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模电多种波形发生器的制作课程设计说明书(正弦波 方波 三角波)

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qwerQWER1 发表于 2018-9-3 17:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
课程设计说明书

名称:
电子技术课程设计
目:
波形发生器设计
院:
电气与电子信息学院
名:
*
业:
电气工程及其自动化
号:
31*
师:
*

波形发生器设计
摘  要:随着不断进步的计算机技术和微电子技术在测量仪器中的应用而形成和发展起来的一类新型信号源,它对于电子学领域的产品有重要作用,诸如电话、电视、收音机都需要波形发生器,多种波形发生器可以说是电子领域最为实际,最为基础,最为广泛的器材。
这次设计的发生器主要需要产生正弦波、方波、三角波。本设计的设计方案是把滞回比较器和积分器首尾相接组成一个正反馈闭环系统,则比较器输出的方波经过积分器可得到三角波。三角波经过正弦波电路的二阶有源低通滤波电路转换成正弦波。

AbstractWith the continuous progress of computer technology and microelectronic technology in the application of measuring instruments, a new type of signal source has been formed and developed.
It plays an important role in the field of electronics, such as telephone, television, radio, all need waveform generator, a variety of waveform generators can be said to be the most practical, the most basic, the most extensive equipment in the field of electronics.
This designed waveform generator  needs to produce sine wave, square wave and triangle wave. In this design, the hysteresis comparator is connected with the integrator to form a positive feedback closed loop system, and the square waves from the comparator pass through the integrator to obtain the triangular wave.Triangular waves are converted from second order active low pass filter to sine wave by sine wave circuit



1前言:多种波形发生器的设计
1.1              设计背景
1.2              设计目标
1.3              实施计划
1.4              必备条件
2总体方案设计
2.1              波形发生器方案比较
2.1.1              方案一
2.1.2              方案二
2.2              方案论证
2.3              方案选择
2.4              电源方案比较
2.4.1              方案一
2.4.2              方案二
2.5              方案论证
2.6              方案选择
3单元模块设计
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
3.1.1产生方波的模块设计
3.1.2产生三角波的模块设计
3.1.3产生正弦波的模块设计
3.1.4电源模块设计
3.2特殊器件的介绍
3.2.1 MT3608芯片介绍
3.2.2 LM324器件介绍
3.2.3 NE5532器件介绍
4系统调试
4.1调试环境
4.2硬件调试
4.2.1方波模块的测试
4.2.2三角波模块的测试
4.2.3正弦波模块的测试
5 系统功能、指标参数
5.1系统能实现的功能
5.2系统指标参数测试
5.3系统功能及指标参数分析
6 结论
7 总结与体会
8 谢辞
9参考文献
附录1 系统的原理电路图
附录2 系统PCB图
附录3 实物图

1         前言:多种波形发生器的设计

随着计算机技术的不断进步其对应的微电子技术测量仪器也在飞速发展。波形发生器便是随着应用而形成和发展起来的一类新型信号源,它在某种程度上可以说是电子领域最为实际,最为基础,最为广泛的器材。可见波形发生器器在现实生活中确实很实用,运用前景非常广泛。本次设计的就是一个波形发生器。


1.1 设计背景

波形发生器广泛用于各大院校和科研场所。随着科技的进步和发展,单一的波形发生器已经不能满足人们的需要,波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义的信号,具有高精度、可重复性、易操作性、连续的相位变换和频率稳定性,还可以对频率、幅值、相移、波形进行动态及时的控制。利用运放电路、比较器、RC积分电路、二阶有源低通滤波电路来实现方波、三角波和正弦波的输出。它的制作成本低,电路简单,使用方便,有效的节省了人力,物力资源,具有实际的应用价值。

1.2 设计目标

设计并制作能产生方波、三角波、正弦波波形信号输出的波形发生器。设计电路所需的正负12V直流稳压电压源。


1.3 实施计划

通过网上查找相关论文,及相关电路的知识,完成相关原理图的设计,在通过原理图在Multisim上完成相关仿真,观察结果看实验原理图是否设计成功,再利用Altium  Designer完成相关的P电路图和PCB的设计。


1.4 必备条件

拥有Multisim仿真软件和Altium  Designer软件,并对各种产生波形电路的了解和相关软件的基本使用。


2         总体方案设计

通过查阅大量相关技术资料,并结合自己的实际知识,我把本次设计分为了两个部分:第一部分主要是波形发生器的设计,对于这一部分我提出了二种技术方案来实现系统功能;第二部分为电源部分,这一部分我给出两个方案。下面我将首先对波形发生器这一部分的二种方案的组成框图和实现原理分别进行说明,并分析比较它们的特点,然后阐述我最终选择方案的原因,并接着对电源部分的方案进行说明。

2.1 波形发生器方案比较
2.1.1     方案一

方案一原理框图如图2-1所示:

                  

图2-1  方案一的原理框图

方案一的简单表述:

可以用正弦振荡器产生正弦波输出,然后通过整型电路将正弦波变换成方波,再用积分电路将方波变为三角波输出。


2.1.2     方案二

方案二原理框图如图2-2所示:

   


图2-2  方案二设计框图

方案二的简单表述:

可以先用比较器产生方波输出,方波经过积分电路可以得到三角波的输出,再利用二阶有源低通滤波电路将三角波转换为正弦波。


2.2 方案论证

方案一结构简单,具有较好的正弦波和方波信号,要通过积分器电路产生同步的三角波,存在一定困难,积分电路的积分的积分常数通常是不变的,随着方波信号频率的改变,积分电路输出的三角波幅度将同时改变。若想使三角波不变,必须改变积分时间常数大小。

方案二的电路将方波和三角波视为一体,因为比较器A1与积分器A2组成正反馈闭合电路。集成运放构成电压比较器,输出方波信号,运放构成积分器,将方波变换成三角波输出,三角波再通过二阶有源低通滤波电路变成正弦波。实际效果好。


2.3 方案选择

方案一虽然结构简单,但是不容易改变三角波。而方案二比较这一点就更容易实现。方案二更符合本次实验的设计。


2.4 电源方案比较2.4.1     方案一

方案一原理框图如图2-3所示:

图2-3方案1设计框图

方案一的简单表述:

市电通过变压器降压为15v交流电压,然后通过整流桥整流,再经过电容对其进行滤波,最后经过稳压芯片将电压稳定为12v直流电压

2.4.2     方案二

方案二原理框图如图2-4所示:

图2-4方案2设计框图

方案二的简单表述:

利用充电宝5v供电经过滤波,然后经过升压电路变成12v电压在,再经过滤波,最后输出稳定的12v直流电压。


2.5 方案论证

方案一通过变压器将日常用电的220v交流电压降压为15v交流电压,然后通过整流桥和滤波电路变为直流电压做最后再经过稳压电路对其稳压,输出12v稳定的直流电压。该电路结构比较简单,输出电压比较稳定。

方案二利用日常生活中的充电宝提供5v直流电压,然后经过滤波,再经过升压电路,最后经过滤波电路输出稳定的12v直流电压。该电路简单,效率高达90%,抗干扰能力强。


2.6 方案选择

基于方案二比方案一电路更简单,抗干扰能力强。方案一使用220v交流电压具有一定的危险性,并且对电路要求高与方案二。方案一使用的电子元件多于方案二的,在经济层面上方案二更实惠。通过比较最终选择方案二。

总体设计框图:

图2-5总体设计框图


3         单元模块设计

本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系;同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。


3.1各单元模块功能介绍及电路设计

本系统主要分为4个单元模块,它们分别是:方波产生模块、三角波产生模块、正弦波产生模块、和电源模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。

3.1.1产生方波的模块设计

(1)模块的具体功能
该模块由比较器组成,这种比较器具体为滞回比较器,其功能为产生方波。

(2)模块的组成和工作原理

该模块由R10、R1与集成运放组成滞回比较器,稳压管D1、D2的作用是钳位,将滞回比较器输出电压稳定在正负。滞回比较器工作原理当输入信号逐渐增大或减少时,它有两个阈值,其传输特性具有“滞回”曲线的形状。


(3)模块的结构框图如图3-1所示:


图3-1方波模块结构框图

(4)模块的具体电路如图3-2所示:

图3-2方波模块电路图

(5)相关参数计算

电路的第方波幅度由D1与D2决定,不会随着R10的变化而变化,本次实验中的稳压二极管选择为5.1V的,则其稳压幅度为:

            

其中,0.7V为二极管D1正向导通时的管压降。

            

其中,0.7V为二极管D2正向导通时的管压降

该波形的振荡周期为:

         

因为为可调电阻,这周期随着的变化而变化。


3.1.2产生三角波的模块设计

(1)模块的具体功能

该模块主要是将方波通过积分电路转换为三角波输出。

(2)模块的组成和工作原理

该模块由和集成运放构成积分电路,将上一级的方波信号转换为三角波输出。积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波,还可将锯齿波转换为抛物波。电路原理是基于电容的充放电原理,其中重要的是电路的时间常数RC,构成积分电路的条件是电路的时间常数必须大于或等于10倍输入波形的宽度。

(3)模块的结构框图如图3-3所示:

图3-3方波模块结构框图

(4)模块的具体电路如图3-4所示:



图3-4 三角波模块电路图

(5)相关参数计算

该波形的幅度可以由R10进行调节,但是其幅度最大值还是由D1、D2所控制,其周期公式跟方波是一致的为:


3.1.3产生正弦波的模块设计

(1)模块的具体功能

该模块主要是将三角波通过二阶有源低通滤波电路转换为正弦波输出。由于该电路滤波不是理想那样,存在信号衰减,所以在输出端加了一同向比例放大电路,来调节输出正弦波的幅值。

(2)模块的组成和工作原理
该模块分为两部分,第一部分是电阻和电容与集成运放组成的二阶有源低通滤波电路,第二部分是有电阻与集成运放所组成的同向比例放大电路。第一部分的工作原理:它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成,在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈,在不同的频段,反馈的极性不相同,当信号频率f>>f0时(f0 为截止频率),电路的每级RC 电路的相移趋于-90º,两级RC 电路的移相到-180º,电路的输出电压与输入电压的相位相反,故此时通过电容c 引到集成运放同相端的反馈是负反馈,反馈信号将起着削弱输入信号的作用,使电压放大倍数减小,所以该反馈将使二阶有源低通滤波器的幅频特性高频端迅速衰减,只允许低频端信号通过。其特点是输入阻抗高,输出阻抗低。第二部分的工作原理:输入信号进入放大器的同相端,输出信号与输入信号同相位,电路的电压放大倍数=1+R12/R11。

(3)模块的结构框图如图3-5所示:

图3-5正弦波模块结构框图

(4)模块的具体电路如图3-6所示:

图3-6正弦波模块电路图
(5)相关参数计算
     电路的电压放大倍数=1+R12/R11

3.1.4电源模块设计

(1)模块的具体功能

该模块主要是将5V直流电压转换为12V直流电压。

(2)模块的组成和工作原理
该模块由瓷片电容、电感、电阻、肖特基二极管和升压芯片所组成。电感的作用:是将电能和磁场能相互转换的能量转换器件,当MOS开关管闭合后,电感将电能转换为磁场能储存起来,当MOS断开后电感将储存的磁场能转换为电场能,且这个能量在和输入电源电压叠加后通过二极管和电容的滤波后得到平滑的直流电压提供给负载,由于这个电压是输入电源电压和电感的磁场能转换为电能的叠加后形成的,所以输出电压高于输入电压,既升压过程的完成。

(3)模块的结构框图如图3-7所示:

图3-7电源模块结构框图

(4)模块的具体电路如图3-8所示:


图3-8电源模块电路图

3.2特殊器件的介绍

本系统中主要使用了如下一些功能器件:MT3608芯片和LM324芯片。下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。


3.2.1 MT3608芯片介绍
(1)MT3608的功能
MT3608 是一个恒定频率, 6 针 SOT23 电流模式的升压转换器, 用于小型, 低功耗应用。MT3608 开关在1.2MHz 和允许使用小, 低成本电容器和电感2mm 或更低的高度。内部软启动导致小浪涌电流, 延长电池寿命。
MT3608 的特点是在光负载下自动切换到脉冲调频模式。MT3608 包括欠压锁定、电流限制和热过载保护, 以防输出过载时损坏。MT3608在一个小的6针 SOT-23 包中可用。
(2)MT3608引脚图如图3-9所示

图3-9 MT3608引脚图

(3)MT3608的参数表如表3-1所示:
3-1  MT3608的参数表
参数名称
符号
单位
输入电压
2~24

输出电压
0~85

最大输出电流
2

最高工作频率
K
1.2
工作温度
T
155

(4)MT3608的用法

MT3608一般用于作为升压,下图是其一般用作升压的原理图,和5V升压为12V的效率曲线图。      

图3-10 MT3608基本升压图

图3-11 MT3608升压效率图


3.2.2 LM324器件介绍
(1)LM324的功能
LM324是由四个独立的运算放大器组成的电路。它设计在较宽的电压范围内单电源工作,但是也可以在双电源下工作。一般用于提供集成运放
(2)LM324引脚图
   

图3-12 LM324引脚图


3、LM324的参数表

表3-2  LM324的参数表

参数名称

符号

额定值

单位

电源电压

VCC

     32

  

输入差分电压

   

32

功耗

   

720

工作环境温度

   

     -30~85

储存温度

   

-55~125

通道分离度

C.S

120

最大输出电流

40

(4)LM324的用法

LM324的使用一般是使用其内部4个集成运放,用于反向交流放大器、同向交流放大器、交流信号三分配放大器、温测电路、比较器、有源带通、积分器等。


3.2.3 NE5532器件介绍

(1)NE5532的功能

NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器 。相比较大多数标准运算放大器,如1458,它显示出更好的噪声性能,提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。

(2)NE5532引脚图如图3-13所示:

图3-13 NE5532引脚图

(3)NE5532参数表如表3-3所示:

表3-3  NE5532的参数表

参数名称

符号

额定值

单位

电源电压

VCC

    22

  

输入差分电压

   

   0.5

功耗

   

1200

工作环境温度

   

   0~70

储存温度

   

-65~150



4系统调试

本次主要对方波模块,三角波模块和正弦波模块进行了调试。


4.1调试环境

Multisim 14是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具,NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实地再现出来,并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。直观的图形界面,丰富的元器件,强大的仿真能力,丰富的测试仪器提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量和完备的分析手段。


4.2硬件调试4.2.1方波模块的测试

图4-1方波模块仿真图


图4-2方波仿真波形图

将双通道示波器的通道A接在R3后,开始仿真。点击示波器,观察波形。通过调节R10,可以观察到方波的周期发生改变。


4.2.2 三角波模块的测试

图4-3 三角波模块仿真图

图4-4 三角波仿真波形图

将示波器的B通道端接在C1后,开始仿真观察波形。通过调节R10,可观察到方波的周期在改变,而三角波的周期与幅度都在改变,可以早点R10可以控制三角波的幅度与周期。


4.2.3正弦波模块的测试
图4-5正弦波模块仿真图

图4-6正弦波仿真波形图

将示波器的A端接在R2端,B端接在R12端,开始仿真观察波形。由波形图可知经过二阶有源低通滤波电路,波形出现了极大信号衰减,我同过同向比例放大电路将改波形放大。


5 系统功能、指标参数5.1系统能实现的功能

本系统可以产生方波、三角波和正弦波。其方波的周期和三角波、正弦波的周期频率都是可调的。


5.2系统指标参数测试
图5-1方波调试图

图5-2 三角波调试图

   
图5-3 正弦波调试图

5.3系统功能及指标参数分析
(1)系统功能
该系统能成功产生可调方波、三角波、正弦波,但是方波的幅值无法改变。
(2)参数指标
表5-1指标参数
              参数
波形
幅值(V)
周期(ms)
方波
      5.00
  0~23.81
三角波
    0~5.00
  0~23.81
正弦波
    0~18.11
   0~48.44

6 结论

本设计要求能够产生多种波形是通过先产生方波、三角波,然后三角波转变为正弦波实现的。将滞回比较器与积分器首尾相连组成闭关系统,从而产生方波和三角波,在三角波与正弦波转换的电路方面,主要采用有源二阶低通滤波。该波形产生部分的优点:电路简单,可调波形的幅度与周期,具有良好的抗干扰性。在直流稳压电源这部分,本设计采用了串联型直流稳压电源,通过两个升压模块将5V电压升压到12V,然后串联起 形成24V电压,以中间电压为地,两端电压输出从而得到我们试验所需的电压。这个双电压源的优点在于可以通过不同需求调控电压的大小。在本次设计中遇到的问题:正弦波产生电路由于经过了信号衰减,导致波形的幅度大大降低。解决方案:将衰减的信号通过正向比例放大电路放大。本次设计需要改进的地方:使方波的波形的幅度变得可调。


7 总结与体会

经过了一个多星期的不停的检测和修改,终于把最终的电路图和成品完成了。经过了这次课程设计,大大地提高了我的动手能力以及分析问题的能力,在老师的热心的指导下,解决了很多问题,从中也学到了很多书面上所没有搞清楚的问题。这次课程设计,让我学到了很多有用的知识和能力,这对以后的学习和工作都将是非常有益的。用Multisim软件仿真是这次设计的难点,虽然以前在课外学习中接触过一些电子电路,但在初期还是感到无从下手。这是我第一次接触Multisim软件,感觉它比Protel更灵活易用,熟练以后十分顺手。在整个电路的设计过程中,花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上,在多种方案的选择中,我们仔细比较分析其原理以及可行的原因,但有时接线,因为不够细心,造成整个电路无法运行,最后还是在通多次对电路的改进,上机仿真以及接线调试,终于使整个电路可稳定工作。设计过程中,我深刻的体会到在设计过程中,需要反复实践,其过程很可能相当烦琐,有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做,那时心中未免有点灰心,有时还特别想放弃,此时更加需要静下心,查找原因。设计思路是最重要的,只要你的设计思路是成功的,那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备,像查找详细的资料,为我们设计的成功打下坚实的基础。



8 谢辞

在陈老师的指导下,本次课程设计我经历了前期资料收集、整合,提出多种方案,仿真电路设计和调试等过程,到最后完成设计,每一次和陈老师见面讨论时,陈老师都会对我提出很多建设性意见。对我们提出的问题,陈老师也耐心地帮我们分析原因,提出解决方法。通过这次课程设计让我综合运用所学知识来判断,分析,解决问题。在这次设计过程中,我遇到好多以前没见多问题,使我对课本知识有了新的认识和掌握,更让我学到了许多课本上学不到的知识。同时我也认识到在解决实际问题时一定要谨慎、细心抓住主要问题一丝不苟的深入研究,这样才能更快的解决问题。其实在设计过程中难免会遇到一些困难和问题,不过这些都不是我们退缩害怕的理由,相反这样反而会激发我的斗志与拼劲儿,使这些困难成为我的垫脚石。

我还要感谢我的同学,在设计电路,解决问题时,他们给我提供了很多帮助,与他们的默契合作是我设计能够完成的主要因素之一。这次课程设计让我将知识在实践中亲自应用,给了我思考的机会,获益匪浅。由于我的时间和水平都很有限,设计中不当和欠缺之处在所难免,望老师及其他同学批评指正。

再次感谢陈老师的悉心指导,老师的指导使我们少走了不少弯路,老师温暖的话语使得我们能坚持到最后。

最后再次感谢每位给予我帮助的同学和老师!


9参考文献
[1] 陈明义.电子技术课程设计实用教程 [M].中南大学出版社,2013.3

[2] 康华光.电子技术基础.模拟部分(第四版)[M].高等教育出版社,2003年3月

[3] 谢自美.电子线路设计实验测试(第二版)[M].华中科技大学出版社,2000年7月

[4] 陈大钦.电子技术基础实验(第二版)[M].湖北机械工业出版社,2001年

[5] 安玉景、李雪莹.电子技术基础实验[M].人民邮电出版社,2002年

[6] 邹其洪、黄智伟、高嵩等.电工电子实验与计算机仿真[M].电子工业出版社,2005年

[7] 杨兆选.555定时器原理及实用电路集锦[M].天津大学出版社,1989年

[8] 何希才.新型集成电路及其应用实例[M].北京科学出版社,2002.5

[9] 金定洲.模拟电子技术实验教程[M].合肥安徽农业大学出版社,2007年5月

[10] 陈永强、魏金城、吴昌东 模拟电子技术 北京:人民邮电出版社,2013.1


附录1 系统的原理电路图


附录2 系统PCB图


第 1 页


附录3 实物图

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 楼主| qwerQWER1 发表于 2018-9-3 17:51 | 显示全部楼层
我这个贴子是课程设计所用的,里面有设计方案和,仿真图还有AD图,适合那些需要完成模电课程设计
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admin 发表于 2018-9-3 18:57 | 显示全部楼层
好资料,51黑有你更精彩!!! 仿真图和ad pcb这些文件能分享吗?
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夏了夏天~ 发表于 2018-12-26 18:30 | 显示全部楼层
你好~multisim的仿真文件可以分享给我吗?整图也行~我照着仿真试了,但是却出不来楼主你的结果,不知道哪里出错了。还请你帮忙啦~
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zhigu111 发表于 2019-1-8 09:33 | 显示全部楼层
有仿真的原理图吗
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Allen66666 发表于 2019-1-30 10:36 | 显示全部楼层
qwerQWER1 发表于 2018-9-3 17:51
我这个贴子是课程设计所用的,里面有设计方案和,仿真图还有AD图,适合那些需要完成模电课程设计

楼主,你好,请问你这个直流电怎么能给滞回比较器提供一个正负的u0波形尼。直流电,波形就是一条直线哇
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