簡易函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計

1、閩南師范大學(xué)設(shè)計報告簡易函數(shù)信號發(fā)生器姓 名： 林偉鴻 學(xué) 號： 1116030140 班 級： 指導(dǎo)老師： 周錦榮 2013年5月10摘 要在實驗中，經(jīng)常要使用到方波、三角波等波形的波形信號產(chǎn)生電路，常用于產(chǎn)生各種電子信號，完成電子系統(tǒng)間的通信以及自動測量和自動控制等系統(tǒng)中。本電路采用LM324集成運放芯片，外加電阻、電容等元器件調(diào)整、濾波，構(gòu)成簡易波形發(fā)生器。該波形發(fā)生器具有效率高、體積小、重量輕，輸出穩(wěn)定，能產(chǎn)生方波、三角波和正弦波等電子信號，可以作為其它電子系統(tǒng)的信號發(fā)生模塊電路。關(guān)鍵詞：LM324；滯回比較器；積分電路；濾波電路目 錄摘 要I一、 課程設(shè)計的任務(wù)及要求1（一） 設(shè)計任

2、務(wù)1（二） 設(shè)計要求1（三） 注意事項1二、 方案選擇1（一） 方案11（二） 方案22三、 設(shè)計原理2（一） 原理框圖及原理圖2（二） 各單元電路31 產(chǎn)生方波的原理圖32 產(chǎn)生三角波的原理圖63 產(chǎn)生正弦波的原理圖3四、 PCB布版5五、 實物安裝調(diào)試6（一） 測試波形61 方波62 三角波73 正弦波7（二） 測試數(shù)據(jù)8（三） 實驗結(jié)果分析8（四） 與仿真的對比9六、 設(shè)計總結(jié)15七、 原件清單151、 課程設(shè)計的任務(wù)及要求（1） 設(shè)計任務(wù) 利用集成運算放大器LM324設(shè)計一個簡易函數(shù)信號發(fā)生器，要求能產(chǎn)生正弦波、方波和三角波三種波形。（2） 設(shè)計要求 采用雙電源供電形式：電源、；要求在

3、2k負(fù)載條件下，輸出信號滿足： 正弦波：；方波：；三角波：；頻率范圍：范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；波形無明顯失真。（3） 注意事項（1） 集成運放采用LM324（1片），雙電源可利用實驗室提供的直流穩(wěn)壓電源，其余器件根據(jù)自己設(shè)計參數(shù)選擇；（2） 布PCB版要注意留有測量數(shù)據(jù)或觀察波形的測試口；（3） 設(shè)計報告要根據(jù)自己實際設(shè)計情況撰寫；（4） 允許同學(xué)相互探討，但杜絕抄襲。（5） 課程設(shè)計報告提交文件命名方式“學(xué)號+姓名.doc”2、 方案選擇（1） 方案1采用ICL8038集成函數(shù)信號發(fā)生器芯片外加電阻、電容元件，構(gòu)成波形發(fā)生電路。ICL8038集成函數(shù)信號發(fā)生器芯片是一種多用途的波形發(fā)生器芯片，它可以

4、用來產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波。它的振蕩頻率可以通過外加的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，是一種壓控集成函數(shù)信號發(fā)生器。雖然ICL8038集成函數(shù)信號發(fā)生器的功能強(qiáng)大，但是它的價格昂貴，而且市面上也較難買到。如果用ICL8038芯片來制作簡易波形發(fā)生器系統(tǒng)，則會大大增加系統(tǒng)的制作成本。（2） 方案2采用LM324集成運放芯片，外加電阻、電容等元器件調(diào)整、濾波，構(gòu)成簡易波形發(fā)生器。LM324是一種集成運算放大器芯片，它的內(nèi)部有四個獨立的運算放大器。根據(jù)所學(xué)的知識，運算放大器可以構(gòu)成滯回比較器、積分器和二階有源低通濾波器電路，可以分別產(chǎn)生方波、三角波和正弦波。依靠這些電路的組合，就可以制作成簡易波形發(fā)生器

5、電路。該電路具有效率高、體積小、重量輕，輸出穩(wěn)定等特點。而且LM324集成運放芯片價格低廉，又很容易買到，可以降低電路的制作成本。基于這種考慮，方案2被選用。3、 設(shè)計原理（1） 原理框圖及原理圖電 源滯回比較器積分器二階有源低通濾波器方 波三角波正弦波 波原理框圖 總原理圖（2） 各單元電路1 產(chǎn)生方波的原理圖方波發(fā)生電路原理圖 滯回比較器的電壓傳輸特性 方波發(fā)生電路的波形圖（1） 工作原理滯回比較器具有滯回特性，即具有慣性，也具有一定的抗干擾能力。由滯回比較器輸出只有二種可能UOH或UOL，及對RC電路進(jìn)行充電或放電。電容上電壓的升高或降低，又作為比較器控制UO狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的信號，UO的跳變又

6、進(jìn)而控制了電容上的電壓是充電或放電，如上了循環(huán)，可在比較器的輸出端得到方波或矩形波。同相輸入端輸入的滯回比較器電路如圖2.1所示,電路中引入了正反饋。從集成運放輸出端的限幅電路可以看出,集成運放同相輸入端電位UN=UI,反相輸入端電位。根據(jù)“虛短”UN=UP,求出的UP就是閾值電壓,因此得出 當(dāng)UI-UT,UN+UT,UNUP,因而,所以UP=-UT。UI=+UT,UO=-UZ。 可見, UO從+UZ躍變?yōu)?UZ和UO從-UZ躍變?yōu)?UZ的閾值電壓是不同的,電壓傳輸特性如圖所示。 (式2.1) 令UI=UN=UP,求出的UI就是閾值電壓,因此得出 (式2.2) (式2.3)由于充放電時間常數(shù)相

7、同，用電路三要求法可得t3-t2=t2-t1=1/2T (式2.4) (式2.5)（2） 參數(shù)選擇方法電路的第一級是一個滯回比較器，用于輸出方波。它輸出電壓的幅度由穩(wěn)壓管ZD1、ZD2共同決定。設(shè)計中，ZD1、ZD2均選用5.1V的穩(wěn)壓二極管，則它們的穩(wěn)壓幅度UZ為： +UZ 4.30.75(V)其中，0.7V為二極管ZD1正向?qū)〞r的管壓降。 -UZ -(4.30.7)-5(V)其中，0.7V為二極管ZD2正向?qū)〞r的管壓降。所以， UO1UZ5(V) , （3） 實驗仿真情況最低頻率最高頻率2 產(chǎn)生三角波的原理圖三角波發(fā)生電路原理圖三角波發(fā)生電路的波形圖（1） 工作原理電路的第二級是一個積

8、分器，用于輸出三角波。當(dāng)電路的第一級輸出的方波信號UO1送入該級電路后，由該級電路對信號進(jìn)行積分變換以后，產(chǎn)生三角波信號UO2。UO2分成兩路，一路輸入第三級電路，另一路反饋回滯回比較器，作為滯回比較器的VREF。第二級電路的輸出電壓幅度為：+UO2R1/R2UZ+ UZ2.5(V)-UO2-(R1/R2UZ)- UZ-2.5（V）電路的頻率調(diào)節(jié)由改變滑動變阻器Rw1的阻值來實現(xiàn)，振蕩周期可由以下的公式求得： T4R1Rw1C1/ R2 理論上，可以計算得出的頻率調(diào)節(jié)范圍為： 最高頻率： T4101030.1106/(20103) T0.0002(ms) f1/T1/0.00025000（HZ

9、) 最低頻率： T410103501030.1106/(20103)9.09（ms) f1/T100(HZ)所以電路理論上頻率可調(diào)節(jié)的范圍為1005000(HZ),滿足設(shè)計要求的2003K（HZ)的要求。（2） 實驗仿真情況最低頻率最高頻率3 產(chǎn)生正弦波的原理圖（1） 工作原理三角波變正弦波采用濾波電路，經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成的。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分，只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常

10、通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或濾波電路。其原理就是利用電路的頻率特性實現(xiàn)對信號中頻率成分的選擇。而該電路的頻率較低，所以采用二階低通濾波。第三級電路的輸出電壓幅值為： UO3(-1/sRw2C3)UO2第三級電路的上限截止頻率可調(diào)，調(diào)節(jié)RW2可以改變電路的上限截止頻率，上限截止頻率為： f1/2C2C3RW2Rf同時，當(dāng)調(diào)節(jié)RW1改變電路頻率時，會使正弦波發(fā)生失真，此時可調(diào)節(jié)RW2的阻值，使正弦波不失真。（2） 實驗仿真情況最低頻率最高頻率4、 PCB布版考慮到第一次做電路板導(dǎo)線和間距都適當(dāng)取大。PCB版圖5、 實物安裝調(diào)試（1） 測試波形1 方波2 三角波3 正弦波

11、（2） 測試數(shù)據(jù)信號頻率（測量值）峰-峰值（測量值）最大最小最大最小方波3.39KHz88.5Hz11.8V11.8V三角波3.35KHz95.78Hz6.08V8.3V正弦波1.73KHz97.28Hz4.2V19.6V（3） 實驗結(jié)果分析經(jīng)測試，電路的設(shè)計與設(shè)計要求存在著差異，且電路的第三級的誤差較大（其中正弦波的幅值誤差與設(shè)計要求差異大）。誤差可能的原因有：1、由元器件的誤差而引起的差異；2、外界的干擾引起的；3、可能是由于焊接工藝的問題。為了減少誤差，可以在電路的設(shè)計時選用精度更高的器件，并對電路做電磁屏蔽處理，以進(jìn)一步改善電路的性能，減小電路的誤差。6、 設(shè)計總結(jié)我認(rèn)為，在這學(xué)期的實踐中，在收獲知識的同時，還收獲了成熟，在此過程中，我們通過查找大量資料，以及不懈的努力，不僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實踐過程中，我們學(xué)會了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實踐，再學(xué)習(xí)、再實踐。在這期間，經(jīng)過仿真、畫SCH、畫PCB復(fù)習(xí)了很多知識的同時也學(xué)習(xí)到了更多的知識。到實踐中心做板也增加了自己的動手能力?？赡鼙容^幸運，做板一氣呵成。最重要的是我們沒有放棄，它是我們的驕傲！相信以后我們會以更加積極地態(tài)度對待我們的學(xué)習(xí)、對待我們的生活。我們的激情永遠(yuǎn)不會結(jié)束