模拟电子电路课程设计正弦波三角波方波函数发生器样本

课程设计任务书学生姓名：专业班级：指引教师：工作单位：题目：正弦波－三角波－方波函数发生器初始条件： 具备模仿电子电路理论知识；具备模仿电路基本电路设计能力；具备模仿电路基本调试手段；自选有关电子器件；可以使用实验室仪器调试。规定完毕重要任务：（涉及课程设计工作量及其技术规定，以及阐明书撰写等详细规定）1、频率范畴三段：10～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz；2、正弦波Uopp≈3V，三角波Uopp≈5V，方波Uopp≈14V；3、幅度持续可调，线性失真小；4、安装调试并完毕符合学校规定设计阐明书时间安排：一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试指引教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日目录1.综述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11.1信号发生器概论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11.2Multisim简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21.3集成运放lm324简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32.方案设计与论证．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42.1方案一．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42.2方案二．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42.3方案三．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．53.单元电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63.1正弦波发生电路工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63.2正弦波变换成方波工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．83.3方波变换成三角波工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．93.4正负12V直流稳压电源设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．104.电路仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．124.1总波形发生电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．124.2正弦波仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．134.3方波仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．144.2三角波仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．145.实物制作与调试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．155.1焊接过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．155.2实物图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．155.3调试波形．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．186.数据记录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．197.课设总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．208.参照书目．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．219.附录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22本科生课程设计成绩评估表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24综述1.1信号发生器概论在人们结识自然、改造自然过程中，经常需要对各种各样电子信号进行测量，因而如何依照被测量电子信号不同特性和测量规定，灵活、迅速选用不同特性信号源成了当代测量技术值得进一步研究课题。信号源重要给被测电路提供所需要已知信号(各种波形)，然后用其他仪表测量感兴趣参数。可见信号源在各种实验应用和实验测试解决中，它不是测量仪器，而是依照使用者规定，作为勉励源，仿真各种测试信号，提供应被测电路，以满足测量或各种实际需要。波形发生器就是信号源一种，可以给被测电路提供所需要波形。老式波形发生器多采用模仿电子技术，由分立元件或模仿集成电路构成，其电路构造复杂，不能依照实际需要灵活扩展。随着微电子技术发展，运用单片机技术，通过巧妙软件设计和简易硬件电路，产生数字式正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调信号。与既有各类型波形发生器比较而言，产生数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简朴以便。依照用途不同，有产生三种或各种波形波形发生器，使用器件可以是分立器件(如低频信号函数发生器S101所有采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表达。可以产生各种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波电路被称为函数信号发生器。它用于产生被测电路所需特定参数电测试信号。在测试、研究或调节电子电路及设备时，为测定电路某些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都规定提供符合所定技术条件电信号，以模仿在实际工作中使用待测设备勉励信号。当规定进行系统稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知正弦信号源。当测试系统瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知矩形脉冲源。并且规定信号源输出信号参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范畴内进行精准调节，有较好稳定性，有输出批示。信号源可以依照输出波形不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。正弦信号是使用最广泛测试信号。

当前,咱们通过对函数信号发生器原理以及构成设计一种能变换出正弦波、方波、三角波简易发生器。众所周知，制作函数发生器电路有诸各种。本次设计先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，这是一种频率可调移相式正弦波发生器电路，其频率稳定普通为实验所拟定，然后可以通过变化电容值来变化再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具备良好正弦波和方波信号。它制作成本不高，路简朴，使用以便，有效节约了人力，物力资源。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛一类电子仪器。该函数发生器规定能输出频率范畴可调正弦波、方波和三角波，可以较好实现本次实验目,将某些线性和非线性元件与集成运放组合,输出性能良好波形.由正弦波、方波或三角波发生器产生相应信号，通过互相转换实现各种波形输出。正弦波可以由RC正弦波振荡电路产生，之后通过过零比较器可产生方波，再积分可得三角波。通过调节RC振荡电路中振荡电阻来实现频率可调。通过调节比例运算电路反馈电阻来实现幅度可调，最后做成规定函数发生器。1.2Multisim简介

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出以Windows为基本仿真工具，合用于板级模仿/数字电路板设计工作。它包括了电路原理图图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具备丰富仿真分析能力。

1.2.1multisim

10概述:

通过直观电路图捕获环境,轻松设计电路。通过交互式SPICE仿真,迅速理解电路行为。借助高档电路分析,理解基本设计特性。通过一种工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试。通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间。1.2.2直观捕获和功能强大仿真：

NI

Multisim软件结合了直观捕获和功能强大仿真，可以迅速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI

Multisim，可以及时创立具备完整组件库电路图，并运用工业原则SPICE模仿器模仿电路行为。借助专业高档SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行迅速验证，从而缩短建模循环。与NI

LabVIEW和SignalExpress软件集成，完善了具备强大技术设计流程，从而可以比较具备模仿数据实现建模测量。NIMultisim软件是一种专门用于电子电路仿真与设计EDA工具软件。NIMultisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以较好地解决理论教学与实际动手实验相脱节这一问题。学员可以很以便地把刚刚学到理论知识用计算机仿真真实再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己仪表。1.3集成运放lm324简介LM324系列器件带有差动输入四运算放大器。与单电源应用场合原则运算放大器相比，它们有某些明显长处。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏电源下，静态电流为MC1741静态电流五分之一。共模输入范畴涉及负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件必要性。每一组运算放大器可用图1所示符号来表达，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表达运放输出端Vo信号与该输入端位相反；Vi+（+）为同相输入端，表达运放输出端Vo信号与该输入端相位相似。图1.3lm324引脚连接图LM324系列由四个独立，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电电压范畴经营。从分裂电源操作也有也许和低电源电流消耗是独立电源电压幅度。应用领域涉及传感器放大器，直流增益模块和所有老式运算放大器可以更容易地在单电源系统中实现电路。例如，可直接操作LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需接口电路，而无需额外±15V电源原则5V电源电压。核心词：正弦波方波三角波函数信号发生器multisim2.方案设计与论证2.1方案一图2.1方案一本方案先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波电路设计办法，电路框图如图2.1。用迟滞比较器与反相积分器首尾相串联构成方波-三角波产生电路，然后，采用差分放大器，作为三角波—正弦波变换电路运用差分对管饱和与截止特性进行变换，差分放大器具备工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等长处。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因而可将频率很低三角波变换成正弦波。波形变换原理是运用差分放大器传播特性曲线非线性。此电路输出频率就是方波-三角波产生电路频率，将正弦波用比较器进行比较产生方波，调节比较电位，使得方波占空比可以变化。但在实际操作中难以调试出正弦波，因素是差分电路难以达到绝对对称。故未采用此方案。2.2方案二图2.2方案二本方案中正弦波与三角波产生与方案二相似，用迟滞比较器与反相积分器首尾相串联构成方波-三角波产生电路，但三角波到正弦波变换电路采用是有源RC二阶低通选频电路，电路框图如图2.2。此电路构造、思路简朴，运营时性能稳定且能较好符合设计规定，但是由于有源RC二阶低通滤波电路中电容是与输出端相接，相称于形成一正反馈，若正反馈过大，也许引起滤波器自激，故未予采用。2.3方案三正弦波方波三角波积分电路过零比较器RC正弦波振荡电路积分电路过零比较器RC正弦波振荡电路图2.3方案三RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同构成正弦波—方波—三角波函数发生器设计办法，电路框图如图2.3。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具备良好正弦波和方波信号。正弦波振荡电路是一种自己振荡电路，其实质是放大器引正反馈成果。由放大电路、正反馈网络和选频网络构成。它没有输入信号，而是通过电路中噪声通过选频产生。该方案思路清晰，产品易制作，本次实验课设咱们采用该方案。3.单元电路设计3.1正弦波发生电路工作原理3.1.1产生正弦振荡条件:正弦波产生电路目就是使电路产生一定频率和幅度正弦波，咱们普通在放大电路中引入正反馈，并创造条件，使其产生稳定可靠振荡。正弦波产生电路基本构造是：引入正反馈反馈网络和放大电路。其中：接入正反馈是产生振荡首要条件，它又被称为相位条件；产生振荡必要满足幅度条件；要保证输出波形为单一频率正弦波，必要具备选频特性；同步它还应具备稳幅特性。因而，正弦波产生电路普通涉及：放大电路；反馈网络；选频网络；稳幅电路个某些。3.1.2正弦波振荡电路构成判断及分类：(1)放大电路：保证电路可以有从起振到动态平衡过程，电路获得一定幅值输出值，实现自由控制。(2)选频网络：拟定电路振荡频率，是电路产生单一频率振荡，即保证电路产生正弦波振荡。(3)正反馈网络：引入正反馈，使放大电路输入信号等于其反馈信号。稳幅环节：也就是非线性环节，作用是输出信号幅值稳定。3.1.3判断电路与否振荡办法：(1)与否满足相位条件，即电路与否正反馈，只有满足相位条件才可产生振荡。(2)放大电路构造与否合理，有无放大能力，静态工作与否适当；(3)与否满足幅度条件。3.1.3正弦波振荡电路检查：(1)则不也许振荡；(2)振荡，但输出波形明显失真；(3)产生振荡。振荡稳定后。此种状况起振容易，振荡稳定，输出波形失真小。3.1.3分类：按选频网络元件类型，把正先振荡电路分为：RC正弦波振荡电路；LC正弦波振荡电路；石英晶体正弦波振荡电路。3.1.4RC正弦波振荡电路：常用RC正弦波振荡电路是RC串并联式正弦波振荡电路，它又被称为文氏桥正弦波振荡电路。串并联网络在此作为选频和反馈网络。图3.1RC桥式正弦波振荡电路RC桥式正弦波振荡电路构成如图所示。当时，RC选频网络相移为零，这样RC串并联选频网络送到运算放大器同向输入端信号电压Vi与输出电压Vo同相，因此RC反馈网络形成正反馈，满足相位平衡条件。为使在震荡建立期间信号做增幅震荡，应选取R1和R2可使Af≥3，保证。因而它起振条件为：；它振荡频率为：。它重要用于低频振荡。要想产生更高频率正弦信号，普通采用LC正弦波振荡电路。它振荡频率为：。此外，石英振荡器特点是其振荡频率特别稳定，它惯用于振荡频率高度稳定场合。RC文氏桥振荡电路稳幅作用是靠两个并联二极管构成，当输出信号较小时，二极管工作电流小，动态电阻大，电路增益较大，引起增幅震荡过程。当输出幅度达到一定限度，二极管工作电流大，动态电阻小，电路增益下降，电路输出电压幅值将不再上升，从而使输出电压稳定，以此来达到稳幅目。3.2正弦波变换成方波工作原理3.2.1电压比较器功能电压比较器是用来比较两个电压大小电路，它输入信号是模仿电压，输出信号普通是只有高电平和低电平两个稳定状态电压。运用电压比较器可将各周期性信号转换成矩形波。3.2.2过零比较器参照电压为零比较器称为过零比较器。按输入方式不同可分为反相输入和同相输入两种过零比较器，通惯用阈值电压和传播特性来描述比较器工作特性。阈值电压(又称门槛电平)是使比较器输出电压发生跳变时输入电压值，简称为阈值，用符号UTH表达。图3.2.1过零比较器本电路中该电路作用是将正弦信号转变成方波信号，其传播特性曲线如下图所示：图3.2.2传播特性曲线3.3方波变换成三角波工作原理方波通过积分器就变成了三角波。但是此电路规定先后电路时间常数配合好，不能让积分器饱和。图3.3.1积分电路原理Vo-Vi为积分关系，负号表达输入和输出信号相位相反。当Vi为定值时，电容将恒流充电，输出电压为：当积分器输入信号为方波时，其输出信号为三角波，电路波形图如下：图3.3.2三角波发生器工作波形图3.3.2积分电路仿真图3.4正负12V直流稳压电源设计直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出直流电压装置，它需要通过变压、整流、滤波、稳压四个环节才干完毕。3.4.1设计原理直流稳压电源普通由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所构成，基本框图如图所示：图3.4.1直流稳压电源设计框图及波形3.4.2各某些作用1、电源变压器T：作用是将电网220V交流电压变换成整流滤波电路所需要交流电压Ui。2、整流电路：整流电路将交流电压Ui变换成脉动直流电压。再经滤波电路滤除较大纹波成分，输出纹波较小直流电压U1。3、滤波电路：经整流后直流输出电压脉动性很大，不能直接使用，为减少其交流成分，常在整流电路后接滤波电路。滤波电路重要任务是将整流后单向脉动直流电压中纹波滤除掉，使其输出平滑直流电压，这里咱们采用接入滤波电容来构成滤波电路。4、稳压电路：惯用稳压电路有两种形式：一是稳压管稳压电路，二是串联型稳压电路。两者工作原理有所不同。稳压管稳压电路其工作原理是运用稳压管两端电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联限流电阻上压降来达到稳定输出电压目。3.4.3详细电路设计在整流电路中咱们采用全波整流桥，该电路整流效果和输出电压波形为单项半波整流两倍，在稳压电路中采用CW7812和CW7912型号这两个集成稳压器芯片构成具备同步输出固定+12V、-12V电压稳压电路。该电路对称性好，温度特性也近似一致。图3.4.2直流稳压电源电路图3.4.4稳压电源性能指标及测试办法

稳压电源技术指标分为两种：一种是特性指标，涉及容许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范畴等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压稳定限度，涉及稳压系数（或电压调节率）、输出电阻（或电流调节率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。4.电路仿真4.1总波形发生电路图4.1正弦波－方波－三角波函数发生器该电路分为三某些，第一某些为RC桥式正弦振荡电路，其功能是运用RC振荡产生特定频率正弦波；第二某些为过零电压比较器电路，其功能为将正弦波转成方波；第三某些为积分电路，其功能为运用积分电路将方波转成三角波；此外，在积分电路之前设立一种电压跟随器，起到隔离作用，使过零电压比较器电路与积分电路不互相影响。拟定电路元器件参数：稳压管作用是限制和拟定方波幅度，因而方波正负半周对称性与稳压管性能关于。因而选用稳压管时，要选取性能好某些两个管性能对称稳压管，最佳选用双向稳压管；R3是稳压管限流电阻，阻值依照稳压管电路拟定；Rp1和Rp2给比较器提供门限电平，她们可以决定三角波幅值.因而Rp1和R2值应依照三角波幅值决定。普通为了使三角波幅值可调，惯用电位器作为Rp1、Rp2和电容C值决定三角波频率f。普通是Rp1和R2值拟定后，可以先拟定电容C值，然后由f。=R2/（4Rp2Rp1C）来拟定R4值.Rp2若采用电位器，则三角波频率可调。为了减小积分漂移，电容C值尽量取大些，但是C值越大漏电也越大，因而普通C不超过1uF；集成运放选取用于比较器运放规定速度应当高些。通过变化反馈网络中变阻RP3阻值可以变化正弦波输出波形幅值；之后方波输出波形也随之拟定；通过变化变阻RP4阻值可以变化三角波输出波形幅值。4.2正弦波仿真在变阻RP1、RP2比例分别为50%，RP3比例为25%，示波器输出波形如下图所示。图4.2正弦波仿真视图由图可知T1时间为1.315s，通道A为-1.660V。T2时间为1.338s，通道A为1.658V。由此可知仿真出正弦波幅值为：1.660V；峰-峰值为：3.318V；周期为46.154ms。4.3方波仿真图4.3方波仿真视图由图可知T1时间为736.976ms，通道A为-6.834V。T2时间为760.908ms，通道A为6.812V。由此可知仿真出正弦波幅值为：6.812V；峰-峰值为：13.646V；周期为47.864ms。4.4三角波仿真图4.4三角波仿真视图由图可知T1时间为5.516s，通道A为-2.554V。T2时间为5.180s，通道A为2.513V。由此可知仿真出正弦波幅值约为：2.554V；峰-峰值为：5.067V；周期为24.786ms。5.实物制作与调试5.1焊接过程1、在排版排线时注意疏密得体，各线方向最佳一致，各个焊点之间独立，以免导致线路短路。2、焊接电路时，注意焊接完毕后，将烙铁头放回原位并关掉电源，避免导致旁人不经意受伤。3、电路焊接完毕后，在示波器上没能显示出波形。寻找电路焊接错误，然后对电路进行修改，最后在示波器上显示出设计规定波形。4、调试时，积分电路中三角波底部浮现失真。在积分电路上并联一种100K微调电阻和一种0.1uF电容，通过调节电阻。最后得以实现三角波。5、设计过程中，要注意与成员协调合伙，分工有序，否则会导致不必要错误，导致整个设计失败。6、焊接芯片时，注意正负极以及各引脚排序，避免焊接时电路连接错误，导致波形不能显示。5.2实物图总体外观：图5.2.1总体外观拍摄图信号发生器正面：图5.2.2信号发生器正面拍摄图信号发生器背面：图5.2.3信号发生器背面拍摄图直流稳压电源正面：图5.2.4直流稳压电源正面拍摄图直流稳压电源背面：图5.2.5直流稳压电源背面拍摄图5.3调试波形5.3.1正弦波图5.3.1正弦波调试实际调试中输出正弦波波形如上图所示。其中Vmax=1.64V；Vmin=-1.64V；峰-峰值为3.28V。5.3.2方波图5.3.2方波调试实际调试中输出方波波形如上图所示。其中Vmax=7.00V；Vmin=-10.2V；峰-峰值为17.2V。5.3.3三角波图5.3.3三角波调试实际调试中输出三角波波形如上图所示。其中Vmax=10.0V；Vmin=4.96V；峰-峰值为5.04V。6.数据记录1.正弦波正弦波测试成果：输出电压3.28V，频率10HZ-8.2KHZ可调；2.方波方波测试成果：输出电压17.2V，频率25HZ-7.8KHZ可调；3.三角波三角波测试成果：输出电压5.04V，频率10HZ-8.0KHZ可调；4.电源电源测试成果：正极输出+12.01V，负极输出-11.96V。7.课设总结：咱们在课堂上掌握仅仅是专业基本课理论面，如何去面对现实中各种设计？如何把咱们所学到专业基本理论知识用到实践中去呢？这次模电课程设计就为咱们提供了良好实践平台。在这次难得课程设计过程中我锻炼了自己思考能力和动手能力。通过题目构思和设计电路过程中，加强了我思考问题完整性和实际生活联系可行性。在方案设计选取和芯片选取上，培养了咱们综合应用能力,对函数信号发生器功能也有了进一步结识。还锻炼咱们个人查阅技术资料能力，动手能力，发现问题，解决问题能力。并且咱们纯熟掌握了关于器件性能及测试办法。在电路选取与仿真过程中，我发现从刚开始Multisim到当前Protel，不论是学习哪种软件，都给我留下了很深印象。由于之前软件仿真方面接触不多，开始着手时候觉得很费力，但慢慢摸索出来，到日后就好多了。在每次课程设计中,遇到问题，最佳办法就是问别人，由于每个人掌握状况不同样，不也许做处处处都懂，发挥群众力量，复杂事情就会变得很简朴。这一点我深有体会，在诸多时候，我遇到困难或许别人之前就已遇到，向她们请教远比自己在那冥思苦想要来得快捷。最后调试某些也不是易事，由于理论计算值在实际当中并不一定是最佳参数，咱们必要通过观测效果来变化参数数值以期达到最佳。通过本次对函数信号发生器设计，我掌握了惯用元件辨认和测试；熟悉了惯用仪器仪表；进一步理解了电路连接、焊接办法；以及如何提高电路性能。进一步使我巩固了关于正弦波信号产生电路与直流稳压电源有关方面知识，明白了实践出真知真谛。同