方波三角波正弦波函数发生器设计课程设计报告.docx

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方波三角波正弦波函数发生器设计课程设计报告

课程设计说明书

课程设计名称：

模拟电子技术基础

课程设计题目：

方波—三角波—正弦波函数发生器

学院名称：

信息工程学院

专业：

电子信息工程班级：

学号：

姓名：

评分：

教师：

2011年3月4日

《模拟电子技术基础》课程设计任务书

2010－2011学年第2学期　第1周－2周

题目

设计制作一个产生方波-三角波-正弦波函数转换器

内容及要求

①    输出波形频率范围为0.02Hz~20kHz且连续可调；

②    正弦波幅值为±2V，；

③    方波幅值为2V；

④    三角波峰-峰值为2V，占空比可调；

⑤     设计电路所需的直流电源可用实验室电源。

进度安排

1.布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备：

2天；

2.领元器件、制作、焊接：

3天

3．调试：

2天

4.验收：

0.5天

学生姓名：

王地伟

指导时间2011年2月21日～2011年3月4日

指导地点：

E楼607室

任务下达

2011年2月21日

任务完成

2011年3月4日

考核方式

1.评阅□√2.答辩□3.实际操作□√4.其它□

指导教师

李翔文

系（部）主任

陈琼

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

在人们认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。

信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其它仪表测量感兴趣的参数。

可见信号源在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。

　波形发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形,广泛地应用于各大院校和科研场所。

随着科技的进步，社会的发展，单一的波形发生器已经不能满足人们的需求，而我们设计的正是多种波形发生器。

本次设计用运放来组成RC积分电路，低通滤波电路来分别实现方波，三角波和正弦波的输出。

它的制作成本不高，电路简单，使用方便，有效的节省了人力，物力资源。

本文通过介绍一种电路的连接，实现函数发生器的基本功能。

将其接入电源，具有实际的应用价值。

并通过在示波器上观察波形及数据，得到结果。

电压比较器实现方波的输出，又连接积分器得到三角波，并通过三角波-正弦波转换电路看到正弦波，得到想要的信号。

NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

凭借NIMultisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图。

本设计就是利用Multisim软件进行电路图的绘制并进行仿真。

关键词：

电源，波形，比较器，积分器，转换电路，低通滤波，Multisim

1.函数发生器总方案及原理框图

1.1函数发生器的总方案

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。

根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件 ，也可以采用集成电路。

为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与二阶低通滤波器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。

本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，然而这种方法也有几套方案。

方案一：

首先由一个RC振荡电路产生方波，然后将此波形接入一个积分电路产生三角波，用折线法将三角波转换成正弦波。

此方案在执行时比较困难，原因在于三角波到正弦波的转换上，折线法的参数很难确定。

方案二：

首先由一个RC振荡电路产生方波，然后将此波形接入一个积分电路产生三角波，将三角波通过滤波电路实现到正弦波的转换。

此方案很好，但是没采用，原因在于电路的前面部分比较繁琐，如果电路太繁琐，那么对后面的结果影响也就更大，会增大误差，故而放弃。

方案三：

首先由一个RC振荡电路产生方波，然后将此波形接入一个积分电路产生三角波，用一个差分电路来实现波形的转换，。

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。

但是最终不好调试，故而启弃用。

方案四：

在方案三的基础上进行了改进，用一个积分电路替代了前面的RC振荡回路，这样做起来就更简洁，焊点较少，那么负面影响也就相对会减小，故而采用了本方案。

本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：

由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，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二阶低通滤波器来实现。

二阶低通滤波器是在一阶的基础上再加上一个RC电路构成，能够很好的抑制低频率信号的通过，从而将处于低频率的三角波转换成为正弦波，实现波形变换。

1.2函数发生器总方案及原理框图

原理框图：

图1原理框图

2.课程设计的目的和设计的任务

2.1设计的目的

1.掌握电子系统的一般设计方法；

2.掌握模拟IC器件的应用；

3.培养综合应用所学知识来指导实践的能力；

4.掌握常用元器件的识别和测试；

5.熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。

2.2设计任务

设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器

2.3课程设计的要求及技术指标

1.设计.组装.调试函数发生器；

2.输出波形：

正弦波.方波.三角波；

3.频率范围：

0.02—20kHZ范围内可调；

4.输出电压：

方波幅值为2V；正弦波幅值为±2V；

三角波峰-峰值为2V，占空比可调。

3.各组成部分的工作原理

3.1方波发生电路的工作原理

此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。

RC回路即作为迟滞环节，又作为反馈网络，通过RC冲、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R3对电容C正向充电，如图中箭头所示。

反相输入端电位n随时间的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是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R3对电容反相充电，如图中虚线箭头所示。

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=-Uz再减小，UO就从-Uz跃变为+Uz，UO从-Ut跃变为+Ut，电容又开是正向充电。

上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

图2同相滞回比较器的电压传输特性曲线

3.2运放lm324工作原理与电路图

LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显着优点。

该四放大器可以工作在低到3。

0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置组件的必要性。

LM324的特点：

1.短跑保护输出；2.真差动输入级；

3.可单电源工作：

3V-32V；4.低偏置电流：

最大100nA（LM324A）；

5.每封装含四个运算放大器。

6.共模范围扩展到负电源

7.具有内部补偿的功能；8.输入端具有静电保护功能

9.行业标准的引脚排列；

LM324引脚图（管脚图）（见附录）

3.3方波——三角波转换电路的工作原理

图3方波——三角波转换电路的工作原理

工作原理

如图3所示，在电路的左边为同相滞回比较器，右边为积分运算电路。

同相滞回比较器的输出高低电平分别为

Uoh=+Uz，Uol=-Uz

积分运算电路的输出电压uo作为输入电压，A1同乡输入端的电位

Up1=uo1·R1/（R1+R2+R6）+Uo·（R2+R6）/（R1+R2+R6）

令Up1=Un1=0，并将uo1=±Uz带入得

±Ut=±Uz·R1/（R2+R6）

电路的振荡原理

合闸通电，通常C上电压为0。

设Uo1↑→Up1↑→Uo1↑↑，直至Uo1＝Uz；积分电路反向积分，t↑→Uo↓，一旦Uo过－Ut，Uo1从＋Uz跃变为－Uz。

积分电路正向积分，t↑→Uo↑，一旦Uo过＋Ut，Uo1从－Uz跃变为＋Uz，返回第一暂态。

重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。

由于积分电路反向积分和正向积分的电流大小均为Uo1/（R3+R7），使得U0在一个周期内的下降时间和上升时间相等，且斜率的绝对值也相等，因而将方波转换为三角波。

主要参数估算：

1振荡幅值

在如图所示的三角波—方波发生电路中，因为积分电路的输出电压就是同相滞回比较器的输入电压，所以三角波的幅值为

±Uom=±Ut=±Uz·R1/R2

因为方波的幅值决定于由稳压管组成的限幅电路，所以

Uoh=+Uz，Uol=—Uz

2振荡周期

在图3中，在振荡的二分之一周期内，起始值为—Ut，终了值为+Ut

Ut=Uz·T/2·1/R3·C-Ut

得到

T=4·R1·（R3+R7）·C/（R2+R6）

积分器的输出

Uo=—1/（R3+R7）·∫Uo1dt

Uo1=+Vcc时，Uo2=—（+Vcc）·t/（R3+R7）·C1

可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下图所示。

图4方波—三角波的波形变换

比较器与积分器首尾相连，形成闭环回路，则自动产生方波——三角波，三角波的幅度为

Uo2=Vcc·R1/（R3+R7）

方波——三角波的频率为

f=（R2+R6）/4R1（R3+R7）

所以有以下结论：

1.电位器R7在调节方波——三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度，若要求输出频率的范围较宽，可用C1改变频率的范围，R7实现频率微调。

2.方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc,三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc,电位器R6可实现幅度微调，但会影响方波——三角波的频率。

3.4三角波——正弦波转换电路的工作原理

三角波——正弦波的变换电路主要由二阶低通滤波器电路来完成。

图5三角波—正弦波转换电路

工作原理

由RC串联接一个同相比例运算电路组成一个一阶有源低通滤波器，滤出一部分干扰，得到想要的波形，但是往往一个RC回路的过渡带还很宽，所以，为了更好的达到滤波的效果，尽量减小过渡带，可以多加RC回路，构成多节低通滤波器，因此，在这用了二阶滤波器来达到目的。

在电路中，当信号频率趋于零时，同相输入端的电位Up=Ui，故电路的通带放大倍数等于同相比例运算电路的比例系数，即

Aup=Up/Ui=1+R11/R12

电路的电压放大倍数

Au=Uo/Ui=（1+Rf/R1）·Up/Ui=Aup/（1+jwRC）=Aup/1+j·f/fp

其中，

fp=f0=1/2πRC

图6输出波形

3.5电路的参数选择及计算

1.方波——三角波中电容C1变化（关键性变化之一）

比较器A1与积分器A2的元件计算如下：

得U02m=Vcc·R1/（R2+R6）

即R1/（R2+R6）=1/3

取R1=10KΩ，则R2+R6=30KΩ，取R2=20KΩ，R6为200KΩ的点位器。

区平衡电阻R9=R1//（R2+R6）≈10KΩ

由式f=（R2+R6）/4R1（R3+R7）

即R3+R7=（R2+R6）/4R1·C1

当0.02HZ≤f≤20khz时，取C1=10µf，则R3+R7=1.5Ω～1.5KΩ，取R3=1KΩ，为10KΩ电位器。

2.三角波——正弦波变化时参数计算

当C2=C3==C时，f0=1/2πRC。

所以取C2=C3=0.1µf，R8=R10=10KΩ，R12=100KΩ,R11取最大阻值为40kΩ的电位器。

4.用Multisim10电路仿真

4.1方波—三角波的仿真

图7方波—三角波发生器

方波仿真结果

图8方波仿真效果图

三角波仿真结果

图9三角波仿真效果图

方波—三角波转换仿真结果

图10方波—三角波转换仿真结果

4.2三角波—正弦波仿真结果

图11正弦波发生电路

正弦波结果

图12正弦波仿真结果

三角波—正弦波转换仿真结果

图13三角波—正弦波转换仿真结果

总的仿真结果

图14仿真结果

5.电路调试

5.1方波---三角波发生电路的安装与调试

1.安装方波——三角波产生电路

1.把LM324集成块插入插槽，注意布局；

2.分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；

3.按图接线，注意直流源的正负及接地端。

2.调试方波——三角波产生电路

1.接入电源后，用示波器进行双踪观察；

2.调节R6，使三角波的幅值满足指标要求；

3.调节R7，微调波形的频率；

4.观察示波器，各指标达到要求后进行下一部安装。

5.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试

1.安装三角波——正弦波变换电路

1.在万用板上接入低通滤波电路；

2.搭生成直流源电路，注意各电阻的阻值选取；

3.接入各电容及电位器，注意电容型号的选取，尽量选电容值相等的电容；

4.按图接线，注意直流源的正负及接地端。

2.调试三角波——正弦波变换电路

1.接入直流源后，把C2、C3接地；

2.在R8端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压；

5.3总电路的安装与调试

1.把两部分的电路接好，进行整体测试、观察

2.针对各阶段出现的问题，逐个排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值为4V。

5.4调试中遇到的问题及解决的方法

方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级调试。

1．方波-三角波发生器的装调

由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。

需要注意的是，安装电位器R6与R7之前，要先将其调整到设计值，否则电路可能会不起振。

只要电路接线正确，上电后，示波器A端口的输出为方波，B端口的输出为三角波，微调R6,使三角波的输出幅度满足设计指标要求有，调节R7，则输出频率在对应波段内连续可变。

在调试的时候，发现从方波输出端输出的方波不是很标准，存在一定的差异，几经调试结果几乎不变，后来在老师的帮助下，发现其中的一个电阻出现了问题，阻值选得不够合理，但是发现的太晚了，没能及时改正。

2．三角波---正弦波变换电路的装调

按照图所示电路，装调三角波—正弦波变换电路，电路的调试如下：

先将电位器调到仿真时的阻值，连上示波器，看下输出的结果，结果出现的正弦波有一定的失真，几经调试发现是电位器的电阻值不合适，后经过改正后，得到了比较标准的正弦波，波形满足题目要求，但是参数有差异，经过反复的调试，反复的尝试，使得最终的参数与题目要求参数相差不大，基本满足题目要求，满足设计要求。

6.电路的课题结果及分析

6.1方波实测结果

图16方波实测结果

在本次课题中，实测的方波Vpp=14V，与课题要求不一致，详见课题分析

6.2三角波实测结果

图17三角波实测结果

在本次课题中，三角波的幅值为0.5V，与课题要求不一致，详见课题分析。

6.3正弦波实测结果

图18正弦波实测结果

在本次试验中，正弦波的幅值为±1V，与课题要求不一致，详见课题分析。

6.4课题结果分析

在本次课题中，课题结果与题目要求不太一致，存在着很多原因，结果中出来的参数与要求有些差别，原因如下：

1、题目要求幅值为2V或是峰峰值为2V，因此就要用到2V的稳压管，但是做课题时没领到2V稳压管，而是用的7V稳压管来稳压，仿真时也是用的7V的稳压管；

2、课题设计时的参数选择不当，有些电阻过大或是过小，造成了结果的偏差；

3、所领的元器件跟仿真时的的参数不完全相同，元器件的标称值与实际的不符；

4、所用的仪器和所处的环境对课题结果有干扰；

5、所有的元器件都是用电烙铁给烙上去的，在烙的时候温度会上升会影响电路的性能；

6、自己的焊接技术不好，在工艺上无形的改变了某些参数，对电路造成了许多的影响。

7.课题总结

为期两个星期的课程设计已经结束，在这两个星期的学习、设计、焊接过程中我感触颇深。

使我对抽象的理论有了具体的认识。

通过对函数信号发生器的设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；进一步了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。

通过对函数信号发生器的设计，我还深刻认识到了“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。

其次，这次课程设计从选题到设计电路再到参数设计以及仿真、连接电路到最后调试电路的过程中体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦，体会到成功来自于汗水，体会到成果的来之不易。

在课题过程中，我们遇到了不少的问题。

在老师和同学的帮助下，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啦。

课题中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，老师们不厌其烦地为我们调整波形，讲解知识点，实在令我感动。

还有就是在课题中，让我想起用电等方面安全问题，所以在以后的课题中我们应该注意安全，特别是在特殊的地方或者使用特殊工具时，一定要特别注意，不让危险事故发生。

还有值得我们自豪的就是我们的线路连得横竖分明，简直就是艺术，当然，我们也有很多不足的地方，制板两次才成功，浪费了很多材料，锡焊还不是很会用，焊接的很粗糙，以后还有待提高。

最后用一句话来结束吧：

“实践是检验真理的唯一标准”。

附录

附录一电路的总方案图

附图1调试电路

附录二元件清单

类型

规格

数量

备注

电阻

30K

1个

10K

6个

20K

2个

滑动变阻器

200K

1个

100K

1个

40K

1个

10K

1个

芯片

LM324

1块

芯片插槽

14管脚

1块

电容

0.1uF

3只

二极管

1N4007

2只

1N4735

2只

稳压管

PCB板

110×70

1块

导线

多股皮包线

若干

锡丝

0.8mm

若干

电源

直流稳压

1台

示波器

双踪

1台

附表一仪器清单表

附录三参考文献

1、王港元《电工电子实践指导》（第二版）[M]江西科学技术出版社，2005.

2、谢自美《电子线路设计、课题、测试》（第二版）[M]华中理工大学出版社，2000

3、张友汉《电子线路设计应用手册》[M]福建科学技术出版社，2000.

4、陈兆仁《电子技术基础课题研究与设计》[M]电子工业出版社，2000.

5、毕满清《电子技术课题与课程设计》[M]机械工业出版社.

6、杜龙林《用万用表检测电子元器件》[M]辽宁科学技术出版社，2001.

7、梁宗善《新型集成电路的应用》[M]华中理工大学出版社，2001.

8、杨振江《等新颖实用电子设计与制作》[M]西安电子科大出版社，2001

9、梁宗善《电子技术基础课程设计》[M]华中理工大学出版社

10、崔瑞雪张增良《电子技术动手实践》[M]北京航空航天大学出版社

11、陈先荣《电子技术课题基础》[M]国防工业出版社

12、汪学典《电子技术基础课题》[M]华中科技大学出版社

13、华成英童诗白《模拟电子技术基本教程》[M]清华大学出版社，2006

附录四LM324引脚图（管脚图）

附图2、LM324引脚图