電子線路課程設(shè)計-信號發(fā)生器

1、<p><b>　　電子線路課程設(shè)計</b></p><p>　　設(shè)計題目： 信 號 發(fā) 生 器 設(shè) 計 </p><p>　　班 級：2012級電子信息科學(xué)與技術(shù)（3）班 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　信號發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)

2、生多種波形，如鋸齒波、三角波、方波、正弦波的 電路。信號發(fā)生器在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。本設(shè)計通過對 信號發(fā)生器的原理以及構(gòu)成進(jìn)行分析，設(shè)計了信號發(fā)生器，能夠輸出穩(wěn)定的正弦 波和方波，實現(xiàn)占空比50%,并且能夠?qū)崿F(xiàn)頻率和輸出幅度可調(diào)。設(shè)計中采用常 用器件NE555為核心，通過比較獲得最佳電路方案，并對電路各部分工作原理進(jìn)行了分析，確定其能夠穩(wěn)定工作，利用相關(guān)儀器多次試驗，測試達(dá)到了設(shè)計要求。</p><

3、;p>　　關(guān)鍵詞：振蕩器；RC電路；射極輸出器；方波；三角波；正弦波。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p><b>　　1 概述1</b></p><p>　　2 課程設(shè)計任務(wù)及要求1</

4、p><p>　　2.1 設(shè)計任務(wù)1</p><p>　　2.2 設(shè)計要求1</p><p><b>　　3 理論設(shè)計1</b></p><p><b>　　3.1方案論證1</b></p><p>　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計2</p><p>　　3.

5、2.1結(jié)構(gòu)框圖及說明2</p><p>　　3.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理3</p><p>　　3.3 單元電路設(shè)計4</p><p>　　3.3.1單元電路工作原理4</p><p>　　3.3.2 元件參數(shù)選擇7</p><p><b>　　4. 安裝調(diào)試7</b></p

6、><p>　　4.1安裝調(diào)試過程7</p><p>　　4.2 故障分析10</p><p><b>　　5. 結(jié)論10</b></p><p>　　6. 使用儀器設(shè)備清單10</p><p>　　7. 收獲、體會和建議11</p><p>　　8. 參考文獻(xiàn)12&

7、lt;/p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　信號發(fā)生器應(yīng)用廣泛，種類繁多，性能各異，分類也不盡一致。按照頻率范 圍分類可以分為：超低頻信號發(fā)生器、低頻信號發(fā)生器、視頻信號發(fā)生器、高頻 波形發(fā)生器、甚高頻波形發(fā)生器和超高頻信號發(fā)生器。按照輸出波形分類可以分 為：正弦信號發(fā)生器和非正弦信號發(fā)生器，非正弦信號發(fā)生器又包括：脈沖信號 發(fā)生器，信號發(fā)生

8、器、掃頻信號發(fā)生器、數(shù)字序列波形發(fā)生器、圖形信號發(fā)生器、 噪聲信號發(fā)生器等。按照信號發(fā)生器性能指標(biāo)可以分為一般信號發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)信 號發(fā)生器。前者指對輸出信號的頻率、幅度的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度以及波形失真等要 求不高的一類信號發(fā)生器。后者是指其輸出信號的頻率、幅度、調(diào)制系數(shù)等在一 定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并且讀數(shù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、屏蔽良好的中、高檔信號發(fā)生器。</p><p>　　2 課程設(shè)計任務(wù)及要求</p>&l

9、t;p><b>　　2.1 設(shè)計任務(wù)</b></p><p><b>　　設(shè)計一信號發(fā)生器。</b></p><p><b>　　2.2設(shè)計要求</b></p><p>　　設(shè)計一信號發(fā)生器，至少能產(chǎn)生一定頻率和幅值的方波、三角波。可拓展產(chǎn)生更多其他波形。</p><p>

10、;<b>　　3 理論設(shè)計</b></p><p><b>　　3.1方案論證</b></p><p>　　方案一：通過RC震蕩電路產(chǎn)生正弦波，然后經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生三角波，在通過積分電路產(chǎn)生方波。其中，RC震蕩電路為RC橋式正弦振蕩電路，然后通過放大器構(gòu)成過零比較器來實現(xiàn)方波的轉(zhuǎn)換，在通過反向積分電路來實現(xiàn)方波到三角波的轉(zhuǎn)化。 </

11、p><p>　　方案二：可以由晶體管、運放IC等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號發(fā)生器IC產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號發(fā)生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300kHz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調(diào)節(jié)，二者互相影響。 </p><p>　　方案三：可以按照方波——三角波——正弦波的順序來設(shè)計

12、電路，其中，方波可以通過模電中的方波發(fā)生電路來產(chǎn)生，也可以通過數(shù)電中的555多諧振蕩電路來產(chǎn)生，方波到三角波為積分的過程，三角波到正弦波可以通過低通濾波來實現(xiàn)，也可以利用差分放大器的傳輸非線性來實現(xiàn)或者通過折現(xiàn)法來實現(xiàn)。 可行性分析： 縱觀以上N種方案，對比如下，本著自己動手的觀念，首先排除第二種用集成芯片的方法，因為這種方法對設(shè)計的要求太低；其次分析方案一可得其RC橋式正弦震蕩電路的占空比受R和C共同影響，調(diào)節(jié)頻率時需要調(diào)節(jié)的元器

13、件參數(shù)太多，比較繁瑣，并且此震蕩電路的頻率也不是很好的滿足設(shè)計的要求。所以綜上所述，選擇方案三來實現(xiàn)本次的課程設(shè)計：555多諧振蕩器的頻率很好計算和調(diào)節(jié)，并且輸出的波形比較準(zhǔn)確；波到三角波的轉(zhuǎn)化可通過簡單RC積分電路來實現(xiàn)；角波到正弦波可通過簡單RC低通濾波器來實現(xiàn)也可通過折現(xiàn)法或者差分法來實現(xiàn)。分析方案后最終選擇方案三。</p><p><b>　　3.2系統(tǒng)設(shè)計</b></p>

14、;<p>　　3.2.1 結(jié)構(gòu)框圖及說明</p><p>　　首先，將555定時器接成多諧震蕩電路，多諧震蕩電路的輸出便是方波，接著接一個RC積分電路，從而產(chǎn)生三角波，最后接一個無源低通濾波器，從而產(chǎn)生正弦波。如框圖1所示。</p><p>　　555多諧振蕩器 積分電路 低通濾波電路</p>

15、;<p><b>　　圖1</b></p><p>　　首先由555定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波，然后由積分電路將方波轉(zhuǎn)</p><p>　　化為三角波，如圖2，最后用低通濾波器將方波轉(zhuǎn)化為正弦波，如圖3。</p><p><b>　　圖2</b></p><p><b>

16、　　圖3</b></p><p>　　3.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理</p><p>　　NE555功能分析NE555是電子設(shè)計中常用元器 件，在這個元件中既有模擬電路電壓 漸變、電位比較的特點，又具有數(shù)字 電路中輸出高電平或低電平的特點。 在下表1功能表中“L”表示低電平，“H”表示高電平，“x”可以理解為 不管是什么狀態(tài)。在555中復(fù)位管腳4決定了 555輸入和輸出的關(guān)

17、系，復(fù)位管 腳是低電平時，不管2、6管腳如何變化 都不會影響輸出狀態(tài)，此時3管腳保持低 電平。只有復(fù)位4為高電平時，2、6管 腳才會決定輸出狀態(tài)。通用NE555的管 腳圖如下圖4所示。</p><p>　　表1 圖4 NE555引腳圖 </p><p>　　根據(jù)對NE555的分析，設(shè)計如初圖如圖5，工作過程為：4管腳一直接高電平，因此2、6管腳電平會直接影響

18、輸出管腳3的電平。首先電源通過R1、Rp1對C1充電，2、6管腳電位隨著時間逐漸升高，達(dá)到閾值后，管腳3輸出低電平，7管 腳放電端開啟，此時C1通過Rp1經(jīng)7管腳放電，2、6管腳電位逐漸降低，低至 閾值后，管腳3由低電平變?yōu)楦唠娖剑?腳放電端截止。再次重復(fù)初始過程，即電源通過R1、Rp1對C1充電，如此周而復(fù)始，管腳3即可輸出方波。</p><p><b>　　圖5</b></p>

19、;<p>　　方波經(jīng)過積分電路、濾波電路以及射極輸出電路，最終得到合適的三角波與正弦波，考慮到設(shè)計的要求，是頻率與波形幅度可調(diào)，可采用電位器Rp1與Rp2來實現(xiàn)，但在這里要注意2個問題，第一：接入積分電路后，積分電路對前級 存在一定影響，因此后級將信號分為2部分；第二：由于后級電路的衰減后導(dǎo)致 輸出信號比較弱，因此在最后引入射極輸出器，以便于信號發(fā)生器具有帶負(fù)載的能力?？傮w設(shè)計原理圖如圖6：</p><

20、p><b>　　圖6</b></p><p>　　3.3 單元電路設(shè)計</p><p>　　3.3.1單元電路工作原理</p><p>　　1.電源極性保護(hù)電路,如圖7。</p><p>　　該部分電路的主要功能是保護(hù)電路以及電源探測電路，電源接入通電時，發(fā)光二極管D2(LDE燈)被點亮，而保護(hù)電路則是消除電源極

21、性接法對電路的影響。其中，D1（1N4007）作為整流二極管，具有單向?qū)щ娦?，具有較強(qiáng)的正向浪涌承受能力。電解電容C9對電流具有緩沖作用。</p><p>　　2.方波產(chǎn)生電路，如圖8。</p><p><b>　　圖8</b></p><p>　　4管腳一直接高電平，因此2、6管腳電平會直接影響輸出管腳3的電平。首先電源通過R1、Rp1對C1

22、充電，2、6管腳電位隨著時間逐漸升高，達(dá)到閾值后，管腳3輸出低電平，7管 腳放電端開啟，此時C1通過Rp1經(jīng)7管腳放電，2、6管腳電位逐漸降低，低至 閾值后，管腳3由低電平變?yōu)楦唠娖剑?腳放電端截止。再次重復(fù)初始過程，即電源通過R1、Rp1對C1充電，如此周而復(fù)始，管腳3即可輸出方波，通過對電位器Rp1的調(diào)節(jié)從而調(diào)節(jié)輸出頻率。</p><p>　　三角波產(chǎn)生電路---積分電路，如圖9。</p>&l

23、t;p><b>　　圖9</b></p><p>　　電路的時間常數(shù)R*C，構(gòu)成積分電路的條件是電路的時間常數(shù)必須要大于或等于10倍于輸入波形的寬度。 Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,當(dāng)t=to時，Uc=Oo.隨后C充電，由于RC≥Tk,充電很慢,所以認(rèn)為Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故 Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)∫Uidt 這就是輸出

24、Uo正比于輸入Ui的積分（∫Uidt)RC電路的積分條件：RC≥Tk 當(dāng)輸入信號為方波時，積分電路的輸出為三角波。</p><p>　　正弦波產(chǎn)生電路——低通濾波電路，如圖10。</p><p>　　所謂的低通濾波器就是允許低頻信號通過，而將高頻信號衰減的電路，RC低通濾波器電路的組成如圖所示。 三角波可以分解成由無數(shù)不同頻率的正弦波組成的復(fù)合波。當(dāng)輸入信號為三角波時，用低通濾波器將其

25、高頻成分濾掉后，波形將不再有尖頂部分，波形變得圓滑，從而變成類正弦波。</p><p>　　圖10 圖中正弦波是通過二次濾波得到的。</p><p>　　后級信號放大電路，如圖11。</p><p>　　由于后級電路的衰減后導(dǎo)致輸出信號比較弱，因此在最后引入射極輸出器，以便于信號發(fā)生器具有帶負(fù)載的能力。圖11（R：+，H:-）<

26、;/p><p>　　3.3.2元件參數(shù)選擇</p><p>　　參數(shù)計算： 改進(jìn)型多諧振蕩電路主要改進(jìn)了電容充電和放電的回路，使得回路的時間常數(shù)相同即可。</p><p>　　充電時間：T1=(R1+Rp1)C1ln2=0.7(R1+Rp1)C1???? </p><p>　　放電時間：T2=0.7Rp1C1</p><p&

27、gt;　　振蕩周期：T=T1+T2=0.7(R1+2Rp1)C1</p><p>　　振蕩頻率：f=1/T=1.43/(0.7(R1+2Rp1)C1)</p><p>　　通過分析計算后，電阻R1取值1千歐姆，電位器Rp1取值10千歐姆，電容C1取值0.047微法。</p><p>　　其他各元件依據(jù)分析計算取值如下：</p><p>　　電

28、源：9V直流電源。2.電阻（單位；歐姆）：R3=510、R4=R5=R6=R10=10K、R7=1M、R8=4.7K、R9=1K、R11=R12=100K。3.電容（單位：微法）：C2=C5=C7=0.01、C3=0.1、C4=C6=0.047、C8=C9=1。</p><p><b>　　4.安裝調(diào)試</b></p><p><b>　　4.1安裝調(diào)試過程

29、</b></p><p>　　在繪制電路的原理圖時，我分別采用了multisim和Altium Designer軟件，multisim用于仿真分析結(jié)果，Altium Designer則用于原理圖繪制和PCB板圖的繪制為后面制作PCB板做準(zhǔn)備。 </p><p>　　multisim仿真及調(diào)試過程：首先設(shè)置好實驗相關(guān)參數(shù)，接著畫

30、原理圖，最后運行（用示波器觀察波形）。一開始運行的時候示波器上并未出現(xiàn)預(yù)期的波形，示波器上出現(xiàn)了不規(guī)則的波形。接下來便是反復(fù)地修改參數(shù)。最后根據(jù)波形選擇了合理的參數(shù)。各波形如下。</p><p><b>　　方波：</b></p><p><b>　　三角波：</b></p><p><b>　　正弦波：<

31、/b></p><p>　　根據(jù)NE555振蕩頻率計算公式，帶入元件參數(shù)計算得：波形的頻率大約為1.4K—20KHz可調(diào)。</p><p>　　波形幅度這是通過電位器Rp2輸出可調(diào)，各種波的幅度范圍為：方波：0—800MV,三角波：0—850MV,正弦波：0—810MV。三種波的最大幅度大致想等，電路設(shè)計合理。</p><p>　　Altium designe

32、r制板過程：首先新建工程（在工程下建原理圖和PCB圖），接著畫原理圖，最后是繪制PCB板。該過程的主要問題是PCB板的繪制。其中連線比較復(fù)雜，同一層的線不能交叉，因此需要在適當(dāng)?shù)臅r候打孔將兩層的線連接起來。自動布置的線很亂并且有尖角效應(yīng)，因此最好己動手布置。連完線后就開始鋪銅，鋪完銅就是打印制版的過程了。該過程的相關(guān)圖片PCB連線圖如圖12，PCB板子如圖13，做出的板子實物圖如圖14。</p><p><

33、b>　　圖12</b></p><p><b>　　圖13</b></p><p><b>　　4.2故障分析</b></p><p>　　在最后實際測試電路時，波形有一些誤差，特別是方波存在明顯跳變。對其進(jìn)行分析為：第一，多諧振蕩器輸出頻率決定于電阻和電容，其中電阻值和電容值的穩(wěn)定性容易受到外界溫度影響

34、。故555振蕩器輸出的振蕩頻率會不穩(wěn)定。第二：普通的電阻、電容參數(shù)的穩(wěn)定性低，有一定誤差，誤差在5%以上。而方波的跳變則是由于電容C1的充放電所引起的。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　通過測試各器件的電壓與信號得出的數(shù)據(jù)中了解實際電路跟原理圖電路的數(shù)據(jù)是有一定誤差的、各電容、電阻的數(shù)據(jù)要跟實物電路的數(shù)據(jù)還是有區(qū)別的，由于實際中器件的特性

35、及差異最后的成品實現(xiàn)功能卻不一定與仿真時完全一樣，因為，在實際接線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無法成功電路接法，在實際中因為器件本身的特性而能夠成功，所以在設(shè)計時應(yīng)該考慮兩者的差異，從中找到最合適的設(shè)計方法。</p><p><b>　　使用儀器設(shè)備清單</b></p><p>　　儀器設(shè)備：9V直流電源、示波器、萬用表、鑷子、電烙鐵、剪鉗等。</

36、p><p><b>　　元件清單：如表2。</b></p><p><b>　　表2 元件清單表</b></p><p><b>　　收獲、體會和建議</b></p><p>　　經(jīng)過這些天的課程設(shè)計，讓我明白課程設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，更是對自己綜合實踐能力及團(tuán)隊協(xié)

37、作能力的一種鍛煉。通過這次課程設(shè)計讓 我明白了自己原來知識還比較欠缺。通過這次課程設(shè)計，我才明白學(xué)習(xí)是一個長 期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識和 綜合素質(zhì)。總之，在這次設(shè)計中我學(xué)到了不少新知識，了解了很多的設(shè)計思想與方法， 我也將繼續(xù)努力，不斷地完善和充實自己。 在本次課程設(shè)計中，我作為組長，組織并和大家一起努力完成這次設(shè)計，讓我學(xué)會了如何增加團(tuán)隊之間的溝通，如何讓大家更緊密的聯(lián)系在一起。也學(xué)習(xí)到了怎

38、樣調(diào)動組員的積極性。在整個過程中統(tǒng)一調(diào)配，也參加了PBC 圖的繪制以及電路板的制作。讓我明白所學(xué)運用到實際當(dāng)中還比較欠缺。 在這次的設(shè)計中雖然遇到了很多的問題，認(rèn)識了一些以前不了解或者不知道的元件，有些雖然沒有用到，但是學(xué)習(xí)是無限的，雖然做課程設(shè)計有很多困難， 但是，當(dāng)自己完成的時候有無比的喜悅。我感覺設(shè)計是對學(xué)習(xí)知識的運用和自己的能力的全面體現(xiàn)，體現(xiàn)了一個人學(xué)以致用的能力。只有在真正的運用中才 能更好的掌握知識，這樣的學(xué)習(xí)才會有效率，

39、才能長久的記憶。 在</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 余孟嘗?《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程（第三版）》?高等教育出版社</p><p>　　[2] 楊素行?《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程（第三版）》?高等教育出版社</p><p>　　[3] 李建兵?《EDA技術(shù)基礎(chǔ)教程—Multis