课程设计（论文）-简易函数信号发生器设计.doc

摘 要本方案主要用集成运放lm324和74hc04等元器件设计组成一个简易函数信号发生器。该函数信号发生器主要由振荡电路、模拟比较器电路、二阶rc有源低通滤波器电路和反相放大器电路等四部份组成。振荡电路形成方波，再经模拟比较器电路升高幅度完成输出；二阶rc有源低通滤波器电路形成正弦波，再经过电位器实现112v可调。由此构成了一个简易的函数信号发生器。本实验主要通过使用orcad、dxp软件等完成电路的软件设计。目 录1 方案比较与选择（须详细阐述创新点或新见解）32 电路分析与仿真53电路板制作、焊接、调试113.1 软件制作113.2 硬件制作133.3 电路板调试144讨论及进一步研究建议185课程设计心得186 abstract197参考文献20一、方案分析：方案一： 方案二、 以上就是我们所查阅到的两个方案，对于方案一，此方案对比方案二，增加了由方波转变为三角波部分，而且使用电位器来分压，方波-三角波部分主要是同一个积分器和一个比较器组成的.积分器部分中的rc可以调整三角波的频率,而比较器部分可以调整三角波的幅值，理论上存在很大的优越性，但经过仿真，却发现输出波形失真较大，跟理论有较大差别，而反复调试后没能改正，于是转向执行方案二，方案二虽然少了三角波部分，但经仿真，输出波形比较接近理想正弦波，而且此方案简单明了，各部分功能清晰，更易于操作。故最终选择方案二。二、电路分析与仿真1、多谐振荡器由cmos门电路组成的多谐振荡器主要是利用rc电路的充放电特性来实现,以获得所需要的振荡频率. 方波电路图 05v仿真图如下参数确定：因为vdd=5v，74hct04的输入高电平为3.5v,所以对于第一暂稳态（电压为0时）t1=r2*c1*vdd/(vdd-vth),第二暂稳态t2=r2*c1*(vdd/vth),t=t1+t2r2*c1*41.4*rc.又由f=1khz,f=1/t得,f=1/(1.4r2*c1).设c1=100nf,则可求得r27.2k.2、比较器 比较器主要由lm324构成,vcc3=5v,r3=r4=10k,起到分压作用,因此3脚的电压为2.5v,当05v方波由2脚进入时,高于2.5v时1脚输出+5v,低于2.5v时1脚输出-5v,因此得到5v方波.参数选择适合的即可. 比较器 9v仿真图3、二阶低通滤波器二阶低通滤波器由lm324和r,c组成,设置它的频率为1.5khz,则它的功能是从0到1.5khz的低频信号,而对大于1.5khz的所有频率则完全衰减.c4作用是过滤正弦波里的直流电压.参数确定:f=1/(2*3.14*rc)=1.5khz,设c=100nf,则可求得r1k.因为增益a=1+r10/r11=2,所以取r10=r11=2k. 二阶低通滤波器电路图仿真图4、反相比例放大器对上述滤波器得到的正弦波进行放大或缩小,因为vo4=-(r16/r14)*vo3,所以r16/r14比例变化,vo4峰峰值就能由1伏调至12伏。反相比例放大器电路图仿真图幅频响应 相频响应三、板制作、焊接、调试3.1、软件制作1、绘制原理图1).打开dxp软件，选择file,new,pcb project,新建一个项目文件，保存新建的项目文件，在项目文件中新建原理图文件和pcb文件，保存新建的原理图文件和pcb文件。2).画出下面的原理图（图3.1）。 图3.13).双击各元件，更改数值，并通过【tools】菜单【annotate】命令来自动编号，校正原理图。2、生成pcb图1).在keep-out layer 层画出电气边界，在mechanicall层画出机械边界。2)原理图的元器件连接表的载入，打开原理图，打开【design】菜单中的【update pcb document】命令，将pcb导入到pcb文件中。3)元器件布局，按照走线最短的原则放置元件的位置。4).设定布线规则，步骤是在电气边界内部右击，选择【design】/rules打开设置对话框设置相应的选项。5).布线:先设定为制作单层板，然后使用【auto route】菜单中的【all】进行自动布线，打开对话框后，点击右下角的route all按钮即可。但自动布线一般是不能达到最佳效果的，所以自动布线只是有一个大概的模型，之后还要经过手工调整才能达到想要的效果。6）、最后做成pcb图如下所示：3、在dxp中遇到的问题：1)、布线没有调整线的宽度，用默认的0.25mm的线，但有些同学改为了0.5mm的线打印出来还是很细，这样腐蚀的时候就有可能断掉，所以我们最后又重新把每一根线改为了1mm。2)、画图的时候没有注意焊盘的大小，虽然打印之前有逐一加大，但由于一开始没有考虑到线与焊盘之间的关系，以至于有些线与焊盘靠得太近，所以不能改太大，所以最后打印出来有些焊盘还是偏小。3)、没有注意元器件的封装问题。我们一开始电容用的封装是rad0.3，这个封装两个针脚之间可以穿越一条线，这与实物不相符。再用回rad0.1封装时，两个针脚之间不穿越线，所以也得重新布局。封装可以在原理图上改，也可以在pcb图里改。4)、画线之前忘记设定为单层板，以至于画出来的线有一部分是红色的，后来改为只选取bottom layer,画出来的线就全部是蓝色的了。5)、用自动布线的时候，系统有些线是重连的，就如地线是经常重连的，我们只需要一条线都共地就可以了；有些线是布置得密，我们就把那些线分开一点。以免敷铜时线会接在一起短路。3.2、硬件制作电路板的制作共分为四个部份：第1、 用热敏纸打印dxp电路图。第2、 将用热敏纸打印出来的dxp电路图印在电路板上。首先把用沙纸磨擦过的电路板（能更好地吸碳粉）对准热敏纸电路图封装好，尽量贴紧，然后放进封塑机进行封塑，封塑机的温度要保持在恒温150摄氏度，封塑过程要进行十几个来回，以保证热敏纸上的电路图形态的碳粉能尽量多地印在电路板上。这个过程要持有一定的耐心。有些同学在加热的时候把封塑机上加热/冷悼的健打到冷悼上，以至于虽然进行了二十多个来回，但最后也只是把一部分电路印在了电路板上，既浪费了时间，也浪费了电路板。第三、电路板去铜。这个过程首先必须要注意安全。首先是调配溶液，溶液总量以刚没盘底为宜，以节省材料。所用的水、过氧化氢、盐酸的比例是2：1：1，但如果要争取时间也可以适当加多盐酸和过氧化氢的量，调配好溶液后，轻轻地把印有电路图的电路板放进去，然后观察板上铜的反应直至除碳粉覆盖的铜外全部铜都反应溶解完全。看到铜被溶解完之后就拿去用清水洗干净。在这一过程中还要注意手套是否穿了。第四、打孔。这一步也具有一定的危险性，指导老师反复强调要注意安全。打孔时，固定好电路板，先将钻头对准电路板上的需要打孔的点，然后用手操作控制杆快速往下压，这样就可以。在打孔之前最后先调好钻头的转速，打快或太慢都不好。这一步要极具耐心与细心，否则容易出事故导致前功尽弃。 电路板的制作也就完成了，接下来就到了电路板的焊接。首先，测试好元器件的值，然后对照电路图对号入座，由于我们的布线比较细，所以在焊接的过程中一定要小心，否则很容易就会发生短路现象。3.3电路板调试电路板的制作与焊接都完成后，就到了电路的调试过程。连接电源，这一过程可先用万用表测量给出是否为9v，连到器件上的时候千万不要接错工作电压，不然会烧掉运放lm324。1、 观察给+5v的方波输出：示波器一端接多谐振荡器输出测试点，一端接地；观察输出波形如图3.1，该图为为输出幅度+5v方波。 图3.12、观测9v的方波输出：将示波器另一端接比较器输出点，这个主要是观测幅度是否达到9v。如图3.2： 图3.24、最后观测输出波：经滤波放大后如图3.3图3.3最后，因为我们用是电位器分压，而实际给出的正弦波与仿真时的vpp相差较多，仿真时可以达到vpp14v，而实际出来的只是9v，最后因为实际与仿真相差过大，从而用电位器不能分到12v，这是本电路的一个缺点。四、 讨论及进一步研究建议本设计虽然最终实现了正弦波形的输出，但仍存在较大的不足，尤其是多谐振荡器输出的方波不能实现占空比的调整，这就使最后输出的正弦波形的可调性产生了很大的局限性，这对一个函数信号发生器而言显然是个很大的缺陷，但由于在设计过程中的疏忽而最终没能实现这一功能，实在是一大败笔。另外，对于方案一中的电路，虽然我们不知什么原因没能通过仿真而最终舍弃了，但理论上确实存在着很大的可行性，尤其是三角波部分的电路，相当于一个过渡，使得方波到正弦波的转换更加自然，最终输出的波形当然就更加接近正弦波了，所以如果在我们的电路上再加上调节占空比与三角波电路的部分将使电路更加理想。 五、课程设计心得通过对函数信号发生器的设计，我深刻认识到了“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！另外也学到了团队协作的重要性，在整个设计过程中，正是因为我们各位队员分工合作，携手合力，最终才能在规定的时间内