名稱： | 電子技術課程設計 |
題目： | 波形發生器設計 |
學院： | 電氣與電子信息學院 |
學生姓名： | * |
專業： | 電氣工程及其自動化 |
學號： | 31* |
指導教師： | * |
目錄
隨著計算機技術的不斷進步其對應的微電子技術測量儀器也在飛速發展。波形發生器便是隨著應用而形成和發展起來的一類新型信號源，它在某種程度上可以說是電子領域最為實際，最為基礎，最為廣泛的器材。可見波形發生器器在現實生活中確實很實用，運用前景非常廣泛。本次設計的就是一個波形發生器。
波形發生器廣泛用于各大院校和科研場所。隨著科技的進步和發展，單一的波形發生器已經不能滿足人們的需要，波形發生器是能夠產生大量的標準信號和用戶定義的信號，具有高精度、可重復性、易操作性、連續的相位變換和頻率穩定性，還可以對頻率、幅值、相移、波形進行動態及時的控制。利用運放電路、比較器、RC積分電路、二階有源低通濾波電路來實現方波、三角波和正弦波的輸出。它的制作成本低，電路簡單，使用方便，有效的節省了人力，物力資源，具有實際的應用價值。
1.2 設計目標
設計并制作能產生方波、三角波、正弦波波形信號輸出的波形發生器。設計電路所需的正負12V直流穩壓電壓源。
通過網上查找相關論文，及相關電路的知識，完成相關原理圖的設計，在通過原理圖在Multisim上完成相關仿真，觀察結果看實驗原理圖是否設計成功，再利用Altium Designer完成相關的P電路圖和PCB的設計。
擁有Multisim仿真軟件和Altium Designer軟件，并對各種產生波形電路的了解和相關軟件的基本使用。
通過查閱大量相關技術資料，并結合自己的實際知識，我把本次設計分為了兩個部分：第一部分主要是波形發生器的設計，對于這一部分我提出了二種技術方案來實現系統功能；第二部分為電源部分，這一部分我給出兩個方案。下面我將首先對波形發生器這一部分的二種方案的組成框圖和實現原理分別進行說明，并分析比較它們的特點，然后闡述我最終選擇方案的原因，并接著對電源部分的方案進行說明。
2.1 波形發生器方案比較方案一原理框圖如圖2-1所示：
圖2-1 方案一的原理框圖
方案一的簡單表述：
可以用正弦振蕩器產生正弦波輸出，然后通過整型電路將正弦波變換成方波，再用積分電路將方波變為三角波輸出。
方案二原理框圖如圖2-2所示：
方案二的簡單表述：
可以先用比較器產生方波輸出，方波經過積分電路可以得到三角波的輸出，再利用二階有源低通濾波電路將三角波轉換為正弦波。
方案一結構簡單，具有較好的正弦波和方波信號，要通過積分器電路產生同步的三角波，存在一定困難，積分電路的積分的積分常數通常是不變的，隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度將同時改變。若想使三角波不變，必須改變積分時間常數大小。
方案二的電路將方波和三角波視為一體，因為比較器A1與積分器A2組成正反饋閉合電路。集成運放構成電壓比較器，輸出方波信號，運放構成積分器，將方波變換成三角波輸出，三角波再通過二階有源低通濾波電路變成正弦波。實際效果好。
方案一雖然結構簡單，但是不容易改變三角波。而方案二比較這一點就更容易實現。方案二更符合本次實驗的設計。
方案一原理框圖如圖2-3所示：
方案一的簡單表述：
市電通過變壓器降壓為15v交流電壓，然后通過整流橋整流，再經過電容對其進行濾波，最后經過穩壓芯片將電壓穩定為12v直流電壓
2.4.2 方案二方案二原理框圖如圖2-4所示：
方案二的簡單表述：
利用充電寶5v供電經過濾波，然后經過升壓電路變成12v電壓在，再經過濾波，最后輸出穩定的12v直流電壓。
方案一通過變壓器將日常用電的220v交流電壓降壓為15v交流電壓，然后通過整流橋和濾波電路變為直流電壓做最后再經過穩壓電路對其穩壓，輸出12v穩定的直流電壓。該電路結構比較簡單，輸出電壓比較穩定。
方案二利用日常生活中的充電寶提供5v直流電壓，然后經過濾波，再經過升壓電路，最后經過濾波電路輸出穩定的12v直流電壓。該電路簡單，效率高達90%，抗干擾能力強。
基于方案二比方案一電路更簡單，抗干擾能力強。方案一使用220v交流電壓具有一定的危險性，并且對電路要求高與方案二。方案一使用的電子元件多于方案二的，在經濟層面上方案二更實惠。通過比較最終選擇方案二。
總體設計框圖：
圖2-5總體設計框圖
本節主要介紹系統各單元模塊的具體功能、電路結構、工作原理、以及各個單元模塊之間的聯接關系；同時本節也會對相關電路中的參數計算、元器件選擇、以及核心器件進行必要說明。
本系統主要分為4個單元模塊，它們分別是：方波產生模塊、三角波產生模塊、正弦波產生模塊、和電源模塊。各單元模塊功能及相關電路的具體說明如下。
3.1.1產生方波的模塊設計（1）模塊的具體功能
該模塊由比較器組成，這種比較器具體為滯回比較器，其功能為產生方波。
（2）模塊的組成和工作原理
該模塊由R10、R1與集成運放組成滯回比較器，穩壓管D1、D2的作用是鉗位，將滯回比較器輸出電壓穩定在正負
。滯回比較器工作原理當輸入信號逐漸增大或減少時，它有兩個閾值，其傳輸特性具有“滯回”曲線的形狀。
（3）模塊的結構框圖如圖3-1所示：
圖3-1方波模塊結構框圖
（4）模塊的具體電路如圖3-2所示：
圖3-2方波模塊電路圖
（5）相關參數計算
電路的第方波幅度由D1與D2決定，不會隨著R10的變化而變化，本次實驗中的穩壓二極管選擇為5.1V的，則其穩壓幅度為：
其中，0.7V為二極管D1正向導通時的管壓降。
其中，0.7V為二極管D2正向導通時的管壓降
該波形的振蕩周期為：
因為
為可調電阻，這周期隨著的變化而變化。
（1）模塊的具體功能
該模塊主要是將方波通過積分電路轉換為三角波輸出。
（2）模塊的組成和工作原理
該模塊由
、
、
和集成運放構成積分電路，將上一級的方波信號轉換為三角波輸出。積分電路可將矩形脈沖波轉換為鋸齒波或三角波,還可將鋸齒波轉換為拋物波。電路原理是基于電容的充放電原理，其中重要的是電路的時間常數RC，構成積分電路的條件是電路的時間常數必須大于或等于10倍輸入波形的寬度。
（3）模塊的結構框圖如圖3-3所示：
圖3-3方波模塊結構框圖
（4）模塊的具體電路如圖3-4所示：
圖3-4 三角波模塊電路圖
（5）相關參數計算
該波形的幅度可以由R10進行調節，但是其幅度最大值還是由D1、D2所控制，其周期公式跟方波是一致的為：
（1）模塊的具體功能
該模塊主要是將三角波通過二階有源低通濾波電路轉換為正弦波輸出。由于該電路濾波不是理想那樣，存在信號衰減，所以在輸出端加了一同向比例放大電路，來調節輸出正弦波的幅值。
（3）模塊的結構框圖如圖3-5所示：
圖3-5正弦波模塊結構框圖
（4）模塊的具體電路如圖3-6所示：
（1）模塊的具體功能
該模塊主要是將5V直流電壓轉換為12V直流電壓。
（3）模塊的結構框圖如圖3-7所示：
圖3-7電源模塊結構框圖
（4）模塊的具體電路如圖3-8所示：
圖3-8電源模塊電路圖
3.2特殊器件的介紹本系統中主要使用了如下一些功能器件：MT3608芯片和LM324芯片。下面就這些器件的功能特點、主要參數和使用方法作相應說明。
圖3-9 MT3608引腳圖
參數名稱 | 符號 | 值 | 單位 |
輸入電壓 |  | 2～24 |
|
輸出電壓 |  | 0～85 |
|
最大輸出電流 |  | 2 |
|
最高工作頻率 | K | 1.2 |  |
工作溫度 | T | 155 | ℃ |
MT3608一般用于作為升壓，下圖是其一般用作升壓的原理圖，和5V升壓為12V的效率曲線圖。
圖3-10 MT3608基本升壓圖
圖3-11 MT3608升壓效率圖
圖3-12 LM324引腳圖
表3-2 LM324的參數表
參數名稱 | 符號 | 額定值 | 單位 |
電源電壓 | VCC | | |
輸入差分電壓 | | 32 |
|
功耗 | | 720 |
|
工作環境溫度 | | -30～85 | ℃ |
儲存溫度 | | -55～125 | ℃ |
通道分離度 | C.S | 120 |
|
最大輸出電流 | | 40 |
|
（4）LM324的用法
LM324的使用一般是使用其內部4個集成運放，用于反向交流放大器、同向交流放大器、交流信號三分配放大器、溫測電路、比較器、有源帶通、積分器等。
（1）NE5532的功能
NE5532是一種雙運放高性能低噪聲運算放大器 。相比較大多數標準運算放大器，如1458，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅動能力和相當高的小信號和電源帶寬。
（2）NE5532引腳圖如圖3-13所示：
圖3-13 NE5532引腳圖
（3）NE5532參數表如表3-3所示：
表3-3 NE5532的參數表
參數名稱 | 符號 | 額定值 | 單位 |
電源電壓 | VCC | | |
輸入差分電壓 | | |
|
功耗 | | 1200 |
|
工作環境溫度 | | 0～70 | ℃ |
儲存溫度 | | -65～150 | ℃ |
本次主要對方波模塊，三角波模塊和正弦波模塊進行了調試。
Multisim 14是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設計的EDA工具軟件。作為 Windows 下運行的個人桌面電子設計工具，NI Multisim 是一個完整的集成化設計環境。NI Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節的這一問題。學員可以很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實地再現出來，并且可以用虛擬儀器技術創造出真正屬于自己的儀表。直觀的圖形界面，豐富的元器件，強大的仿真能力，豐富的測試儀器提供了22種虛擬儀器進行電路動作的測量和完備的分析手段。
圖4-1方波模塊仿真圖
將雙通道示波器的通道A接在R3后，開始仿真。點擊示波器，觀察波形。通過調節R10，可以觀察到方波的周期發生改變。
圖4-3 三角波模塊仿真圖
將示波器的B通道端接在C1后，開始仿真觀察波形。通過調節R10，可觀察到方波的周期在改變，而三角波的周期與幅度都在改變，可以早點R10可以控制三角波的幅度與周期。
將示波器的A端接在R2端，B端接在R12端，開始仿真觀察波形。由波形圖可知經過二階有源低通濾波電路，波形出現了極大信號衰減，我同過同向比例放大電路將改波形放大。
本系統可以產生方波、三角波和正弦波。其方波的周期和三角波、正弦波的周期頻率都是可調的。
圖5-2 三角波調試圖
 參數波形 | 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 |
本設計要求能夠產生多種波形是通過先產生方波、三角波，然后三角波轉變為正弦波實現的。將滯回比較器與積分器首尾相連組成閉關系統，從而產生方波和三角波，在三角波與正弦波轉換的電路方面，主要采用有源二階低通濾波。該波形產生部分的優點：電路簡單，可調波形的幅度與周期，具有良好的抗干擾性。在直流穩壓電源這部分，本設計采用了串聯型直流穩壓電源，通過兩個升壓模塊將5V電壓升壓到12V，然后串聯起 形成24V電壓，以中間電壓為地，兩端電壓輸出從而得到我們試驗所需的電壓。這個雙電壓源的優點在于可以通過不同需求調控電壓的大小。在本次設計中遇到的問題:正弦波產生電路由于經過了信號衰減，導致波形的幅度大大降低。解決方案：將衰減的信號通過正向比例放大電路放大。本次設計需要改進的地方：使方波的波形的幅度變得可調。
經過了一個多星期的不停的檢測和修改，終于把最終的電路圖和成品完成了。經過了這次課程設計，大大地提高了我的動手能力以及分析問題的能力，在老師的熱心的指導下，解決了很多問題，從中也學到了很多書面上所沒有搞清楚的問題。這次課程設計，讓我學到了很多有用的知識和能力，這對以后的學習和工作都將是非常有益的。用Multisim軟件仿真是這次設計的難點，雖然以前在課外學習中接觸過一些電子電路，但在初期還是感到無從下手。這是我第一次接觸Multisim軟件，感覺它比Protel更靈活易用，熟練以后十分順手。在整個電路的設計過程中，花費時間最多的是各個單元電路的連接及電路的細節設計上，在多種方案的選擇中，我們仔細比較分析其原理以及可行的原因，但有時接線，因為不夠細心，造成整個電路無法運行，最后還是在通多次對電路的改進，上機仿真以及接線調試，終于使整個電路可穩定工作。設計過程中，我深刻的體會到在設計過程中，需要反復實踐，其過程很可能相當煩瑣，有時花很長時間設計出來的電路還是需要重做，那時心中未免有點灰心，有時還特別想放棄，此時更加需要靜下心，查找原因。設計思路是最重要的，只要你的設計思路是成功的，那你的設計已經成功了一半。因此我們應該在設計前做好充分的準備，像查找詳細的資料，為我們設計的成功打下堅實的基礎。
在陳老師的指導下，本次課程設計我經歷了前期資料收集、整合，提出多種方案，仿真電路設計和調試等過程，到最后完成設計，每一次和陳老師見面討論時，陳老師都會對我提出很多建設性意見。對我們提出的問題，陳老師也耐心地幫我們分析原因，提出解決方法。通過這次課程設計讓我綜合運用所學知識來判斷，分析，解決問題。在這次設計過程中，我遇到好多以前沒見多問題，使我對課本知識有了新的認識和掌握，更讓我學到了許多課本上學不到的知識。同時我也認識到在解決實際問題時一定要謹慎、細心抓住主要問題一絲不茍的深入研究，這樣才能更快的解決問題。其實在設計過程中難免會遇到一些困難和問題，不過這些都不是我們退縮害怕的理由，相反這樣反而會激發我的斗志與拼勁兒，使這些困難成為我的墊腳石。
我還要感謝我的同學，在設計電路，解決問題時，他們給我提供了很多幫助，與他們的默契合作是我設計能夠完成的主要因素之一。這次課程設計讓我將知識在實踐中親自應用，給了我思考的機會，獲益匪淺。由于我的時間和水平都很有限，設計中不當和欠缺之處在所難免，望老師及其他同學批評指正。
再次感謝陳老師的悉心指導，老師的指導使我們少走了不少彎路，老師溫暖的話語使得我們能堅持到最后。
最后再次感謝每位給予我幫助的同學和老師！
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[3] 謝自美.電子線路設計實驗測試（第二版）[M].華中科技大學出版社，2000年7月
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[5] 安玉景、李雪瑩.電子技術基礎實驗[M].人民郵電出版社,2002年
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[7] 楊兆選.555定時器原理及實用電路集錦[M].天津大學出版社,1989年
[8] 何希才.新型集成電路及其應用實例[M].北京科學出版社,2002.5
[9] 金定洲.模擬電子技術實驗教程[M].合肥安徽農業大學出版社，2007年5月
[10] 陳永強、魏金城、吳昌東 模擬電子技術 北京：人民郵電出版社，2013.1
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qwerQWER1 發表于 2018-9-3 17:51
我這個貼子是課程設計所用的，里面有設計方案和，仿真圖還有AD圖，適合那些需要完成模電課程設計
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