電子線路課程設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器

1、 電子線路課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 信 號(hào) 發(fā) 生 器 設(shè) 計(jì) 班 級(jí)：2012級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)（3）班 學(xué) 號(hào)： 080212095、080212104、080212103 姓 名： 韋勝斌 、張飛、 宋亮 指導(dǎo)教師： 丁 蕾 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2014年11月 摘 要信號(hào)發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生多種波形，如鋸齒波、三角波、方波、正弦波的 電路。信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì) 信號(hào)發(fā)生器的原理以及構(gòu)成進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了信號(hào)發(fā)生器，能夠輸出穩(wěn)定的正弦 波和方波，實(shí)現(xiàn)占空比50%,并且能夠?qū)崿F(xiàn)頻率和輸出幅度可調(diào)。設(shè)計(jì)中采用常 用器件NE555為核心，通過(guò)比較獲得最佳電路方案

2、，并對(duì)電路各部分工作原理進(jìn)行了分析，確定其能夠穩(wěn)定工作，利用相關(guān)儀器多次試驗(yàn)，測(cè)試達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：振蕩器；RC電路；射極輸出器；方波；三角波；正弦波。目 錄摘要I1 概述12 課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求12.1 設(shè)計(jì)任務(wù)12.2 設(shè)計(jì)要求13 理論設(shè)計(jì)13.1方案論證13.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)23.2.1結(jié)構(gòu)框圖及說(shuō)明23.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理33.3 單元電路設(shè)計(jì)43.3.1單元電路工作原理43.3.2 元件參數(shù)選擇74. 安裝調(diào)試74.1安裝調(diào)試過(guò)程74.2 故障分析105. 結(jié)論106. 使用儀器設(shè)備清單107. 收獲、體會(huì)和建議118. 參考文獻(xiàn)12I1 概述信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用廣泛，種類(lèi)繁

3、多，性能各異，分類(lèi)也不盡一致。按照頻率范 圍分類(lèi)可以分為：超低頻信號(hào)發(fā)生器、低頻信號(hào)發(fā)生器、視頻信號(hào)發(fā)生器、高頻 波形發(fā)生器、甚高頻波形發(fā)生器和超高頻信號(hào)發(fā)生器。按照輸出波形分類(lèi)可以分 為：正弦信號(hào)發(fā)生器和非正弦信號(hào)發(fā)生器，非正弦信號(hào)發(fā)生器又包括：脈沖信號(hào) 發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器、掃頻信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字序列波形發(fā)生器、圖形信號(hào)發(fā)生器、 噪聲信號(hào)發(fā)生器等。按照信號(hào)發(fā)生器性能指標(biāo)可以分為一般信號(hào)發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)信 號(hào)發(fā)生器。前者指對(duì)輸出信號(hào)的頻率、幅度的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度以及波形失真等要 求不高的一類(lèi)信號(hào)發(fā)生器。后者是指其輸出信號(hào)的頻率、幅度、調(diào)制系數(shù)等在一 定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并且讀數(shù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、屏蔽良好的中、

4、高檔信號(hào)發(fā)生器。2 課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一信號(hào)發(fā)生器。2.2設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一信號(hào)發(fā)生器，至少能產(chǎn)生一定頻率和幅值的方波、三角波?？赏卣巩a(chǎn)生更多其他波形。3 理論設(shè)計(jì)3.1方案論證方案一：通過(guò)RC震蕩電路產(chǎn)生正弦波，然后經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器，產(chǎn)生三角波，在通過(guò)積分電路產(chǎn)生方波。其中，RC震蕩電路為RC橋式正弦振蕩電路，然后通過(guò)放大器構(gòu)成過(guò)零比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)方波的轉(zhuǎn)換，在通過(guò)反向積分電路來(lái)實(shí)現(xiàn)方波到三角波的轉(zhuǎn)化。 方案二：可以由晶體管、運(yùn)放IC等通用器件制作，更多的則是用專(zhuān)門(mén)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器IC產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它們的功能

5、較少，精度不高，頻率上限只有300kHz，無(wú)法產(chǎn)生更高頻率的信號(hào)，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，二者互相影響。 方案三：可以按照方波三角波正弦波的順序來(lái)設(shè)計(jì)電路，其中，方波可以通過(guò)模電中的方波發(fā)生電路來(lái)產(chǎn)生，也可以通過(guò)數(shù)電中的555多諧振蕩電路來(lái)產(chǎn)生，方波到三角波為積分的過(guò)程，三角波到正弦波可以通過(guò)低通濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以利用差分放大器的傳輸非線性來(lái)實(shí)現(xiàn)或者通過(guò)折現(xiàn)法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 可行性分析： 縱觀以上N種方案，對(duì)比如下，本著自己動(dòng)手的觀念，首先排除第二種用集成芯片的方法，因?yàn)檫@種方法對(duì)設(shè)計(jì)的要求太低；其次分析方案一可得其RC橋式正弦震蕩電路的占空比受R和C共同影響，調(diào)節(jié)頻率時(shí)需要調(diào)

6、節(jié)的元器件參數(shù)太多，比較繁瑣，并且此震蕩電路的頻率也不是很好的滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。所以綜上所述，選擇方案三來(lái)實(shí)現(xiàn)本次的課程設(shè)計(jì)：555多諧振蕩器的頻率很好計(jì)算和調(diào)節(jié)，并且輸出的波形比較準(zhǔn)確；波到三角波的轉(zhuǎn)化可通過(guò)簡(jiǎn)單RC積分電路來(lái)實(shí)現(xiàn)；角波到正弦波可通過(guò)簡(jiǎn)單RC低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)也可通過(guò)折現(xiàn)法或者差分法來(lái)實(shí)現(xiàn)。分析方案后最終選擇方案三。3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1 結(jié)構(gòu)框圖及說(shuō)明首先，將555定時(shí)器接成多諧震蕩電路，多諧震蕩電路的輸出便是方波，接著接一個(gè)RC積分電路，從而產(chǎn)生三角波，最后接一個(gè)無(wú)源低通濾波器，從而產(chǎn)生正弦波。如框圖1所示。 555多諧振蕩器 積分電路 低通濾波電路 圖1 首先由555定時(shí)

7、器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波，然后由積分電路將方波轉(zhuǎn)化為三角波，如圖2，最后用低通濾波器將方波轉(zhuǎn)化為正弦波，如圖3。圖2 圖33.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理NE555功能分析NE555是電子設(shè)計(jì)中常用元器 件，在這個(gè)元件中既有模擬電路電壓 漸變、電位比較的特點(diǎn)，又具有數(shù)字 電路中輸出高電平或低電平的特點(diǎn)。 在下表1功能表中“L”表示低電平，“H”表示高電平，“x”可以理解為 不管是什么狀態(tài)。在555中復(fù)位管腳4決定了 555輸入和輸出的關(guān)系，復(fù)位管 腳是低電平時(shí)，不管2、6管腳如何變化 都不會(huì)影響輸出狀態(tài)，此時(shí)3管腳保持低 電平。只有復(fù)位4為高電平時(shí)，2、6管 腳才會(huì)決定輸出狀態(tài)。通用NE55

8、5的管 腳圖如下圖4所示。 表1 圖4 NE555引腳圖 根據(jù)對(duì)NE555的分析，設(shè)計(jì)如初圖如圖5，工作過(guò)程為：4管腳一直接高電平，因此2、6管腳電平會(huì)直接影響輸出管腳3的電平。首先電源通過(guò)R1、Rp1對(duì)C1充電，2、6管腳電位隨著時(shí)間逐漸升高，達(dá)到閾值后，管腳3輸出低電平，7管 腳放電端開(kāi)啟，此時(shí)C1通過(guò)Rp1經(jīng)7管腳放電，2、6管腳電位逐漸降低，低至 閾值后，管腳3由低電平變?yōu)楦唠娖剑?腳放電端截止。再次重復(fù)初始過(guò)程，即電源通過(guò)R1、Rp1對(duì)C1充電，如此周而復(fù)始，管腳3即可輸出方波。圖5方波經(jīng)過(guò)積分電路、濾波電路以及射極輸出電路，最終得到合適的三角波與正弦波，考慮到設(shè)計(jì)的要求，是頻率與波

9、形幅度可調(diào)，可采用電位器Rp1與Rp2來(lái)實(shí)現(xiàn)，但在這里要注意2個(gè)問(wèn)題，第一：接入積分電路后，積分電路對(duì)前級(jí) 存在一定影響，因此后級(jí)將信號(hào)分為2部分；第二：由于后級(jí)電路的衰減后導(dǎo)致 輸出信號(hào)比較弱，因此在最后引入射極輸出器，以便于信號(hào)發(fā)生器具有帶負(fù)載的能力。總體設(shè)計(jì)原理圖如圖6：圖63.3 單元電路設(shè)計(jì)3.3.1單元電路工作原理1.電源極性保護(hù)電路,如圖7。 該部分電路的主要功能是保護(hù)電路以及電源探測(cè)電路，電源接入通電時(shí)，發(fā)光二極管D2(LDE燈)被點(diǎn)亮，而保護(hù)電路則是消除電源極性接法對(duì)電路的影響。其中，D1（1N4007）作為整流二極管，具有單向?qū)щ娦?，具有較強(qiáng)的正向浪涌承受能力。電解電容C9

10、對(duì)電流具有緩沖作用。2.方波產(chǎn)生電路，如圖8。 圖84管腳一直接高電平，因此2、6管腳電平會(huì)直接影響輸出管腳3的電平。首先電源通過(guò)R1、Rp1對(duì)C1充電，2、6管腳電位隨著時(shí)間逐漸升高，達(dá)到閾值后，管腳3輸出低電平，7管 腳放電端開(kāi)啟，此時(shí)C1通過(guò)Rp1經(jīng)7管腳放電，2、6管腳電位逐漸降低，低至 閾值后，管腳3由低電平變?yōu)楦唠娖剑?腳放電端截止。再次重復(fù)初始過(guò)程，即電源通過(guò)R1、Rp1對(duì)C1充電，如此周而復(fù)始，管腳3即可輸出方波，通過(guò)對(duì)電位器Rp1的調(diào)節(jié)從而調(diào)節(jié)輸出頻率。3. 三角波產(chǎn)生電路-積分電路，如圖9。圖9電路的時(shí)間常數(shù)R*C，構(gòu)成積分電路的條件是電路的時(shí)間常數(shù)必須要大于或等于10倍于

11、輸入波形的寬度。 Uo=Uc=(1/C)icdt,因Ui=UR+Uo,當(dāng)t=to時(shí)，Uc=Oo.隨后C充電，由于RCTk,充電很慢,所以認(rèn)為Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故 Uo=(1/c)icdt=(1/RC)Uidt 這就是輸出Uo正比于輸入U(xiǎn)i的積分（Uidt)RC電路的積分條件：RCTk 當(dāng)輸入信號(hào)為方波時(shí)，積分電路的輸出為三角波。4. 正弦波產(chǎn)生電路低通濾波電路，如圖10。 所謂的低通濾波器就是允許低頻信號(hào)通過(guò)，而將高頻信號(hào)衰減的電路，RC低通濾波器電路的組成如圖所示。 三角波可以分解成由無(wú)數(shù)不同頻率的正弦波組成的復(fù)合波。當(dāng)輸入信號(hào)為三角波時(shí)，用低通濾波器將其高頻成分濾掉后，

12、波形將不再有尖頂部分，波形變得圓滑，從而變成類(lèi)正弦波。 圖10 圖中正弦波是通過(guò)二次濾波得到的。5. 后級(jí)信號(hào)放大電路，如圖11。由于后級(jí)電路的衰減后導(dǎo)致輸出信號(hào)比較弱，因此在最后引入射極輸出器，以便于信號(hào)發(fā)生器具有帶負(fù)載的能力。圖11（R：+，H:-）3.3.2元件參數(shù)選擇參數(shù)計(jì)算： 改進(jìn)型多諧振蕩電路主要改進(jìn)了電容充電和放電的回路，使得回路的時(shí)間常數(shù)相同即可。充電時(shí)間：T1=(R1+Rp1)C1ln2=0.7(R1+Rp1)C1+=+= 放電時(shí)間：T2=0.7Rp1C1振蕩周期：T=T1+T2=0.7(R1+2Rp1)C1振蕩頻率：f=1/T=1.43/(0.7(R1+2Rp1)C1)通過(guò)

13、分析計(jì)算后，電阻R1取值1千歐姆，電位器Rp1取值10千歐姆，電容C1取值0.047微法。其他各元件依據(jù)分析計(jì)算取值如下：1. 電源：9V直流電源。2.電阻（單位；歐姆）：R3=510、R4=R5=R6=R10=10K、R7=1M、R8=4.7K、R9=1K、R11=R12=100K。3.電容（單位：微法）：C2=C5=C7=0.01、C3=0.1、C4=C6=0.047、C8=C9=1。4.安裝調(diào)試 4.1安裝調(diào)試過(guò)程在繪制電路的原理圖時(shí)，我分別采用了multisim和Altium Designer軟件，multisim用于仿真分析結(jié)果，Altium Designer則用于原理圖繪制和PCB

14、板圖的繪制為后面制作PCB板做準(zhǔn)備。 multisim仿真及調(diào)試過(guò)程：首先設(shè)置好實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，接著畫(huà)原理圖，最后運(yùn)行（用示波器觀察波形）。一開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)候示波器上并未出現(xiàn)預(yù)期的波形，示波器上出現(xiàn)了不規(guī)則的波形。接下來(lái)便是反復(fù)地修改參數(shù)。最后根據(jù)波形選擇了合理的參數(shù)。各波形如下。方波： 三角波：正弦波：根據(jù)NE555振蕩頻率計(jì)算公式，帶入元件參數(shù)計(jì)算得：波形的頻率大約為1.4K20KHz可調(diào)。波形幅度這是通過(guò)電位器Rp2輸出可調(diào)，各種波的幅度范圍為：方波：0800MV,三角波：0850MV,正弦波：0810MV。三種波的最大幅度大致想等，電路設(shè)計(jì)合理。Altium designer制板過(guò)程：首先

15、新建工程（在工程下建原理圖和PCB圖），接著畫(huà)原理圖，最后是繪制PCB板。該過(guò)程的主要問(wèn)題是PCB板的繪制。其中連線比較復(fù)雜，同一層的線不能交叉，因此需要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候打孔將兩層的線連接起來(lái)。自動(dòng)布置的線很亂并且有尖角效應(yīng)，因此最好己動(dòng)手布置。連完線后就開(kāi)始鋪銅，鋪完銅就是打印制版的過(guò)程了。該過(guò)程的相關(guān)圖片PCB連線圖如圖12，PCB板子如圖13，做出的板子實(shí)物圖如圖14。 圖12 圖134.2故障分析在最后實(shí)際測(cè)試電路時(shí)，波形有一些誤差，特別是方波存在明顯跳變。對(duì)其進(jìn)行分析為：第一，多諧振蕩器輸出頻率決定于電阻和電容，其中電阻值和電容值的穩(wěn)定性容易受到外界溫度影響。故555振蕩器輸出的振蕩頻率

16、會(huì)不穩(wěn)定。第二：普通的電阻、電容參數(shù)的穩(wěn)定性低，有一定誤差，誤差在5%以上。而方波的跳變則是由于電容C1的充放電所引起的。5. 結(jié)論通過(guò)測(cè)試各器件的電壓與信號(hào)得出的數(shù)據(jù)中了解實(shí)際電路跟原理圖電路的數(shù)據(jù)是有一定誤差的、各電容、電阻的數(shù)據(jù)要跟實(shí)物電路的數(shù)據(jù)還是有區(qū)別的，由于實(shí)際中器件的特性及差異最后的成品實(shí)現(xiàn)功能卻不一定與仿真時(shí)完全一樣，因?yàn)椋趯?shí)際接線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無(wú)法成功電路接法，在實(shí)際中因?yàn)槠骷旧淼奶匦远軌虺晒?，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮兩者的差異，從中找到最合適的設(shè)計(jì)方法。6. 使用儀器設(shè)備清單儀器設(shè)備：9V直流電源、示波器、萬(wàn)用表、鑷子、電烙鐵、剪鉗等。元件清單

17、：如表2。表2 元件清單表元件編號(hào)元件名稱(chēng)規(guī)格數(shù)量U1芯片NE555P1R1、R9、R10電阻1K3R3電阻5101Rp1、Rp2電位器10K2R4、R5、R6電阻10K3R7電阻1M1R8電阻4.7K1R11、R12電阻100K2VCC直流電源9V1D1整流二極管1N40071D2發(fā)光二極管LED1VT1、VT2三極管80502C1、C4、C6瓷片電容4733C2、C5、C7瓷片電容1033C3瓷片電容1041C8、C9電解電容1uf2J1、J2、J3排針2*23OUT(R)、OUT(H)排針2*227. 收獲、體會(huì)和建議經(jīng)過(guò)這些天的課程設(shè)計(jì)，讓我明白課程設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，

18、更是對(duì)自己綜合實(shí)踐能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的一種鍛煉。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)讓 我明白了自己原來(lái)知識(shí)還比較欠缺。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng) 期積累的過(guò)程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和 綜合素質(zhì)。總之，在這次設(shè)計(jì)中我學(xué)到了不少新知識(shí)，了解了很多的設(shè)計(jì)思想與方法， 我也將繼續(xù)努力，不斷地完善和充實(shí)自己。 在本次課程設(shè)計(jì)中，我作為組長(zhǎng)，組織并和大家一起努力完成這次設(shè)計(jì)，讓我學(xué)會(huì)了如何增加團(tuán)隊(duì)之間的溝通，如何讓大家更緊密的聯(lián)系在一起。也學(xué)習(xí)到了怎樣調(diào)動(dòng)組員的積極性。在整個(gè)過(guò)程中統(tǒng)一調(diào)配，也參加了PBC 圖的繪制以及電路板的制作。讓我明白所學(xué)運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中還比較欠缺。 在這次的設(shè)計(jì)中雖然遇到了很多的問(wèn)題，認(rèn)識(shí)了一些以前不了解或者不知道的元件，有些雖然沒(méi)有用到，但是學(xué)習(xí)是無(wú)限的，雖然做課程設(shè)計(jì)有很多困難， 但是，當(dāng)自己完成的時(shí)候有無(wú)比的喜悅。我感覺(jué)設(shè)計(jì)是對(duì)學(xué)習(xí)知識(shí)的運(yùn)用和自己的能力的全面體現(xiàn)，體現(xiàn)了一個(gè)人學(xué)以致用的能力。只有在真正的運(yùn)用中才 能更好的掌握知識(shí)，這樣的學(xué)習(xí)才會(huì)有效率，才能長(zhǎng)久的記憶。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們通過(guò)查閱大量有關(guān)資料，團(tuán)隊(duì)之間交流經(jīng)驗(yàn)，并向老師請(qǐng)教。通過(guò)對(duì)多種方案的分析討論讓我們明白在對(duì)于不同的環(huán)境和要求相應(yīng)的要 作出最合適的選擇的合理性和重