信号发生器的设计.docx

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信号发生器的设计

沈阳航空航天大学

课程设计

（说明书）

信号发生器的设计

班级/学号94070201-020

学生姓名

指导教师徐锦丽

沈阳航空航天大学

课程设计任务书

课程名称电子技术综合课程设计

院（系）自动化学院专业自动化

班级94070201学号2009040702020姓名

课程设计题目信号发生器的设计

课程设计时间:

2011年12月19日至2012年1月1日

课程设计的内容及要求：

一、设计说明

设计一个信号发生器电路。

二、技术指标

用中小规模集成芯片设计制作产生方波、三角波和正弦波等多种波形信号输出的波形发生器，具体要求如下：

1.输出波形工作频率范围为0.02HZ~20KHZ，且连续可调；

2.正弦波幅值±10V；

3.方波幅值±10V；

4.三角波峰-峰值20V，各种输出波形幅值均连续可调。

三、设计要求

1.在选择器件时，应考虑成本。

2.根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。

3.画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。

四、实验要求

1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路。

2．进行实验数据处理和分析。

五、推荐参考资料

1．沙占友、李学芝著.中外数字万用表电路原理与维修技术.[M]北京：

人民邮电出版社，1993年

2．童诗白、华成英主编者.模拟电子技术基础.[M]北京：

高等教育出版社，2006年

3．戴伏生主编.基础电子电路设计与实践.[M]北京：

国防工业出版社，2002年

4．谭博学主编.集成电路原理与应用.[M]北京：

电子工业出版社，2003年

六、按照要求撰写课程设计报告

指导教师年月日

负责教师年月日

学生签字年月日

成绩评定表

评语、建议或需要说明的问题：

指导教师签字：

日期：

成绩

一、概述

信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。

按照频率范围分类可以分为：

超低频信号发生器、低频信号发生器、中频信号发生器、高频波形发生器和超高频信号发生器。

按照输出波形分类可以分为：

正弦信号发生器和非正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：

脉冲信号发生器，函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。

按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。

前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。

后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。

在本设计中采用分立元件达成非稳态的多谐振荡器、然后根据具体需要加入积分电路等构成正弦、矩形、三角等波形发生器。

二、方案论证

用中小规模集成芯片设计制作产生方波、三角波和正弦波等多种波形信号输出的波形发生器，具体要求如下：

1.输出波形工作频率范围为0.02HZ~20KHZ，且连续可调；

2.正弦波幅值±10V；

3.方波幅值±10V；

4.三角波峰-峰值20V，各种输出波形幅值均连续可调。

方案一：

用多谐振荡器实现多种波形发生器

利用多谐振荡器产生方波信号输出，用积分电路将方波变换成三角波输出，二重积分将三角波变成正弦波输出，原理框图如图1所示。

方案二：

用单片函数发生器5G8038组成多功能信号发生器

方案一是由分立元器件和部分集成器件组成的信号产生电路，随着集成制造技术的不断发展，信号发生器已被制造成专用集成电路。

目前用得较多的集成函数发生器是5G8038。

下面将对5G8038作简单介绍。

5G8038由恒流源，电压比较器和触发器等组成。

其外部引脚排列如图2所示。

1-正弦波线性调节2-正弦波输出3-三角波输出4-恒流源调节5-恒流源调节6-正电源6-管脚调频偏置电压7-调频控制输入端9-方波输出（集电极开路输出）10-外接电容11-负电源或接地12-正弦波线性调节13、14-空脚

图3所示为利用5G8038接成的信号发生器。

管脚8为调频电压控制输入端，管脚7输出调频偏置电压，其值（指管脚6与7之间的电压）是（VCC+VEE/5），它可作为管脚8的输入电压。

此外，该器件的方波输出端为集电极开路形式，一般需在正电源与9脚之间外接一电阻，其值常选用10kΩ左右。

当RP1滑动端在中间位置，并且图中管脚8与7短接时，管脚9、3和2的输出分别为方波、三角波和正弦波。

电路的振荡频率f约为0.3/[C（R1+RP1/2）]。

调节RP1、RP2可使正弦波的失真达到较理想的程度。

本设计采用的是方案一，555定时器、集成运放等分立元件性价比较高，且由分立元件构成的信号发生电路直观易懂。

三、电路设计

1.方波产生电路

其电路图及输出电压波形如图4和图5所示。

图4中左侧为由555定时器构成的多谐振荡器，产生频率可调的方波。

当电源接通后，VDD通过R15、R16向电容C1或C2或C3充电，当电容上电压Vc=2/3VDD时，输出电压为0，之后电容通过R16开始放电，当电容上电压Vc=1/3VDD时，输出电压变为高电平。

电容放电终止，又开始充电，循环往复，形成振荡。

其振荡周期与电容充放电时间有关，振荡周期：

T=0.7*（R15+2*R16+W1）*C

所以可得振荡频率：

f=1/T=1.44/[（R15+2*R16+W1）*C]

电容C1、C2、C3之间的切换可实现对频率的粗调，微调可通过调节电位器W1的阻值来实现。

右侧U1、R1、R2、R3等组成反相放大器，对产生的方波进行幅值放大然后输出。

V1提供的-5V电压经过U1放大，放大倍数为-R3/（R1+R2），所以输出为10V。

多谐振荡器输出的0~7V方波经过U1放大，放大倍数为-R3/R2，所以输出为-20~0V方波。

与10V叠加后得到uo1为-10~10V的方波。

2方波——三角波变换电路

方波——三角波变换电路如图6所示。

如图6所示，uo1为方波输入，经过积分之后得到uo为三角波，uo频率与方波频率一致。

但是幅值由积分电路公式确定：

Uo（t）=-1/RC*∫ui（t）dt

式中RC均为定值，幅值并没有实现可调性。

所以由R6、W2、R17、U2组成的反相比例放大器来实现对三角波幅值的调节。

放大倍数：

A=-（W2+R17）/R6

调节W2即可改变放大倍数，由此实现了对uo2输出幅值的连续调节。

3.三角波——正弦波变换电路

三角波——正弦波变换电路如图7所示。

如图7所示，uo2是三角波，经过二次积分后得到近似的正弦波波形，频率依然与方波频率一致。

但由于二次积分，根据积分电路公式：

Uo（t）=-1/RC*∫ui（t）dt

幅值会产生一定程度上的改变，所以外加一个反相放大电路将幅值的这种改变消除，得到符合要求的正弦波uo3.。

四、性能的测试

1.频率可调范围测试

表1频率选择控制电路测试数据表

W1（kΩ）

C（μF）

T（s）

f（Hz）

297

238

49.98

0.02

3

0.0238

4.998*10ˆ（-5）

20008

由表1数据可知，频率最小值为0.02Hz，最大值约为20kHz。

所以频率可调范围符合本课题要求。

2.放大电路测试

图8中，示波器电压档位为5V。

所以由图8可得出结论：

方波的波形被成功放大，且没有明显的失真，振荡频率也没有改变。

放大电路工作正常。

3.电路整体性能测试

图9中，示波器电压档位为5V。

由图可见，方波，三角波，正弦波幅值均符合课题要求，方波为-10~10V，三角波峰峰值为20V，正弦波为-10~10V。

可以得出结论：

整体电路工作正常，实现了简易信号发生器的基本功能。

五、结论

经过一系列的设计，电路首先由555定时器组成多谐振荡器产生方波，再经过放大电路进行幅值放大，经由一次积分变换为三角波，二次积分变换为正弦波。

整体电路构成了方波，三角波，正弦波多种波形信号输出的波形发生器。

电容C1、C2、C3间的切换及对电位器W1的调节可以实现频率由0.02Hz~20kHz的连续调节。

通过调节电位器W2可以实现幅值的连续调节。

六、性价比

电路整体采用数模结合形式，555定时器，集成运放等分立元件结构原理简单易懂，属于常见元器件，且价格低廉。

符合本次课设中对于性价比的相关要求。

七、课设体会及合理化建议

本次课设极大程度上提高了我的理论知识和动手能力，设计过程中经过多次的失败和再次的尝试也更锻炼了我的耐心和毅力，我想这会对我今后的学习、工作起到不可忽视的作用。

没有强烈的成功欲望就永远无法真正地成功。

同时，我也深深地认识到了理论联系实践的重要，理论学得再好也只是纸上谈兵，纸上得来终觉浅。

通过这次课设我对以前在书本上学到的相关知识达到了从没有过的深刻理解。

这为我今后的进一步学习研究提供了坚实的基础。

还要感谢我的指导老师徐锦丽老师，徐老师治学严谨，学识渊博，为我营造了一种良好的精神氛围。

授人以鱼不如授人以渔，置身其间，使我不仅接受了全新的思想观念，领会了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且还明白了许多待人接物与人处事的道理。

其严于律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华，与无微不至、感人至深的人文关怀，倍感亲切，岂是三言两语能够说得清、道得明的。

我无法用准确生动的语言来淋漓尽致地描述自己的真实感受，只好将它深深地埋在心底，化作一道虔诚的祝福

参考文献

[1]阎石主编.数字电子技术.[M]北京：

高等教育出版社，2006年

[2]陈振官等编著.新颖高效声光报警器.[M]北京：

国防工业出版社，2005年

附录I总电路图

附录II元器件清单

序号

编号

名称

型号

数量

1

U1、U2、U3

集成运放

OPAMP_3T_VIRTUAL

3

2

A1

555定时器

555_VIRTUAL

1

3

S1

三刀三掷开关

DSWPK_3

1

4

W1

电位器

297kΩ

1

5

W2

电位器

150kΩ

1

6

V1

直流电压源

5V

1

7

VDD

电源

7V

1

8

C1

电容

23.8nF

1

9

C2

2.38uF

1

10

C3

238uF

1

11

C4

1nF

1

12

C5

5mF

1

13

C6、C8

265nF

2

14

C7

2uF

1

15

R15、R16

电阻

1kΩ

2

16

R5、R14

2kΩ

2

17

R12

4kΩ

1

18

R4、R7、R8、R9

5kΩ

4

19

R13

9kΩ

1

20

R6

19kΩ

1

21

R1

电阻

21kΩ

1

22

R2

49kΩ

1

23

R17

60kΩ

1

24

R3

140kΩ

1

25

R10、R11

250kΩ

2