有源信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)制作報(bào)告

1、.電子技術(shù)綜合訓(xùn)練設(shè)計(jì)報(bào)告題目： 信號(hào)發(fā)生器的制作 一 摘要：對(duì)于電子學(xué)領(lǐng)域的產(chǎn)品，如諸如電話、電視機(jī)、收音機(jī)，都需要各種波形發(fā)生器 ，多種波形發(fā)生器可以說是電子領(lǐng)域最基礎(chǔ)，最實(shí)際，最廣泛的器材，本次設(shè)計(jì)的多種波形發(fā)生器需要用市電供電，產(chǎn)生方波、正弦波、三角波，輸出波形可選擇，頻率可調(diào)，并且可以顯示頻率。電路采用變壓整流濾波穩(wěn)壓電路來轉(zhuǎn)換電壓，用ICL8038函數(shù)發(fā)生芯片或者使用多種運(yùn)算電路來產(chǎn)生三種波形來產(chǎn)生三種波形，經(jīng)過反復(fù)修改測(cè)試，電路已經(jīng)基本達(dá)到了要求。關(guān)鍵字：波形發(fā)生器；頻率可調(diào)； 目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求4 1.1設(shè)計(jì)任務(wù) 4 1.2設(shè)計(jì)要求.42 系統(tǒng)設(shè)計(jì)5 2.1系統(tǒng)要求.5 2

2、.2方案設(shè)計(jì) 6 2.3系統(tǒng)工作原理.63 單元電路設(shè)計(jì)7 3.1 單元電路A(正弦波的產(chǎn)生電路) 7 3.1.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理73.2單元電路B(方波的產(chǎn)生電路) 8 3.2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理 83.2單元電路C(三角波的產(chǎn)生電路) 9 3.2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理 93.2單元電路D(波形的放大電路) 11 3.2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理 113.2單元電路E(電子開關(guān)的設(shè)計(jì)) 12 3.2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理 124電路元器件的選擇135 電路仿真146 電路安裝、調(diào)試與測(cè)試18 6.1電路安裝19 6.2電路調(diào)試20 7 器件列表208 總結(jié)、體會(huì)和建議21一 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求題

3、目名稱：信號(hào)發(fā)生器制作一、設(shè)計(jì)內(nèi)容及技術(shù)要求：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，基本要求如下：1、能夠輸出正弦波、方波、三角波，輸出信號(hào)能夠在這三種信號(hào)中通過電子開關(guān)（非機(jī)械開關(guān)）進(jìn)行選擇，電子開關(guān)由按鍵控制，并且能夠?qū)x擇的信號(hào)用發(fā)光二極管指示；2、輸出信號(hào)頻率范圍為100HZ-10KHZ；3、輸出信號(hào)幅值在0.1-5V之間可調(diào)； 4、電源：220V/50HZ的工頻交流電供電； （注：直流電源部分僅完成設(shè)計(jì)即可，不需制作，用實(shí)驗(yàn)室提供的穩(wěn)壓電源調(diào)試，但要求設(shè)計(jì)的直流電源能夠滿足電路要求）5、按照以上技術(shù)要求設(shè)計(jì)電路，繪制電路圖，對(duì)設(shè)計(jì)的電路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2進(jìn)行仿

4、真，用萬用板焊接元器件，制作電路，完成調(diào)試、測(cè)試，撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。發(fā)揮部分：1、輸出信號(hào)幅度調(diào)節(jié)方式為數(shù)控方式，并且能夠用LED進(jìn)行檔位顯示；2、測(cè)量信號(hào)的頻率并指示；3、其它恰當(dāng)?shù)墓δ堋６?、提交成果?、設(shè)計(jì)報(bào)告2、作品3、電路原理圖：要求提交兩份，一份為CAD/EDA軟件繪制，另一份為手工繪制，圖紙大小自定，但要符合標(biāo)準(zhǔn)，電路圖繪制要規(guī)范。三、設(shè)計(jì)進(jìn)度：1、時(shí)間：三周 2、進(jìn)度安排：（1）第一周 選題，熟悉題目，分析要求，查找資料，選擇方案，優(yōu)化方案，確定原理方框圖，單元電路設(shè)計(jì)，選擇元器件；（2）第二周 進(jìn)行電路仿真，確定電路原理圖，畫出電路原理圖，購買元器件，焊接電路；（3）第三周 電路

5、調(diào)試，電路測(cè)試，繪制電路原理圖，完成設(shè)計(jì)報(bào)告，答辯。二 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)要求：1、能夠輸出正弦波、方波、三角波，輸出信號(hào)能夠在這三種信號(hào)中通過電子開關(guān)（非機(jī)械開關(guān)）進(jìn)行選擇，電子開關(guān)由按鍵控制，并且能夠?qū)x擇的信號(hào)用發(fā)光二極管指示；2、輸出信號(hào)頻率范圍為100HZ-10KHZ；3、輸出信號(hào)幅值在0.1-5V之間可調(diào)； 2.方案設(shè)計(jì)：方案1： 利用文氏橋振蕩電路產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波轉(zhuǎn)換成方波，最后用積分電路將方波轉(zhuǎn)換成三角波。原理框圖如圖4。積分電路文氏橋振蕩電路方波產(chǎn)生電路圖4 方案1波形發(fā)生轉(zhuǎn)換電路 該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較好的正弦波和方波信號(hào)，但要通過積分電路產(chǎn)生同步的三角波

6、電路，存在一定的困難。原因是積分電路的積分常數(shù)是不變的，而隨著方波信號(hào)頻率的改變，積分電路輸出三角波幅度將同時(shí)改變，若要保持三角波輸出幅度不變，則須同時(shí)改變積分時(shí)間常數(shù)的大小。方案2：先產(chǎn)生方波，再將方波變成三角波，再將三角波通過差分放大器產(chǎn)生正弦波555多諧振蕩器積分電路低通濾波器為了電路的設(shè)計(jì)方便，連接方便，本次課程設(shè)計(jì)采用方案一。方案3：采用單片函數(shù)發(fā)生器芯片ICL8038，可以靈活組成各種波形發(fā)生電路，并且頻率可以方便調(diào)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于仿真調(diào)試。仿真原理圖如圖圖6波形發(fā)生電路原理圖圖中，ICL8038的6管腳接直流10V電壓，當(dāng)開關(guān)SW2撥到C4時(shí)，調(diào)整滑動(dòng)變阻器RW可實(shí)現(xiàn)輸出波

7、形頻率在1100Hz范圍內(nèi)連續(xù)變化。將開關(guān)SW2撥到C2，可實(shí)現(xiàn)頻率在100500范圍內(nèi)變化。ICL8038的9、2、3管腳分別輸出占空比為1/2的方波、正弦波、三角波，通過改變波形選擇開關(guān)可選擇波形。另外，調(diào)節(jié)RW1可調(diào)整正弦波的失真度，保證正弦波的無失真輸出為了滿足本次設(shè)計(jì)的要求。我組最終選擇了方案一進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作3.12V直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)：根據(jù)設(shè)計(jì)需要，要把市電(220V，50Hz)轉(zhuǎn)換為12V的直流電壓，直流穩(wěn)壓電源原理框圖如圖2所示。10V220V50Hz電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路圖2直流穩(wěn)壓電源原理框圖直流穩(wěn)壓電源是提供直流電壓的電源設(shè)備，主要由電源變壓器、整流電路、濾波

8、電路和穩(wěn)壓電路組成。根據(jù)框圖，在母體Mutisium中用分立元件搭建的仿真圖如圖3。圖3直流穩(wěn)壓電源仿真圖圖中整流部分是單相橋式整流電路，濾波部分為電容濾波電路，穩(wěn)壓部分為串聯(lián)穩(wěn)壓芯片ADJ，并由三個(gè)電壓表分別測(cè)量輸入市電電壓、副線圈兩端電壓和輸出端電壓。六 系統(tǒng)工作原理3.1正弦波發(fā)生電路的工作原理工作原理圖如下：原理如下：如圖2所示，正弦波電路由放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻率網(wǎng)絡(luò)組成。RC串聯(lián)臂阻抗為Z1，RC并聯(lián)臂阻抗為Z2，通常要滿足R1=R2，C1=C2，其頻率特性分析如下：，反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)因s=jw，令w0=1/RC，則反饋系數(shù)為幅頻特性表達(dá)式為當(dāng)w=w0=1/RC時(shí)，幅頻響應(yīng)有

9、最大值Fvmax=1/3。此時(shí)相頻響應(yīng)為。這樣RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)送到運(yùn)算放大器同相輸入端的信號(hào)電壓與輸出電壓同相，即，RC反饋為正反饋，滿足相位平衡，可能產(chǎn)生振蕩。調(diào)節(jié)RC的參數(shù)時(shí)可實(shí)現(xiàn)頻率諧振，在頻率諧振過程中，電路不會(huì)停止振蕩，也不會(huì)使輸出幅度改變。因此該選頻網(wǎng)絡(luò)決定信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率。本次采用RC正弦波振蕩器，可產(chǎn)生7Hz至16KHz的低頻信號(hào)，滿足設(shè)計(jì)要求。3.2正弦波方波轉(zhuǎn)換電路的工作原理工作原理圖如下：原理如下：R6、D3、D4為輸入保護(hù)電路，R6為限流電阻，防止R6過大時(shí)損壞運(yùn)放器；D3、D4為輸入保護(hù)二極管，限制輸入電壓幅度。輸出回路R7為限流電阻，D6 D7穩(wěn)壓二極管，

10、完成輸出電壓雙向限幅，由正弦波轉(zhuǎn)換為方波的電路原理為，將輸入的正弦波信號(hào)通過一個(gè)電壓比較器，則可以將正弦波轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)。因此，當(dāng)輸入電壓Vi為正弦波信號(hào)時(shí)，經(jīng)比較器變換，輸出Vo為方波信號(hào)。3方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理工作原理圖如下:原理如下：如圖5，利用虛短和虛斷兩條法則求Vo和Vi的關(guān)系，有： （R為R8 C為C3）有節(jié)點(diǎn)電流法可知，表明v0與vi為積分關(guān)系。因此，若積分器輸入為方波，其輸出波形即為三角波，如圖所示：，在實(shí)際電路中，通常在積分電容C3L兩端并聯(lián)反饋電阻Rf即積分電路中的R10用作直流負(fù)反饋，目的是減少集成運(yùn)算放大器輸出端的直流漂移。但是RfCR8C.C太小，會(huì)加劇積分漂

11、移，若C增大，電容漏電也隨之增大。通常取Rf10R8 ,C1uF(滌綸電容或聚苯乙烯電容)。4波形調(diào)幅的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求波形幅值可以在0.15v之間調(diào)節(jié)，為達(dá)到此要求，本次設(shè)計(jì)采用比例放大器對(duì)最終信號(hào)進(jìn)行比例放大，則最終的信號(hào)的大小可調(diào)，比例放大器的原理圖如下：本設(shè)計(jì)采用的是反相比例放大器，輸入電壓通過R2作用于集成運(yùn)放的反相輸入端，故輸出電壓與輸入電壓反相。同相端通過R3接地，R3為補(bǔ)償電阻，保證集成運(yùn)放輸入差分放大電路的對(duì)稱性，電路放大關(guān)系為：Uo=(1+R1/R2)Ui5電子開關(guān)的設(shè)計(jì)和選擇本次設(shè)計(jì)的電子開關(guān)的設(shè)計(jì)，可以選用市售的4052四選一模擬開關(guān)，也可以選用市售的4051八選一模擬開關(guān)

12、，滿足本次設(shè)計(jì)得理想開關(guān)為4052四路選一模擬開關(guān)，點(diǎn)由于本次采購只買到了4051型八選一模擬開關(guān)，故改選用4051，八路選一模擬開關(guān)。器件參數(shù)給出如下：CD4051/CC4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有A、B和C三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端以及INH共4個(gè)輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.520V的數(shù)字信號(hào)可控制峰峰值至20V的模擬信號(hào)。例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，則05V的數(shù)字信號(hào)可控制-13.54.5V的模擬信號(hào)。這些開關(guān)電路在整個(gè)VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)無關(guān)。當(dāng)INH輸入端=“1”時(shí)

13、，所有的通道截止。只有當(dāng)INH=0時(shí)，三位二進(jìn)制信號(hào)才可以選通8通道中的一個(gè)通道，連接該輸入端至輸出。其中VEE可以接負(fù)電壓，也可以接地。當(dāng)輸入電壓有負(fù)值時(shí)，VEE必須接負(fù)電壓，其他時(shí)候可以接地。4051引腳說明如下：CD4051引腳功能說明引腳號(hào)符號(hào)功能1 2 4 5 12 13 14 15IN/OUT輸入/輸出端9 10 11A B C地址端3OUT/IN公共輸出/輸入端6INH禁止端7VEE負(fù)電壓端8Vss數(shù)字信號(hào)接地端16VDD電源+4051真值表如下：INHCBA輸出0000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0110“6”0111“7”1xx

14、x均不接通6電路參數(shù)的計(jì)算及選擇七 對(duì)正弦波發(fā)生電路：振蕩頻率，10Hz<f0<10KHz,取C=1uF，則R取值為15.9至15.9K，R可取20K電位器。起振幅值條件,即，R8取6k，仿真時(shí)實(shí)際取R4=3.3k穩(wěn)幅部分采用常見的1N4001反向并聯(lián)連接，輸出端用1k電阻限流。（2）對(duì)正弦波方波轉(zhuǎn)換電路：輸入端保護(hù)限流電阻R3選擇1K，限制電壓輸入幅度同樣采用二極管1N4001反向并接，輸出端限流電阻選用20K電位器，Dz選用RD15穩(wěn)壓管反向串聯(lián)，電壓幅度限制在±Vz。（3）對(duì)方波三角波轉(zhuǎn)換電路：C3采用1uF，R10采用1K，=900三 總原理圖：八 電路的仿真本次

15、設(shè)計(jì)采用Multisim軟件進(jìn)行仿真，在Multisim中按照設(shè)計(jì)原理圖畫出仿真圖后，查看輸出曲線。5.1正弦波發(fā)生電路的仿真仿真圖如下：將調(diào)頻電阻調(diào)小后頻率升高：5.2正弦波方波轉(zhuǎn)換電路的仿真5.3方波三角波轉(zhuǎn)換電路的仿真九 電路的安裝與調(diào)試6.1正弦波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試（1）安裝正弦波產(chǎn)生電路首先將運(yùn)放芯片LM324插入通用電路板；再分別把各電阻、電容放入適當(dāng)位置，電位器管腳不要接錯(cuò)；最后按設(shè)計(jì)原理圖接線。 （2）調(diào)試正弦波產(chǎn)生電路首先接入正負(fù)直流電源后，用示波器進(jìn)行正弦波單蹤觀察；然后調(diào)節(jié)R11、R12使正弦波的幅值及頻率滿足指標(biāo)要求；根據(jù)示波器的顯示，各指標(biāo)達(dá)到要求后進(jìn)行下一步安裝。

16、6.2正弦波方波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試（1）安裝正弦波方波變換電路首先將LM324插入電路板；再分別把電阻放入適當(dāng)位置；按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。（2）調(diào)試正弦波方波變換電路首先接入正負(fù)直流電源后，用示波器進(jìn)行正弦波方波雙蹤觀察；然后調(diào)節(jié)波的幅值及頻率滿足指標(biāo)要求；根據(jù)示波器的顯示，指標(biāo)符合要求后進(jìn)行下一步安裝。6.3方波三角波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試首先將LM324放入電路板，再分別把電容、電阻放入適當(dāng)位置；按圖接線，注意正負(fù)極。接入正負(fù)直流電源后，用示波器進(jìn)行方波三角波雙蹤觀察。6.4總電路的調(diào)試把三部分的電路接好，進(jìn)行整體測(cè)試、觀察示波器波形。針對(duì)各部分出現(xiàn)的問題，逐各排查校驗(yàn)，使其

17、滿足實(shí)驗(yàn)要求。（1）電路仿真時(shí)，最初用Pspice軟件進(jìn)行，測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，相同的參數(shù)在Multisim中能產(chǎn)生波形，在Pspice中卻不能滿足，但實(shí)物電路也驗(yàn)證了該參數(shù)下波形的產(chǎn)生，為取得最佳仿真效果，改用Multisim仿真。（2）實(shí)物電路中方波及三角波調(diào)幅不能很好的實(shí)現(xiàn)。可能是前后電路時(shí)間常數(shù)配合有誤差，導(dǎo)致積分器飽和。（3）實(shí)際電路中增加了幾個(gè)開關(guān)，便于測(cè)量輸出不同的波形。十 元器件列表表4 元器件清單元器件數(shù)量多孔通用板1塊導(dǎo)線及排插若干LM3243個(gè)1K歐電阻3個(gè)1000歐電阻1個(gè)3.3K歐電阻1個(gè)6K歐電阻1個(gè)100K歐電位器3個(gè)1uF電容3個(gè)1N4001二極管4個(gè)穩(wěn)壓二極管RD152個(gè)示波器1臺(tái)直流穩(wěn)壓源1臺(tái)