函數發生器課程設計論文(正弦波方波三角波)帶仿真程序

ID:161768 · 發表于 2017-6-18 03:12

摘要

設計任務及要求

1.1、設計內容及參數要求2

1.2、設計成果要求2

第二章、總體設計方案論證及選擇

2.1、方案論述3

2.2、可行性分析4

第三章、硬件電路設計

3.1、函數發生器總體方案框圖5

3.2、主要元器件介紹5

第四章、單元電路原理與電路

4.1、方波發生電路圖選擇7

4.2、方波-三角波轉換圖電路選擇8

4.3、三角波-正弦波轉換圖電路選擇10

4.4、電源電路11

4.5、電源電路12

4.6、元件清單13

第五章、電路的仿真與調試

5.1、PROTEUS仿真圖14

5.2、仿真結果14

第六章、設計總結

6.1、不足16

6.2、經驗體會16

參考文獻

摘要

各種電器設備要正常工作，常常需要各種波形信號的支持。電器設備中常用的信號有正弦波、矩形波、三角波等。在電器設備中，這些信號是由波形產生和變換電路來提供的。波形產生電路是一種不需外加激勵信號就能將直流能源轉化成具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流能量輸出電路，又稱為振蕩器或波形發生器。

在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。各種波型曲線均可以用三角函數方程式來表示。能夠產生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波、正弦波的電路被稱為函數信號發生器。

波形發生器通過與波形變換電路相結合，它能產生正弦波、矩形波、三角波和階梯波等各種波形，能滿足現代測量、通信、自動控制和熱加工、音視頻設備及數字系統等對各種信號源的需求。例如在通信、廣播、電視系統中，都需要射頻（高頻）發射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）·視頻信號或脈沖信號運載出去，就需要能夠產生高頻的振蕩器。在工業、農業、生物醫學等領域內，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器等。

設計任務及要求

1.1、設計內容及參數要求

(1)、電路能輸出正弦波、方波和三角波等三種波形；

(2)、用LED顯示其頻率和波形參數，播報其頻率和波形參數。信號頻率可通過鍵盤輸入并顯示。

(3)輸出頻率范圍：100HZ—1KHZ和1KHZ—10000HZ兩檔

(4)輸出電壓幅值可設，方波：VP-P=12V

(5)三角波：VP-P=1V

(6)正弦波：VP-P>1V輸出信號的頻率要求可調；

1.2、設計成果要求

（1）根據技術指示設計各單元電路，寫出設計過程，進行設計方案論證、方案對比；

（2）選擇所用元器件的型號，寫出元器件的功能表，列出元器件清單；

(3）畫出整機原理圖；

（4）安裝調試或仿真，并分析仿真結果

（5）編寫設計報告，寫出設計與制作的全過程，附上有關資料和圖紙，有心得體會。

總體設計方案論證及選擇

2.1、方案論述

方案一：主要是應用集成運放LM324，其芯片的內部結構是由4個集成運放所組成的通過RC電橋可產生正弦波，然后通過放大器構成過零比較器來實現方波的轉換，在通過反向積分電路來實現方波到三角波的轉化，此電路方案能實現基本要求和擴展總分的功能，電路較簡單。

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信號發生器IC 產生。早期的函數信號發生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，可以用來產生正弦波、方波、三角波和鋸齒波，其振蕩頻率可通過外加的直流電壓進行調節，所以是壓控集成信號產生器。由于外接電容C的充、放電電流由兩個電流源控制，所以電容C兩端電壓的變化與時間成線形關系，從而可以獲得理想的三角波輸出。8038電路中含有正弦波變換器，故可以直接將三角波變成正弦波輸出。另外還可以將三角波通過觸發器變成方波輸出。

方案三：可以按照方波——三角波——正弦波的順序來設計電路，其中，方波通過數電中的555 多諧振蕩電路來產生，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，也可以利用差分放大器的傳輸非線性來實現或者通過折現法來實現。

圖2.1.2方案三框圖

方案四：該系統采用單片機作為數據處理及控制核心，由單片機完成人機界面、系統控制、信號的采集分析及信號的處理和變換，采用按鍵輸入，利用數碼管動態顯示電路輸出數字顯示的方案。將設計任務分解為按鍵電路、數碼管顯示電路等模塊。

2.2、可行性分析

首先分析方案一，電路明了清楚，但RC橋式正弦震蕩電路的占空比受R和C共同影響，調節頻率時需要調節的元器件參數太多，比較繁瑣，并且此震蕩電路的頻率也不是很好的滿足設計的要求。

再是分析方案二，雖然這種方案電路線性良好、穩定性好；不存在如文氏電橋那樣的過渡過程，接通電源后會立即產生穩定的波形；但是這種方法對設計的要求太低；且頻率有所限制，無法產生更高頻率的信號。

方案三，555定時器所構成的多謝振蕩器產生方波是一種很常用的信號發生器，具有很大的實用價值，價格低廉。555 多諧振蕩器的頻率很好計算和調節，輸出電壓幅值的改變可通過對555定時器的供電的改變來實現，對于占空比，已對原始的多諧振蕩器做了些許改動，能達到50%的要求。固輸出的波形比較準確；方波到三角波的轉化可通過積分電路來實現；角波到正弦波可通過簡單RC低通濾波器來實現也可通過折現法或者差分法來實現。

如下圖為555定時器構成的多諧振蕩器，接通VCC后，VCC經R1和R2對C充電。當uc上升到2VCC/3時，uo=0，T導通，C通過R2和T放電，uc下降。當uc下降到VCC/3時，uo又由0變為1，T截止，VCC又經R1和R2對C充電。如此重復上述過程，在輸出端uo產生了連續的矩形脈沖。

圖2.2.1用555定時器構成的多諧振蕩器

綜上所述，本設計選擇方案三。

第三章、硬件電路設計

（見附件）

3.1、函數發生器總體方案框圖

3.2、主要元器件介紹

3.2.1 、555定時器的簡介

555定時器是一種多用途的數字-模擬混合集成電路，利用它能極方便地構成施密特出發電路、單穩態電路和多諧振蕩電路。由于使用靈活、方便，所以555定時器在波形的產生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領域中都得到了應用。

在正因為如此，自從signetics公司于1972年推出這種產品以后，國際上個主要的電子器件公司也都相繼的生產了各自的555定時器產品。盡管產品型號繁多，但是所有雙極型產品型號最后的3位數碼都是555。。而且，它們的功能和外部引腳的排列完全相同。為了提高集成度，隨后又生產了雙定時器產品556。

其管腳圖、內部功能框圖、內部邏輯電路圖及邏輯功能真值表如下圖所示：

表3.2.1 555定時器各引腳功能表

圖3.2.1

555定時器管腳圖

圖3.2.2 555定時器封裝圖

圖3.2.4 555內部功能框圖

v11是比較器C1的輸入端，v12是比較器C2 的輸入端。C1和C2的參考電壓VR1和VR2由VCC經三個5kΩ電阻分壓給出。在控制電壓輸入端VCO懸空時，VR1=2/3VCC，VR2=1/3VCC。如果VCO外接固定電壓，則VR1=VCO,VR2=1/2VCO。

由圖3.2.4可知，當v11>VR1、v12>VR2時，比較器C1的輸出VC1=1、比較器C2的輸出VC2=0,SR鎖存器被置0，TD導通，同時V0為低電平。

當v11VR2時，VC1=0、VC2=0，鎖存器的狀態保持不變，因而TD和輸出的狀態也維持不變。

當v11<vr1,v12VR1,v12<vr2時，vc1=1、vc2=1，由或非門接成的鎖存器處于q=q’=0的狀態，v0為高電平，同時td 截止。這樣得到以下表格

第四章、單元電路原理與電路

4.1、方波發生電路圖選擇

如左圖所示電路可產生方波并輸出。其中555定時器接成多諧振蕩器工作形式，C2為定時電容，C2的充電回路是R2→R3→RP→C2；C2的放電回路是C2→RP→R3→IC的7腳(放電管)。由于R3+RP>>R2，所以充電時間常數與放電時間常數近似相等，由IC的3腳輸出的是近似對稱方波。按圖所示元件參數，其頻率為1kHz左右，調節電位器RP可改變振蕩器的頻率。C1是電源濾波電容。改進型多諧振蕩電路主要改進了電容充電和放電的回路，再引入二極管來分開充電和放電回路。

圖4.1.1 方波產生電路圖

高電平，充電時間

（公式4-1）

低電平，放電時間

（公式4-2）

占空比

（公式4-3）

方波周期

（公式4-4）

振蕩頻率

（公式4-5）

經過計算，對應到電路的仿真圖，選取C6為0.01uF，R1=1K;R2+RV1= 714kΩ當RV1=0歐姆最小時，頻率即為1KHZ。

圖4.1.2 方波產生電路圖

4.2、方波-三角波轉換圖電路選擇

由積分電路構成方波—三角波產生電路，方波經反向積分電路積得到三角波。

方案一：簡單的積分電路（由電阻和電容構成）。

圖4.2.1 RC積分電路圖圖4.2.2 RC電路波形圖

電路的時間常數R*C，構成積分電路的條件是電路的時間常數必須要大于或等于10倍于輸入波形的寬度。

Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,當t=to時，Uc=Oo.隨后C充電，由于RC≥Tk,充電很慢，

所以認為Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,

故Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)Uidt

這就是輸出Uo正比于輸入Ui的積分（∫Uidt）RC電路的積分條件：RC≥Tk

當輸入信號為方波時，積分電路的輸出為三角波。

方案二：帶有放大器的積分電路（由放大器和電阻電容構成）。

圖4.2.1積分電路圖圖4.2.2 積分電路波形圖

如上圖是一個由方波轉換為三角波的電路圖及其輸出波形當A很大時，運放兩輸入端為"虛地"，忽略流入放大器的電流，令輸入電壓為Vi輸出為Vo，流過電容C的電流為i1則，有

即輸出電壓與輸入電壓成積分關系。當

為固定值時

上式表明輸出電壓按一定比例隨時間作直線上升或下降。當為矩形波時，便成為三角波。

對比如上兩個方案，在方波的頻率改變的情況下，都需改變充電電容，因為方波頻率變大時，要求積分時間短，即電容的容量要小，以達到快速充電的要求，否則波形失真；當方波頻率變小時，要求積分時間要長，這時增大電容的容量，否則將產生梯形式的方波。兩個方案相對沒有理論上的優劣，現選擇方案一。

4.3、三角波-正弦波轉換圖電路選擇

由三角波轉換為正弦波有三種方案，分別是采用低通濾波電路、利用差分放大電路的傳輸曲線、采用折線法選擇，具體實現如下：

方案一：低通濾波電路（通過簡單ＲＣ電路來實現）

圖4.3.2 低通濾波電路圖

方案二：利用差分放大電路的傳輸曲線（差分放大器的非線性傳輸曲線）。

圖4.3.2 差分放大電路圖

方案三：通過折線法來實現。（電路連接比較復雜，而且需要的元器件也比較多，調試也比較不方便，故舍棄。）

方案一利用低通濾波器將三角波變換成正弦波，將三角波按傅里葉級數展開

其中Um是三角波的幅值。根據上式可知，低通濾波器的通帶截止頻率應大于三角波的基波頻率且小于三角波的三次諧波頻率。當然，也可以利用帶通濾波器實現上述變換；

方案二利用差分放大器的非線性傳輸曲線來實現，具體原理下圖所示：

圖4.3.3 差分放大波形圖

差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強，可以有效地抑制零點漂移因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。

由仿真得知方案二滿足幅值要求，這里選擇方案二。

4.4、電源電路

圖4.4.1 電源電路實現圖

直流電源的輸入為電網電壓220V 50Hz交流電，通過變壓器降壓至電器要求大的交流電壓，再經整流電路利用二極管的單向導電性將交流電變為單向的脈動直流，再經濾波電路利用電抗性儲能元件電容器或電感將脈動直流電壓變為平滑的直流電壓，最后再經穩壓電路穩壓使整流濾波后的直流電壓在負載電流變化時保持基本不變。

本次課程設計不作為重點，故無仿真圖。

4.5、LED顯示頻率電路

基本設計原理是直接用十進制數字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對波的頻率進行自動的測量。

所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內變化的次數。若在一定時間間隔T內測得這個周期性信號的重復變化次數N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復頻率等于被測頻率fx。時間基準信號發生器提供標準的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續時間亦準確地等于1s。閘門電路由標準秒信號進行控制，當秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數譯碼顯示電路。秒信號結束時閘門關閉，計數器停止計數。由于計數器計得的脈沖數N是在1秒時間內的累計數，所以被測頻率fx=NHz。

圖4.4.1 電源電路實現圖

含頻率計的proteus見文件夾下附件1。

4.6、元件清單

符號	類型	數目	參數
RV1	滑動電阻	1	643k
RV2	滑動電阻	1	47k
RV3	滑動電阻	1	100
R2	電阻	1	71k
R1	電阻	1	1k
R3	電阻	1	510
R4、R6、R7	電阻	3	10k
R9，R10	電阻	2	2k
R8 、R5	電阻	2	100
R12	電阻	1	8k
D1	二極管	1
A	運放	1
Q1,Q2,Q3,Q4	三極管	4
C2,C10	電容	2	0.01uf
C3,C4	電容	2	10uf
C1	電容	1	0.001uf
C5	電容	1	0.47uf
C8	電容	1	0.1uf
C6,C7,C9	電容	3	470uf
NE555	555計時器	1
SW1、 SW1、 SW3	雙刀開關	3

第五章、電路的仿真與調試

5.1、PROTEUS仿真圖

圖5.1.1 PROTEUS仿真電路圖

5.2、仿真結果

（1）選用C10檔，調RV1改變波形頻率，三角波、正弦波分別通過調RV4、RV來改變幅值。選頻1Khz,方波方波：VP-P=12V、三角波：VP-P=1V、正弦波：VP-P>1V。

圖5.2.1 proteus仿真波形及頻率（一）

（2）選用C10檔，選頻100hz。

圖5.2.1 proteus仿真波形及頻率（二）

（2）選用C1檔，選頻10khz。

圖5.2.1 proteus仿真波形及頻率（三）

第六章、設計總結

6.1、不足

經驗：在設計中，對各元器件型號的選擇還很陌生，無法很順利地把書中所學電路知識靈活的運用到設計中，尤其是在仿真部分，設計進展的很緩慢。另外，在完成仿真電路時，無法處理由于元器件參數問題引起的波形失真問題。對于參數大小及相互之間的關系掌握不夠完整，不夠全面。

6.2、經驗體會

本次課程設計的主要工作是設計一個函數信號發生器。首先我在proteus軟件環境下進行電路原理圖的設計、繪制和仿真，然后對電路中的各個部分進行調整修改，。在這個過程中，我熟悉了proteus軟件的使用，還通過回顧以前的知識，更加深入的了解了555芯片，進一步懂得了用555芯片構成能產生正弦波、方波和三角波函數信號發生器的工作原理。查閱相關資料學習了有關電壓比較器、積分電路、差分放大電路的知識，并且在翻看之前課本的時候，收獲了更多的知識，以前不懂的知識點也突然明白了。讓我深刻體會了“溫故而知新”這句話的含義。另外，在電路仿真的過程中總會出現一些問題，例如：電路對各元件的參數選擇要求比較高，調整波形相對而言不方便。因此最好根據波形來調節參數。調節參數的時候先調節一個值，把其它值固定，在調節這個值的時候可以先調成幾個等間距的值，根據波形大致確定范圍，然后再微調。需要我們細心解決，所以這周下來，我對電路故障的排查能力也有了很大的提高；

我認識到，學習的知識只有在不斷的實踐中才能更好的為我所用，而用心實踐用心探索的過程可以讓我們不斷地進步。在設計過程中，我通過查閱大量有關資料，與同學交流經驗和自學，并向老師請教等方式，使自己學到了不少知識，也經歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設計中我懂得了許多東西，也培養了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設計做的還有瑕疵，但是在設計過程中所學到的東西是這次課程設計的最大收獲，使我終身受益。同時，通過對多種方案的分析討論讓我們明白在對于不同的環境和要求相應的要作出最合適的選擇的合理性和重要性。本次課程設計讓我受益匪淺，是我學習生活中重要的經歷，我將在此基礎上繼續努力，用實踐鞏固和探索知識，真正做到學為我用，融會貫通。

參考文獻

[1] 康華光《電子技術基礎模擬部分》（第五版）；高等教育出版社。2003年

[2] 李銀華《電子線路設計指導》北京航空航天大學出版社，2005年

[3] 閻石《數字電子技術基礎》（第六版）高等教育出版社，2014年

[4] 余孟嘗《數字電子技術基礎簡明教程》（第三版）高等教育出版社，2010年02月

[5] 畢滿清《電子技術實驗與課程設計》（第三版）機械工業出版社，2011年12月

完整論文下載地址（word格式可編輯，以及單片機源程序仿真文件）：
http://www.zg4o1577.cn/bbs/dpj-88101-1.html