三角波-正弦波函数信号发生器的设计—课程设计论文.doc

课程设计说明书课程设计名称： 电子课程设计 课程设计题目：设计制作一个产生方波-三角波-正弦波函数转换器 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 电子信息科学与技术 班级： xxxxxxxx 学号： xxxxxxx 姓名： xxxxx 评分： 教师： xxxxxx 20 13 年 10 月 15 日18 电子课程设计 课程设计任务书20 13 20 14 学年 第 1 学期第 1 周 3 周 题目设计制作一个方波-三角波-正弦波函数转换器内容及要求 输出波形频率范围为0.02Hz20KHz且连续可调； 正弦波幅值为2v ；方波幅值为2v ； 三角波峰峰值为2v，占空比可调。进度安排1.根据任务要求，查阅相关资料，完成设计前的前期工作：2天；2根据资料，进行方案设计并对比论证，完成参数计算：2.5天；3领取元器件，连接电路完成电路调试：3天；4提交报告：12周学生姓名：xxx指导时间：第1-3周指导地点： 综合楼中506室任务下达2013年9月2日任务完成2013 年 9 月 22 日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师xxx系（部）主任贾杰注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。摘 要当今世界在以电子信息技术为前提下推动了社会跨越式的进步，科学技术的飞速发展日新月异带动了各国生产力的大规模提高。由此可见科技已成为各国竞争的核心，尤其是电子通信方面更显得尤为重要，在国民生产各部门都得到了广泛的应用，而各种仪器在科技的作用性也非常重要，如信号发生器、单片机、集成电路等。信号发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。常用超低频信号发生器的输出只有几种固定的波形，有方波、三角波、正弦波、锯齿波等，不能更改信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用LM324振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。本系统本课题将介绍由LM324集成电路组成的方波三角波正弦波函数信号发生器的设计方法，了解多功能函数信号发生器的功能及特点，进一步掌握波形参数的测试方法，制作这种低频的函数信号发生器成本较低，适合学生学习电子技术测量使用。制作时只需要个别的外部元件就能产生正弦波、三角波、方波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。关键字：信号发生器、波形转换、LM324目 录目 录1前 言2第一章 设计内容及要求31.1、设计任务和要求31.2、设计目的3第二章 系统设计方案42.1本系统方案包括三个部分42.2硬件电路方案设计4第三章 各单元电路的工作原理63.1方波发生电路63.2 方波-三角波转换电路83.3三角波-正弦波转换电路9第四章 安装、调试与结果分析114.1 软件仿真114.2 安装电路114.3 实物调试及故障分析与排除12实验小结13参考文献14附录151.总原理图152.电路元器件清单163.芯片简介17前 言随着社会的发展与科技的进步，各式各样的电子产品涌向市场，人们对电子产品的需求量也越来越大，对产品的性能要求也越高。作为一名电子类的大学生，在学习理论知识的同时也应增强学生的动手能力，电子课程设计为大学生提供了一个大的平台，将理论知识与实践相结合。信号发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。本次实验是设计制作一个方波-三角波-正弦波函数信号发生器。通过各个途径查找资料，从而设计出理想的电路图并仿真；方案通过后开始制作电路板，需进行排版、焊接、布线等操作；电路板制作完后就进行调试，通过调试可检查电路板是否合格。其中方案设计及电路分析思路值得学生学习和研究，从而将该方案更好地应用到课程设计中。 第一章 设计内容及要求1.1、设计任务和要求 设计制作一个产生方波三角波正弦波函数转换器 要求： 1输出波形频率范围为0.02Hz20KHz且连续可调2正弦波幅值为2v3方波幅值为2v4三角波峰峰值为2v，占空比可调1.2、设计目的 1巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。2培养根据课题需要选学参考书籍，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。3通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件;初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。4了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。5 培养严肃、认真的工作作风和科学态度第二章 系统设计方案2.1本系统方案包括三个部分1、比较器电路2、积分器电路3、差分放大器电路 2.2硬件电路方案设计 比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，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曲线的非线性。由比较器和积分器组成方波三角波产生电路如下图2.1所示：图2.1 设计框图系统设计电路总图如图2.2所示 图2.2系统设计电路总图第三章 各单元电路的工作原理3.1方波发生电路因为方波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平（如图3.1所示），所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。方波电压状态如下图3.1所示： 图 3.1 方波电压状态此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成（如图3.2所示）。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R1对电容C正向充电。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R1对电容C反向充电。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。方波发生电路如下图3.2所示：图 3.2 方波发生电路欲改变输出电压的占空比，就必须使电容正向和反向充电的时间常数不同，即两个充电回路的参数不同。利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路，从而实现占空比可调如下图3.3所示：图 3.3占空比可调电路占空比的计算式为：。3.2 方波-三角波转换电路将方波电压作为积分运算电路的输入，在其输出就得到三角波电压（如图3.4所示）。当方波发生电路的输出电压Uo=+Uz时，积分运算电路的输出电压Uo将线性下降；而当Uo=-Uz时，Uo将线性上升。积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压Uo1，而且Uo1不是+Uz，就是-Uz。设初态时正好从-Uz跃变为+Uz，则积分电路反向积分，Uo随时间的增长线形下降，一旦Uo=-Ut，再稍减小，Uo1将从+Uz跃变为-Uz。积分电路正向积分，Uo随时间的增长线形增大，一旦Uo=+Ut，再稍增大，Uo1将从-Uz跃变为+Uz，回到初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程，因此产生自激振荡，三角波发生电路如下图3.5所示：图 3.4 三角波发生电路 方波-三角波波形图如下图3.5所示：图3.5方波-三角波波形3.3三角波-正弦波转换电路差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，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曲线的非线性。正弦波电路如下图3.6所示： 图 3.6 正弦波发生电路为使输出波形更接近正弦波：（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。（3） 图为实现三角波正弦波变换的电路。其中R4和R12调节三角波的幅度，R13调整电路的对称性。电容C1为隔直电容，C2和C3为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。第四章 安装、调试与结果分析4.1 软件仿真将上述设计方案进行仿真得到如下结果：（1）方波-三角波-正弦波仿真图如下图4.1所示：图4.1方波-三角波-正弦波仿真图仿真是对电路可行性的理论分析，是检验电路正确性的辅助手段。设计时按照理论计算选取的电路参数，带入进行仿真后，基本得到设计的参数要求，即方波幅值为2v，三角波峰峰值为2v，正弦波幅值为2v。4.2 安装电路1. 将LM324装上电路板，设计并排版，使各元件易于焊接且美观；2. 分别把各电阻及电容放入适当位置，尤其注意电位器和稳压管的接法，由于本电路用到了三个LM324，所以应明确各管脚的接线位置，并将电阻电容等焊在易于连线的位置，避免短路、少焊、虚焊等问题，也使电路易于检查；3. 按图接线，注意直流源的正负及接地端。4.3 实物调试及故障分析与排除将LM324的4脚和11脚分别接正负电压，接上示波器观察波形。首先分别调试各电路，在调试方波发生电路时，发现虽然有波形产生，但幅值偏小，达不到要求，多次检查后发现，LM324所接的是5V电压，当调整至15V电压后，幅值增大，基本达到设计要求。之后调试三角波发生电路，发现也是幅值达不到要求，并且波形部分失真，又进行了仿真，并在电路板上插线连接模拟了真实电路，改变了电路参数，之后达到了设计要求。最后调试正弦波发生电路，起初没有波形产生，后将万用表打至蜂鸣档检查电路各连接点是否短路和电路焊接是否正确，找到了问题，发现有一处出现了少焊，重新焊接后，有波形产生，但发生了严重失真，于是又进行仿真，再次用电路板插线连接模拟真是电路，改变电路参数，使波形达到设计要求，但是频率范围比较窄，改变了图中某些元件的参数（变换了电容）后，重新调试，基本达到了设计要求。各波幅值达到设计要求后，又对参数进行了调整，使其频率在0.02Hz20KHz且连续可调。实验小结 经过两个星期的课设实验，收获了挺多的。前一个星期大都是在图书馆或是电脑上花费的，主要是查找实验相关的资料并设计出合理的实验方案，单就方案设计就让人头疼，不过依靠现在发达的科技以及图书馆的丰富的资料，终于设计出了合理的方案。方案设计以及仿真都还是挺顺利的，在老师的检查下，方案得到了老师的认可，接下来便是制作转换器电路板。在这方面，存在挺多问题的，象是电路排版，焊接，都挺难的，总之要细心加耐心。焊接是个技术活，要多次练习焊接，才能焊出好的作品，不会出现虚焊，焊盘脱落。做了两个电路板，都出现了虚焊，在调试过程中都不理想，波形出不来，只有先检查电路，再检查焊的有没问题，检查多次才找出了问题，好多处都出现了虚焊以及电路设计方面还有待改进，于是又重新调整了一下电路，并重新制作。通过和搭档的不懈努力终于将第三块板焊好了，调试波形也出来了，唯一一点不足就是频率范围窄了点，达不到要求，在张老师和欧老师的指导下，我们改变了电路中电容的值，经过老师的多次指导，频率范围变宽了，基本达到了要求。这次课设实验感受挺多的，其实整个阶段挺快乐，同时让我明白了：只有实践了，你才能得出正确的答案，而理论，你只能当做参考，理论得到实践才是真知。这次课程设计的经历将是作为财富而不仅仅是经验。课程设计就是将理论知识在实际中验证，应运于实际这才是学习的目的。参考文献1童诗白主编模拟电子技术基础（第四版）北京. 高等教育出版社2李万臣主编模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，2001.33胡宴如主编. 模拟电子技术. 北京. 高等教育出版社，20004邓谦、刘清平、张琦、黄丽贞主编.电子技术事件2(低频电子线路)实验指导书.南昌航空大学电子信息工程学院电子实验实践教学中心5电子设计应用2009年第5期 国家一级科技期刊6电子器件2009年第32卷 第3期 中国科技核心期刊7电子线路课程设计北京.电子工业出版社附录1.总原理图2.电路元器件清单主要元件规格稳压管两个芯片一个LM324电阻一个1K一个8.2K五个10K一个47K电位器一个50一个200K两个1M电容三个0.1F一个1F 3.芯片简介LM324系列器件为价格便宜的带有