目录 摘要 1.1、设计内容及参数要求2 1.2、设计成果要求2 第二章、总体设计方案论证及选择 2.1、方案论述3 2.2、可行性分析4 第三章、硬件电路设计 3.1、函数发生器总体方案框图5 3.2、主要元器件介绍5 第四章、单元电路原理与电路 4.1、方波发生电路图选择7 4.2、方波-三角波转换图电路选择8 4.3、三角波-正弦波转换图电路选择10 4.4、电源电路11 4.5、电源电路12 4.6、元件清单13 第五章、电路的仿真与调试 5.1、PROTEUS仿真图14 5.2、仿真结果14 第六章、设计总结 6.1、不足16 6.2、经验体会16
参考文献 摘要 各种电器设备要正常工作，常常需要各种波形信号的支持。电器设备中常用的信号有正弦波、矩形波、三角波等。在电器设备中，这些信号是由波形产生和变换电路来提供的。波形产生电路是一种不需外加激励信号就能将直流能源转化成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出电路，又称为振荡器或波形发生器。 在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波型曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波、正弦波的电路被称为函数信号发生器。 波形发生器通过与波形变换电路相结合，它能产生正弦波、矩形波、三角波和阶梯波等各种波形，能满足现代测量、通信、自动控制和热加工、音视频设备及数字系统等对各种信号源的需求。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）·视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器等。
1.1、设计内容及参数要求 (1)、电路能输出正弦波、方波和三角波等三种波形； (2)、用LED显示其频率和波形参数，播报其频率和波形参数。信号频率可通过键盘输入并显示。 (3)输出频率范围：100HZ—1KHZ和1KHZ—10000HZ两档 (4)输出电压幅值可设，方波：VP-P=12V (5)三角波：VP-P=1V (6)正弦波：VP-P>1V输出信号的频率要求可调； 1.2、设计成果要求 （1） 根据技术指示设计各单元电路，写出设计过程，进行设计方案论证、方案对比； （2） 选择所用元器件的型号，写出元器件的功能表，列出元器件清单； (3） 画出整机原理图； （4） 安装调试或仿真，并分析仿真结果 （5） 编写设计报告，写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。
2.1、方案论述
方案一：主要是应用集成运放LM324，其芯片的内部结构是由4个集成运放所组成的通过RC电桥可产生正弦波，然后通过放大器构成过零比较器来实现方波的转换，在通过反向积分电路来实现方波到三角波的转化，此电路方案能实现基本要求和扩展总分的功能，电路较简单。
方案二：可以由晶体管、运放IC 等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC 产生。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波，其振荡频率可通过外加的直流电压进行调节，所以是压控集成信号产生器。由于外接电容C的充、放电电流由两个电流源控制，所以电容C两端电压的变化与时间成线形关系，从而可以获得理想的三角波输出。8038电路中含有正弦波变换器，故可以直接将三角波变成正弦波输出。另外还可以将三角波通过触发器变成方波输出。 方案三：可以按照方波——三角波——正弦波的顺序来设计电路，其中，方波通过数电中的555 多谐振荡电路来产生，方波到三角波为积分的过程，三角波到正弦波可以通过低通滤波来实现，也可以利用差分放大器的传输非线性来实现或者通过折现法来实现。
图2.1.2方案三框图 方案四：该系统采用单片机作为数据处理及控制核心，由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析及信号的处理和变换，采用按键输入，利用数码管动态显示电路输出数字显示的方案。将设计任务分解为按键电路、数码管显示电路等模块。
2.2、可行性分析 首先分析方案一，电路明了清楚，但RC桥式正弦震荡电路的占空比受R和C共同影响，调节频率时需要调节的元器件参数太多，比较繁琐，并且此震荡电路的频率也不是很好的满足设计的要求。 再是分析方案二，虽然这种方案电路线性良好、稳定性好；不存在如文氏电桥那样的过渡过程，接通电源后会立即产生稳定的波形；但是这种方法对设计的要求太低；且频率有所限制，无法产生更高频率的信号。 方案三，555定时器所构成的多谢振荡器产生方波是一种很常用的信号发生器，具有很大的实用价值，价格低廉。555 多谐振荡器的频率很好计算和调节，输出电压幅值的改变可通过对555定时器的供电的改变来实现，对于占空比，已对原始的多谐振荡器做了些许改动，能达到50%的要求。固输出的波形比较准确；方波到三角波的转化可通过积分电路来实现；角波到正弦波可通过简单RC低通滤波器来实现也可通过折现法或者差分法来实现。 如下图为555定时器构成的多谐振荡器，接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当uc上升到2VCC/3时，uo=0，T导通，C通过R2和T放电，uc下降。当uc下降到VCC/3时，uo又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端uo产生了连续的矩形脉冲 。
图2.2.1用555定时器构成的多谐振荡器 综上所述，本设计选择方案三。 第三章、硬件电路设计 （见附件） 3.1、函数发生器总体方案框图 3.2、主要元器件介绍 3.2.1 、555定时器的简介 555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特出发电路、单稳态电路和多谐振荡电路。由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。 在正因为如此，自从signetics公司于1972年推出这种产品以后，国际上个主要的电子器件公司也都相继的生产了各自的555定时器产品。尽管产品型号繁多，但是所有双极型产品型号最后的3位数码都是555。。而且，它们的功能和外部引脚的排列完全相同。为了提高集成度，随后又生产了双定时器产品556。 其管脚图、内部功能框图、内部逻辑电路图及逻辑功能真值表如下图所示：
表3.2.1 555定时器各引脚功能表 图3.2.1 555定时器管脚图 图3.2.2 555定时器封装图 图3.2.4 555内部功能框图 v11是比较器C1的输入端，v12是比较器C2 的输入端。C1和C2的参考电压VR1和VR2由VCC经三个5kΩ电阻分压给出。在控制电压输入端VCO悬空时，VR1=2/3VCC，VR2=1/3VCC。如果VCO外接固定电压，则VR1=VCO,VR2=1/2VCO。 由图3.2.4可知，当v11>VR1、v12>VR2时，比较器C1的输出VC1=1、比较器C2的输出VC2=0,SR锁存器被置0，TD导通，同时V0为低电平。 当v11VR2时，VC1=0、VC2=0，锁存器的状态保持不变，因而TD和输出的状态也维持不变。 当v11<vr1,v12VR1,v12<vr2时，vc1=1、vc2=1，由或非门接成的锁存器处于q=q’=0的状态，v0为高电平，同时td 截止。这样得到以下表格
第四章、单元电路原理与电路 4.1、方波发生电路图选择
如左图所示电路可产生方波并输出。其中555定时器接成多谐振荡器工作形式，C2为定时电容，C2的充电回路是R2→R3→RP→C2；C2的放电回路是C2→RP→R3→IC的7脚(放电管)。由于R3+RP>>R2，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数，其频率为1kHz左右，调节电位器RP可改变振荡器的频率。C1是电源滤波电容。改进型多谐振荡电路主要改进了电容充电和放电的回路，再引入二极管来分 开充电和放电回路。 图4.1.1 方波产生电路图 高电平，充电时间
（ 公式4-1） 低电平，放电时间
（ 公式4-2） 占空比
（ 公式4-3） 方波周期
（ 公式4-4） 振荡频率
（ 公式4-5） 经过计算，对应到电路的仿真图，选取C6为0.01uF，R1=1K;R2+RV1= 714kΩ当RV1=0欧姆最小时，频率即为1KHZ。
图4.1.2 方波产生电路图 4.2、方波-三角波转换图电路选择 由积分电路构成方波—三角波产生电路，方波经反向积分电路积得到三角波。 方案一：简单的积分电路（由电阻和电容构成）。
图4.2.1 RC积分电路图 图4.2.2 RC电路波形图 电路的时间常数R*C，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。 Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时，Uc=Oo.随后C充电，由于RC≥Tk,充电很慢， 所以认为Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R, 故Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)Uidt 这就是输出Uo正比于输入Ui的积分（∫Uidt）RC电路的积分条件：RC≥Tk 当输入信号为方波时，积分电路的输出为三角波。
方案二：带有放大器的积分电路（由放大器和电阻电容构成）。
图4.2.1积分电路图 图4.2.2 积分电路波形图 如上图是一个由方波转换为三角波的电路图及其输出波形当A很大时，运放两输入端为"虚地"，忽略流入放大器的电流，令输入电压为Vi输出为Vo，流过电容C的电流为i1则 ，有
即输出电压与输入电压成积分关系。 当
为固定值时
上式表明 输出电压按一定比例随时间作直线上升或下降。当 为矩形波时， 便成为三角波。 对比如上两个方案，在方波的频率改变的情况下，都需改变充电电容，因为方波频率变大时，要求积分时间短，即电容的容量要小，以达到快速充电的要求，否则波形失真；当方波频率变小时，要求积分时间要长，这时增大电容的容量，否则将产生梯形式的方波。两个方案相对没有理论上的优劣，现选择方案一。 4.3、三角波-正弦波转换图电路选择 由三角波转换为正弦波有三种方案，分别是采用低通滤波电路、利用差分放大电路的传输曲线、采用折线法选择，具体实现如下： 方案一：低通滤波电路（通过简单ＲＣ电路来实现） 图4.3.2 低通滤波电路图
方案二：利用差分放大电路的传输曲线（差分放大器的非线性传输曲线）。
图4.3.2 差分放大电路图 方案三：通过折线法来实现。（电路连接比较复杂，而且需要的元器件也比较多，调试也比较不方便，故舍弃。） 方案一利用低通滤波器将三角波变换成正弦波，将三角波按傅里叶级数展开
其中Um是三角波的幅值。根据上式可知，低通滤波器的通带截止频率应大于三角波的基波频率且小于三角波的三次谐波频率。当然，也可以利用带通滤波器实现上述变换； 方案二利用差分放大器的非线性传输曲线来实现，具体原理下图所示：
图4.3.3 差分放大波形图 差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强，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。 由仿真得知 方案二满足幅值要求，这里选择方案二。 4.4、电源电路
图4.4.1 电源电路实现图 直流电源的输入为电网电压220V 50Hz交流电，通过变压器降压至电器要求 大的交流电压，再经整流电路利用二极管的单向导电性将交流电变为单向的脉动直流，再经滤波电路利用电抗性储能元件电容器或电感将脉动直流电压变为平滑的直流电压，最后再经稳压电路稳压使整流滤波后的直流电压在负载电流变化时保持基本不变。 本次课程设计不作为重点，故无仿真图。 4.5、LED显示频率电路 基本设计原理是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。它以测量周期的方法对波的频率进行自动的测量。 所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为f=N/T。其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率fx。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于1s。闸门电路由标准秒信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭，计数器停止计数。由于计数器计得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数，所以被测频率fx=NHz。
图4.4.1 电源电路实现图 含频率计的proteus见文件夹下附件1。 4.6、元件清单 第五章、电路的仿真与调试 5.1、PROTEUS仿真图 图5.1.1 PROTEUS仿真电路图 5.2、仿真结果 （1）选用C10档，调RV1改变波形频率，三角波、正弦波分别通过调RV4、RV来改变幅值。选频1Khz,方波方波：VP-P=12V、三角波：VP-P=1V、正弦波：VP-P>1V。
图5.2.1 proteus仿真波形及频率（一） （2）选用C10档，选频100hz。
图5.2.1 proteus仿真波形及频率（二） （2）选用C1档，选频10khz。
图5.2.1 proteus仿真波形及频率（三） 第六章、设计总结 6.1、不足 经验：在设计中，对各元器件型号的选择还很陌生，无法很顺利地把书中所学电路知识灵活的运用到设计中，尤其是在仿真部分，设计进展的很缓慢。另外，在完成仿真电路时，无法处理由于元器件参数问题引起的波形失真问题。对于参数大小及相互之间的关系掌握不够完整，不够全面。 6.2、经验体会 本次课程设计的主要工作是设计一个函数信号发生器。首先我在proteus软件环境下进行电路原理图的设计、绘制和仿真，然后对电路中的各个部分进行调整修改，。在这个过程中，我熟悉了proteus软件的使用，还通过回顾以前的知识，更加深入的了解了555芯片，进一步懂得了用555芯片构成能产生正弦波、方波和三角波函数信号发生器的工作原理 。查阅相关资料学习了有关电压比较器、积分电路、差分放大电路的知识，并且在翻看之前课本的时候，收获了更多的知识，以前不懂的知识点也突然明白了。让我深刻体会了“温故而知新”这句话的含义。另外，在电路仿真的过程中总会出现一些问题，例如：电路对各元件的参数选择要求比较高，调整波形相对而言不方便。因此最好根据波形来调节参数。调节参数的时候先调节一个值，把其它值固定，在调节这个值的时候可以先调成几个等间距的值，根据波形大致确定范围，然后再微调。需要我们细心解决，所以这周下来，我对电路故障的排查能力也有了很大的提高； 我认识到，学习的知识只有在不断的实践中才能更好的为我所用，而用心实践用心探索的过程可以让我们不断地进步。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的还有瑕疵，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获，使我终身受益。同时，通过对多种方案的分析讨论让我们明白在对于不同的环境和要求相应的要作出最合适的选择的合理性和重要性。本次课程设计让我受益匪浅，是我学习生活中重要的经历，我将在此基础上继续努力，用实践巩固和探索知识，真正做到学为我用，融会贯通。 参考文献 [1] 康华光《电子技术基础模拟部分》（第五版）；高等教育出版社。2003年 [2] 李银华《电子线路设计指导》北京航空航天大学出版社，2005年 [3] 阎石《数字电子技术基础》（第六版）高等教育出版社，2014年 [4] 余孟尝《数字电子技术基础简明教程》（第三版）高等教育出版社，2010年02月 [5] 毕满清《电子技术实验与课程设计》（第三版）机械工业出版社，2011年12月
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