信號發(fā)生器課程設(shè)計報告.doc

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目 錄 1、 課題名稱2 2、 內(nèi)容摘要2 3、 設(shè)計目的2 4、 設(shè)計內(nèi)容及要求2 5、 系統(tǒng)方案設(shè)計3 6、 電路設(shè)計及原理分析4 7、 電路仿真結(jié)果7 8、 硬件設(shè)計及焊接測試8 9、 故障的原因分析及解決方案11 10、 課程設(shè)計總結(jié)及心得體會12 一、 課題名稱：函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計 二、 內(nèi)容摘要： 函數(shù)信號發(fā)生器作為一種常用的信號源,是現(xiàn)代測試領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的通用儀器之一。在研制、生產(chǎn)、測試和維修各種電子元件、部件以及整機(jī)設(shè)備時，都要有信號源，由它產(chǎn)生不同頻率不同波形的電壓、電流信號并加到被測器件或設(shè)備上，用其他儀器觀察、測量被測儀器的輸出響應(yīng)，以分析確定它們的性能參數(shù)。信號發(fā)生器是電子測量領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用最廣泛的一類電子儀器。它可以產(chǎn)生多種波形信號,如正弦波,三角波,方波等,因而此次課程設(shè)計旨在運(yùn)用模擬電子技術(shù)知識來制作一個能同時輸出正弦波、方波、三角波的信號發(fā)生器。 三、 設(shè)計目的： 1、 進(jìn)一步掌握模擬電子技術(shù)知識的理論知識，培養(yǎng)工程設(shè)計能力和綜合分析能力、解決問題的能力。 2、 基本掌握常用電子電路的一般設(shè)計方法，提高電子電路的設(shè)計和實驗?zāi)芰Α? 3、 學(xué)會運(yùn)用Multisim仿真軟件對所做出來的理論設(shè)計進(jìn)行仿真測試，并能進(jìn)一步解決出現(xiàn)的基本問題，不斷完善設(shè)計。 4、 掌握常用元器件的識別和測試，熟悉萬用表等常用儀表，了解電路調(diào)試的基本方法，提高實際電路的分析操作能力。 5、 在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)實際電路。 四、 設(shè)計內(nèi)容及要求： 1、要求完成原理設(shè)計并通過Multisim軟件仿真部分 （1）RC橋式正弦波產(chǎn)生電路，頻率分別為300Hz、1KHz、10KHz、500KHz，輸出幅值300mV~5V可調(diào)、負(fù)載1KΩ。 （2）占空比可調(diào)的矩形波電路，頻率3KHz，占空比可調(diào)范圍10%~90%，輸出幅值3V、負(fù)載1KΩ。 （3）占空比可調(diào)的三角波電路，頻率1KHz，占空比可調(diào)范圍10%~90%，輸出幅值3V、負(fù)載1KΩ。 （4）多用信號源產(chǎn)生電路，分別產(chǎn)生正弦波、方波、三角波，頻率范圍400Hz~5KHz、輸出幅值≥5V、負(fù)載電阻1KΩ。 軟件仿真部分元器件不限，只要元器件庫中有即可，但需要注意合理選取。 2、要求實際制作部分 上述（4）多用信號源產(chǎn)生電路，分別產(chǎn)生正弦波、方波、三角波，頻率范圍100Hz~3KHz、輸出幅值≥5V、負(fù)載電阻1KΩ。 3、硬件設(shè)計：組裝、調(diào)試根據(jù)原理圖焊接的函數(shù)信號發(fā)生器. 硬件制作部分核心元器件：uA741、LM324、9013，電阻電容不限。 五、 系統(tǒng)方案設(shè)計： 函數(shù)信號發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)信號發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成電路，為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實驗調(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法。 產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波、然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波—方波，再將三角波變成正弦波獲將方波變成正弦波等等，本次設(shè)計采用先產(chǎn)生方波、三角波，再將三角波變換成正弦波的方法。 由比較器和差分器組成方波--三角波產(chǎn)生電路，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定、輸入阻抗高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可以將頻率很低的三角波轉(zhuǎn)換為正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。 波形轉(zhuǎn)換電路： 比較器產(chǎn)生方波積分器產(chǎn)生三角波用差分放大電路實現(xiàn)正弦波，相應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系如下: 六、 電路設(shè)計及原理分析 (一) 總電路設(shè)計圖： ①R1、R2、R3、R4 及U1構(gòu)成同相輸入遲滯比較器，在U1的6腳輸出方波。R4為可變電阻，可調(diào)節(jié)相應(yīng)方波幅度。②R5、R6、R16、C1和U2構(gòu)成積分器，將方波變換成三角波，在U2的6腳輸出三角波。R6為可變電阻，可調(diào)節(jié)方波和三角波的頻率。③Q1、Q2及相應(yīng)電阻、電容構(gòu)成差分放大電路，利用差分放大電路傳輸特性曲線的非線性性將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波。C2、C3、C4均為隔直通交電容，R7、R11為可變電阻，R7用于調(diào)節(jié)波形失真情況，R11用于調(diào)節(jié)差分放大電路傳輸曲線的對稱性。④Q3、Q4、R13、R14、R15構(gòu)成比例電流源。 (二) 方波產(chǎn)生電路： 工作原理： 由于同相遲滯比較器具有回差特性，有兩個門限電壓，設(shè)某個瞬間電路的輸出電壓為+Uz，此時滯回電壓比較器的門限電壓為UTH1，輸出信號經(jīng)電阻R對電容C充電，uc的波形如圖（a）所示。當(dāng)uc上升到UTH1時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出電壓變?yōu)?Uz，門限電壓也隨之變?yōu)閁TH2，此時，電容C經(jīng)電阻R放電，當(dāng)該電壓下降到UTH2時，輸出電壓又回到+Uz，電容又開始充電的過程，周而復(fù)始，比較器輸出端便得到矩形波信號Uo。其波形如圖（b）所示。 設(shè)電容器在t=0時開始充電，充電的初始電壓uc（0）=UTH2，電容器的充電電壓uc最終為+Uz，根據(jù)這些特點(diǎn)可得電容充電過程三要素為uc（0）=UTH2 ， uc（∞）=+Uz，τ=RC 根據(jù)一階RC電路的三要素表達(dá)式，可得電容上的電壓隨時間變化的關(guān)系： 因滯回電壓比較器的門限電壓為： uc從UTH2充電到UTH1所需的時間為tw， 因電容器充、放電的時間相等，所以，振蕩的周期 改變R1、R2、R和C的參數(shù)，即可改變輸出信號的頻率，使充、放電電路的時間常數(shù)不相等，就可改變輸出信號的占空比。 下圖為仿真時的方波產(chǎn)生電路： (三) 三角波產(chǎn)生電路： 工作原理： 根據(jù)RC積分電路輸入和輸出信號波形的關(guān)系可知，當(dāng)RC積分電路的輸入信號為方波時輸出信號是三角波，由此可得，利用方波信號發(fā)生器和積分電路就可以組成三角波信號發(fā)生器。 根據(jù)疊加定理，A1同相端電位 A1的u+=u-=0，則閾值電壓 uo1=UZ，若初態(tài)從-UZ到+UZ，則 該電路振蕩信號的頻率與三角波輸出信號的幅度有關(guān)，根據(jù)三角波工作波形可知，正向積分的起始值為-UT，終值為+UT，積分時間為二分之一周期，可得出振蕩周期 ，三角波輸出信號的頻率為 電路中的R1、R2、R的阻值和C的容量，可以改變振蕩頻率；而調(diào)節(jié)R1和R2的值可以改變?nèi)遣ǖ姆怠? 下圖為仿真時的三角波產(chǎn)生電路： (四) 正弦波產(chǎn)生電路： 三角波轉(zhuǎn)換成正弦波：波形變換的原理是利用差分放大的傳輸特性曲線的非線性，波形變換過程如圖所示。由圖可以看出，傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)域越窄越好;三角波的幅度Ui應(yīng)正好使晶體接近飽和區(qū)域或者截至區(qū)域。 為實現(xiàn)三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路， 其中R7、R11為可變電阻，R7用于調(diào)節(jié)波形失真情況，R11用于調(diào)節(jié)差分放大電路傳輸曲線的對稱性。C2、C3、C4均為隔直通交電容。 七、 電路仿真結(jié)果 1. 方波仿真結(jié)果： 2. 三角波仿真結(jié)果： 3. 正弦波仿真結(jié)果： 八、 硬件設(shè)計及焊接測試： (一) 按照電路原理圖進(jìn)行焊接： 1. 先使用萬用表，測出所需的電阻值，分辨電容正負(fù)極性，三極管的發(fā)射極、集電極和基極。 2. 按照信號發(fā)生器的原理電路圖，首先在電路板上布置好電路元件，避免焊到最后，沒有剩余空間供其他部分電路焊接。同時，必須認(rèn)識到電路板上焊接點(diǎn)的分布，區(qū)分他們是否連接好，已經(jīng)導(dǎo)通，避免短路。 3. 最后，依次焊接元器件，連接好導(dǎo)線，接通電源，進(jìn)行測試。 (二) 焊接注意事項： 1. 依照器件分布原則，主要版塊盡量分開，布好器件，然后進(jìn)入焊接階段； 2. 焊接時應(yīng)該注意，焊劑加熱揮發(fā)產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)對人體有害，操作時，鼻子盡量不要離烙鐵太近，一般注意鼻子與焊接區(qū)域間保持不小于30cm的距離； 3. 在不使用電烙鐵時，應(yīng)把其放在右前方的烙鐵架上，避免導(dǎo)線等被燙壞，并且在多人的環(huán)境中應(yīng)避免烙鐵頭對準(zhǔn)他人； 4. 在使用電烙鐵時應(yīng)注意手的握法，不能用手直接觸摸烙鐵頭，避免手被燙傷； 5. 焊接并初步檢查完后，檢查電路板中是否存在虛焊，尤其注意電路中不要有短路的地方； 6. 開始進(jìn)行波形調(diào)試，若開始發(fā)現(xiàn)沒有產(chǎn)生波形，應(yīng)該用萬用表測試相應(yīng)的參數(shù)并分析； 7. 注意芯片的引腳不能短路，否則可能會燒壞芯片； 8. 在調(diào)試時，有時會出現(xiàn)滑動變阻器的阻值調(diào)不了，這可能是有些引腳短路了，也有可能是滑動變阻器滑動端未接入電路。 (三) 焊接完后實物如下： (四) 調(diào)試： 1. 方波調(diào)試： 在信號輸出端接入示波器，觀察是否有正弦波輸出，調(diào)節(jié)R4實現(xiàn)方波的幅度可調(diào)，調(diào)節(jié)R6實現(xiàn)方波的頻率可調(diào)。 2. 三角波調(diào)試： 如果正弦波正常輸出，換三角波輸出端口，檢測是否有三角波，調(diào)節(jié)R7實現(xiàn)三角波的幅度可調(diào)，調(diào)節(jié)R6實現(xiàn)三角波的頻率可調(diào)。 3. 正弦波調(diào)試： 接入直流電源后，將C3左邊的線接地，測量差分放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。調(diào)節(jié)R11使差分放大電路的傳輸特性曲線對稱，用示波器進(jìn)行觀察并調(diào)試實現(xiàn)正弦波的幅度和頻率可調(diào)。 (五) 示波器輸出波形： 方波： 三角波 正弦波 九、 故障的原因分析及解決方案： 1. 故障一：測試電路觀測不到波形。 原因分析：a.電路連接出現(xiàn)問題，例如：導(dǎo)線短路，未接地線或者電源線等；b.芯片為不合格品；c.雜波干擾，導(dǎo)致波形不能正常輸出。 解決方案：a.仔細(xì)檢查電路，可通過借助萬用表等工具測試線路問題；b.換另一塊合格芯片c.添加濾波電路濾除雜波。 2. 故障二：頻率增大時，正弦波和方波幅度不變，三角波幅度明顯減小。 原因分析：積分電路的積分時間常數(shù)通常是保持不變的，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。 解決方案：改變積分時間常數(shù)的大小。同步減小C1或者Rw1，延長積分時間。 3. 故障三：三角波頂部或底部失真。 原因分析：a.方波信號邊沿失真。b.積分電路時間常數(shù)選取不當(dāng)。 解決方案：a.在方波信號輸出端增加穩(wěn)幅電路。b.改變積分時間常數(shù)的大小，或者選擇一大電阻（300K左右）與積分電容C1并聯(lián)，調(diào)節(jié)三角波線性度。 4. 故障四：在方波及三角波正常輸出情況下，正弦波失真或輸出不正常。 原因分析：a. 三極管連接錯誤或三極管已壞，導(dǎo)致波形不能輸出；b.測試線連接錯誤；c.滑動變阻器未調(diào)節(jié)好 解決方案：a.取出三極管將工作正常的三極管重新焊接好；b.修改輸出線路c.利用相關(guān)工具調(diào)節(jié)滑動變阻器使之處于正常輸出狀態(tài)。 十、 課程設(shè)計總結(jié)及心得體會： 此次模電課程設(shè)計，從原理圖的設(shè)計仿真，到硬件電路的焊接調(diào)試與設(shè)計報告的完成共持續(xù)了一個多星期的時間，是我們在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的一次深刻而極具意義的實踐探索，不僅讓我們更進(jìn)一步了解了專業(yè)知識，也讓我們看到了專業(yè)理論與實踐相結(jié)合在當(dāng)今信息時代的重要意義。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程．”千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正含義．今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計，學(xué)會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)。 此次實驗的內(nèi)容以完成設(shè)計和焊接一個函數(shù)信號發(fā)生器為主要內(nèi)容，主要利用本專業(yè)常使用的一個仿真軟件multisim來完成前期的準(zhǔn)備設(shè)計，期間也給予了我們很多自我探索和學(xué)習(xí)的機(jī)會，比如需要我們自己上網(wǎng)搜索所需運(yùn)放器ua741的芯片引腳以及相應(yīng)參數(shù)和應(yīng)用知識。以下幾點(diǎn)便是我在整個學(xué)習(xí)過程中對專業(yè)理論知識和課程實踐的深刻認(rèn)識： 1.在進(jìn)行實驗時，一定要注意安全用電。當(dāng)檢查好所使用的電是安全的并準(zhǔn)備好實驗器件后再開始實驗；實驗后要記得斷開電源，避免造成不必要的浪費(fèi)和安全事故。 2.學(xué)會識別和鑒別元器件是進(jìn)行實驗的一個重要步驟。比如說極性電容的極性問題，ua741芯片的引腳接法，三極管的三端口識別，電阻阻值判斷等，若沒有事先了解和學(xué)習(xí)就會很容易遭成電路連接錯誤而導(dǎo)致實驗不能順利的完成。 3.進(jìn)行電路板的焊接時一定要一步一個步驟，按照要求來做，并注意即時清理電路板上的雜質(zhì)，看清原理圖，才能避免出現(xiàn)不必要的線路問題（短路或者虛焊等），保證焊接出標(biāo)準(zhǔn)的焊點(diǎn)，才能使焊接順利完成。 4.調(diào)試電路時，可以分塊調(diào)試，比如本次實驗中可以先測出方波和三角波產(chǎn)生電路圖，然后再檢測正弦波的產(chǎn)生，這樣可以節(jié)省檢測時間，以免所有的電路出錯而導(dǎo)致檢查時不必要的麻煩出現(xiàn)。 5.關(guān)于對原理圖的仿真，可用multisim軟件或者protues軟件。當(dāng)然，我們只有認(rèn)真學(xué)習(xí)和熟練使用后才能完成對專業(yè)學(xué)習(xí)及對一門課程進(jìn)行設(shè)計和實踐的要求。 6.只有多次進(jìn)行實踐，深入地學(xué)習(xí)和分析理論，認(rèn)真的了解相關(guān)軟件，我們才能出色的完成這門課程對我們的要求。 課程設(shè)計誠然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，同時又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時，設(shè)計讓我感觸很深。使我對抽象的理論有了具體的認(rèn)識。通過這次課程設(shè)計，我掌握了常用元件的識別和測試；熟悉了常用儀器、儀表；了解了電路的連線方法；以及如何提高電路的性能等等，掌握了焊接的方法和技術(shù)，通過查詢資料，也了解信號發(fā)生器的原理及構(gòu)成。 回顧起此課程設(shè)計我仍感慨頗多，從理論到實踐，在這段日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。此次設(shè)計也讓我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及時請教不斷探索，只要認(rèn)真鉆研，動腦思考，動手實踐，就沒有弄不懂的知識，收獲頗豐。 最后，就此電路未實現(xiàn)占空比可調(diào)做出思考，如右圖，電位器RP用來調(diào)節(jié)輸出信號的占空比。 二極管D1和D2的作用是控制充、放電回路的時間常數(shù)，實現(xiàn)占空比可調(diào)的目的，如右圖所示。 附錄： 一、 參考文獻(xiàn)： 1. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)/楊明欣主編——北京：高等教育出版社，2012.7（20134重?。? 2. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗教程 何鳳庭主編 湘潭大學(xué)出版社 3. UA741datasheet 二、 所需元器件清單 名稱 規(guī)格 個數(shù) 名稱 規(guī)格 個數(shù) 集成運(yùn)放 741 2片 電阻 8K 1個 三極管 9013 4個 電阻 20K 1個 可調(diào)電阻 47K 2個 電阻 5.1K 1個 可調(diào)電阻 100K 1個 電阻 2K 2個 可調(diào)電阻 0.2K 1個 電容 1uf 1個 電阻 10K 5個 電容 470uf 3個 電阻 6.8K 2個