑环境下进行PCB设计，他们都很有经验，能够在protel99或protel99se上设计出一块很棒的PCB。

但有的时候他们甚至不相信软件的智能化给他们带来的巨大方便。

于是许多PCB工程师根本不使用软件带有的强大的自动布线功能，因为即使重复布上几百次都不能得到他们满意的方案，或是调整的线太多还不如完全手工布线。

这些都让他们不愿意接受也不相信更新换代了的人工智能能给他们的设计带来什么巨大的方便，他们相信的只是他们多少年积累的经验。

但实际上他们都很清楚当他们设计一块多层高密度PCB所需要付出的代价是什么，同时他们也希望真的有那么一款软件能让他们的设计效率有极大的提高的PCB设计软件。

现在Altium公司2004年最新产品Protel2004完全能满足这方面的要求。

当然Protel2004面对的用户不光是为了方便这些有多年经验的PCB工程师们。

Protel2004同时还降低了制作PCB的门槛，通过短时间的培训（即使是自学），很短时间您都可以很快的制作一块合格的PCB。

1、电路原理图的设计

电路原理图的设计主要是PROTELDXP原理图设计系统来绘制一张电路原理图。

在这一过程中，要充分利用PROTELDXP所提供的各种原理绘图工具、各种编辑功能，来实现我们的目的，即得到一张正确、精美的电路原理图。

2、产生网络表

网络表是电路原理设计与印刷电路板设计之间的一座桥梁，它是电路板自动的灵魂。

网络表可以从电路原理图中获得，也可从印刷电路板中提取出来。

3、印刷电路板的设计

印制电路板的设计主要是针对PROTELDXP的另外一个重要部分PCB而言的，在这个过程中，我们借助PROTELDXP提供的强大功能实现电路板的版面设计，完成功难度的工作等。

4、电路的仿真

Proteldxp提供了仿真功能，我们在设计完电路后可以对电路进行一定的仿真。

2函数信号发生器原理图设计

2.1整体电路原理

函数信号发生器是一种能能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。

现在我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。

图2-1函数信号发生器框图

2.2方波-三角波电路

图2-2所示为产生方波-三角波电路。

工作原理如下：

若a点短开，运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。

图2-2方波-三角波产生电路

由图2-2分析可知比较器有两个门限电压：

运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1时，则输出积分器的电压为：

当Uo1=+VCC时：

当Uo1=-VEE时：

可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图2-3所示。

图2-3方波-三角波波形

A点闭合，即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。

三角波的幅度为：

方波-三角波的频率为：

由上分析可知：

①电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。

②方波的输出幅度应等于电源电压。

三角波的输出幅度应不超过电源电压。

电位器RP1可实现幅度上午微调，但会影响波形的频率。

2.3三角波-正弦波的变换

三角波→正弦波的变换主要有差分放大器来完成。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。

特别是做直流放大器时，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的非线性。

其非线性及变换原理如图2-4所示。

图2-4三角波→正弦波的变换原理

1：

传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

2：

三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

图2-5为三角波→正弦波的变换的电路。

其中RP1调节三极管的幅度，RP2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减少差分放大器的线性区。

电容C1、C2、C3为隔直电容，C4为滤波电容，以减少滤波分量，改善输出波形。

图2-5三角波→正弦波变换电路

整个设计电路采用如图所示。

其中运算放大器A1、A2用一只双运放μA747，差分放大器采用单入、单出方式，四只晶体管用集成电路差分对管BG319或双三极管S3DG6等。

取电源电压为±12V。

2）计算元件参数

比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下：

由于

因此

取R3=10kΩ,则R3+RP1=30kΩ，取R3=20kΩ,RP1为47kΩ的电位器。

取平衡电阻R1=R2//（R3+RP1）≈10kΩ。

因为

当1Hz≤f≤10Hz时，取C2=10μF，则R4+RP2=（75~7.5）kΩ，取5.1kΩ，RP2为100kΩ电位器。

当19Hz≤f≤100Hz，取C2=1μF以实现频率波段的转换，R4、RP2的值不变。

取平衡电阻R5=10kΩ。

三角波→正弦波变换电路的参数选择原则是：

隔直电容C3、C4、C5要取得大，因为输出频率较低，取C3=C4=C5=470μF，滤波电容C6一般为几十皮法至0.1μF。

RE2=100Ω与RP4=100Ω，相并联，以减少差分放大器的线性区。

差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R*确定。

2.4电路的设计

2.4.1准备画图

（1）.启动ProtelDXP2004

a从Windows操作系统的开始菜单或桌面快捷图标进入ProtelDXP2004环境。

b使用菜单File/New/PCBproject建立新工程文件。

在侧栏中可对其saveas并且重命名为hanshu.PCBprj。

c使用菜单File/New，在下拉菜单选择Schematic，建立新原理图文件。

d一个名为Sheet1.SchDoc的原理图图纸出现在设计窗口中，并且原理图文件夹也自动地添加（连接）到项目。

这个原理图图纸现在列表在Projects标签中的紧挨着项目名下的SchematicSheets文件夹下。

同样方法重命名为hanshu.schdoc。

设置画图环境

使用菜单Design/DocumentOption，在如图2-6所示的窗口中设置图纸尺寸、栅格等内容。

图2-6DocumentOption对话框

原理图参数设置：

（1）从菜单选择Tools»Preferences打开原理图参数对话框。

这个对话框允许你设置全部参数，这些将应用到你将继续工作的所有原理图图纸。

（2）点击DefaultPrimitives标签以使其为当前，勾选Permanent。

点击OK按钮关闭对话框。

（3）在你开始绘制原理图之前，保存这个原理图图纸，因此选择File»Save。

图2-7Preferences对话框

2.4.2定位元件和加载元件库

（1）点击Libraries标签显示库工作区面板。

（2）在库面板中按下Search按钮，或选择Tools»FindComponent。

这将打开查找库对话框。

（3）确认Scope被设置为LibrariesonPath，并且Path区含有指向你的库的正确路径。

如果你接受安装过程中的默认目录，路径中会显示C:

\ProgramFiles\Altium\Library\。

确认IncludeSubdirectories未被选择（未被勾选）。

（4）本函数发生器中的运放uA747查找所有与有关的，所以在SearchCriteria单元的Name文本框内键入*747*。

图2-8元件查找对话框

（1）点击Search按钮开始查找。

当查找进行时Results标签将显示。

如果你输入的规则正确，一个库将被找到并显示在查找库对话框。

（2）点击MiscellaneousDevices.IntLib库以选择它。

（3）点击InstallLibrary按钮使这个库在你的原理图中可用。

（4）关闭SearchLibraries对话框。

添加的库将显示在库面板的顶总。

如果你点击上面列表中的库名，库中的元件会在下面列表。

面板中的元件过滤器可以用来在一个库内快速定位一个元件。

同样方法找出所需元件。

2.4.3原理图放置元件

（1）电容、电阻等常用元件也在MiscellaneousDevices.IntLib库里，该应该已经在Libraries面板中被选择。

（2）在Libraries面板的元件过滤器栏键入cap或res。

（3）在元件列表中点击元件选择它，然后点击Place按钮。

现在在你的光标上悬浮着一个电容符号。

（4）按TAB键编辑电容的属性。

在ComponentProperties对话框的Properties单元，设置Designator，检查PCB封装模型。

（5）规则栏的设置将显示在原理图中。

点击规则列表中的Add显示ParameterProperties对话框。

输入名称Value以及值20n。

确认String作为规则类型被选择，并且value的Visible框被勾选。

点击OK。

（6）在对话框的Properties单元，点击Comment栏并从下拉列表中选择=Value，将Visible关闭。

点击OK按钮返回放置模式。

右击或按ESC退出放置模式。

2.4.4连接电路

连线起着在你的电路中的各种元件之间建立连接的作用。

（1）从菜单选择Place»Wire或从WiringTools工具栏点击Wire工具进入连线模式。

光标将变为十字形状。

（2）将光标放在元件一端。

当你放对位置时，一个红色的连接标记会出现在光标处。

这表示光标在元件的一个电气连接点上。

（3）左击或按ENTER固定第一个导线点。

移动光标你会看见一根导线从光标处延伸到固定点。

（4）将光标称到Q1的基极上，你会看见光标变为一个红色连接标记。

左击或按ENTER连接到Q1的基极。

（5）完成这部分导线的放置。

注意光标仍然为十字形状，表示你准备放置其它导线。

要完全退出放置模式恢复箭头光标，你应该再一次右击或按ESC。

2.4.5CompilePCBproject

制作编辑一个项目就是在设计文档中检查草图和电气规则错误并将你置于一个调试环境。

在OptionsforProject对话框中对ErrorChecking和ConnectionMatrix标签中的规则进行了设置。

（1）选择Project»CompilePCBProject。

（2）当项目被编辑时，任何已经启动的错误均将显示在设计窗口下部的Messages面板中。

被编辑的文件会与同级的文件、元件和列出的网络以及一个能浏览的连接模型一起列表在Compiled面板中。

如果你的电路绘制正确，Messages面板应该是空白的。

如果报告给出错误，则检查你的电路并确认所有的导线和连接是正确的。

图2-9整体电路原理图

2.4.6生成网络表

网络表中主要内容分为两部分，一部分是各元件的属性参数，以方括号作为开头和结尾；一部分是各元件引脚的电气连接信息，以圆括号作为开头和结尾，

图2-10网络表

3PCB板制作

3.1创建PCB文件

使用菜单File/New/PCB建立PCB文件。

在侧栏中可对其saveas并且重命名为函数信号发生器.PCBdoc。

如图3-3所示。

图3-1新建PCB文件

在PCB文件中，place/line画下方框，如图3-2。

图3-2PCB置线

3.2导入器件

（1）菜单Degsin/ImportChangesFrom.

（2）弹出的对话框下方的

按钮，则在Status栏的Check列中可以查看装入的元件是否正确，如果正确的话，会有

标志，确定所有元件封装和网络都正确以后，单击

按钮，再单击

按钮，这时网络表和元件已经装载到PCB文件中。

装好元件和网络表后，既要开始元件的布局工作，在DXP下可以有手动和自动两种方式来布局，这里先采用自动布局，然后手动调整的方式。

完成布局工作，就要开始自动布线。

选择AutoRoute/All命令，弹出如图3-5所示的对话框。

图3-3元件导入

图3-4元件导入后界面

3.3元件的自动布局

在PCB文件的界面下，执行菜单命令Tools/AutoPlacement/AutoPlace，选择上面一个选项，集群放置。

图3-6的对话框。

图3-5元件自动放置

自动布局后并进行调整，可得到图：

图3-6自动布局后图

3.4元件自动布线

执行AutoRoute/All后开始自动布线。

图3-7执行自动布线

自动布线后并进行调整，可得到图：

图3-8自动布线后土

3.5DRC校验

图3-9DRC校验图

可看到RuleViolations全为0，即符合要求。

4电路仿真

4.1放置电源及信号源

图4-1放置电源信号源

4.2设置仿真参数

执行菜单命令：

设计-仿真-MixedSim弹出如图4-3所示的对话框。

选中工作点分析（OperationPointAnalysis）和暂态分析（TransientAnlysis）。

选择要观察的Net，以及时间进行设置。

图4-2仿真步骤

4.3查看仿真波形

图4-3仿真波形

图4-3为较满意的波形，VO1输出为矩形波，VO2为三角波输出，VO3为正弦波输出。

电路仿真成功验证了电路原理的设计。

5元件清单

表5-1元件清单图

Description

Designator

Footprint

LibRef

Quantity

VoltageSource

12Vneg

VSRC

1

VoltageSource

12Vpos

VSRC

1

Capacitor

C1

RAD-0.3

Cap

1

Capacitor

C2

RAD-0.3

Cap

1

Capacitor

C3

RAD-0.3

Cap

1

Capacitor

C4

RAD-0.3

Cap

1

Capacitor

C5

RAD-0.3

Cap

1

NPNGeneralPurposeAmplifier

Q1

BCY-W3/E4

2N3904

1

NPNGeneralPurposeAmplifier

Q2

BCY-W3/E4

2N3904

1

NPNGeneralPurposeAmplifier

Q3

BCY-W3/E4

2N3904

1

NPNGeneralPurposeAmplifier

Q4

BCY-W3/E4

2N3904

1

Resistor

R1

AXIAL-0.4

Res2

1

Resistor

R2

AXIAL-0.4

Res2

1

Resistor

R3

AXIAL-0.4

Res2

1

Resistor

R4

AXIAL-0.4

Res2

1

Resistor

R5

AXIAL-0.4

Res2

1

TappedResistor

R6

VR3

ResTap

1

Resistor

R7

AXIAL-0.4

Res2

1

Resistor

R8

AXIAL-0.4

Res2

1

Resistor

R9

AXIAL-0.4

Res2

1

TappedResistor

R10

VR3

ResTap

1

Resistor

R11

AXIAL-0.4

Res2

1

Resistor

R12

AXIAL-0.4

Res2

1

Resistor

R13

AXIAL-0.4

Res2

1

Resistor

R14

AXIAL-0.4

Res2

1

Resistor

R15

AXIAL-0.4

Res2

1

Resistor

R16

AXIAL-0.4

Res2

1

FourUA741QuadBipolarOperationalAmplifier

U1

DIP14

LM348N

1

6小结与体会

这次课程设计历时一个星期，本次课程设计与以往不同，更强调对EDA的实用，使我对电子设计自动化有了初步的认识。

我认识到EDA技术在电子设计中以及实际生产应用中的重要性，EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统，是以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。

利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。

对我而言，此次课程设计的过程中我遇到了许多挫折,如软件使用中的很多问题,但我认为挫折是一份财富，经历是一份拥有。

这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆。

从拿到题目到具体设计，从学习到实践，在一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，如对protel软件的应用还不够熟悉，以及其中很多功能应用还未有深刻理解，要通过不断的实用和查找资料来完善自己此方面的能力。

此设计由于我们