名称： | 电子技术课程设计 |
题目： | 波形发生器设计 |
学院： | 电气与电子信息学院 |
学生姓名： | * |
专业： | 电气工程及其自动化 |
学号： | 31* |
指导教师： | * |
目录
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。
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。
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。
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。
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。
方案二原理框图如图2-2所示：
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。
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。
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。
方案一原理框图如图2-3所示：
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：
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。
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。
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
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。
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。
（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：
（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。
（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：
（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。
（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。
图3-9 MT3608引脚图
参数名称 | 符号 | 值 | 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 | ℃ |
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
图3-12 LM324引脚图
表3-2 LM324的参数表
参数名称 | 符号 | 额定值 | 单位 |
电源电压 | VCC | | |
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。
（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 | | |
输入差分电压 | | |
|
功耗 | | 1200 |
|
工作环境温度 | | 0～70 | ℃ |
储存温度 | | -65～150 | ℃ |
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。
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。
图4-1方波模块仿真图
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。
图4-3 三角波模块仿真图
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。
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。
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。
图5-2 三角波调试图
 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 |
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。
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。
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！
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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
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