1、多种波形发生器的设计与制作92说课讲解明达职业技术学院实训(实践)报告20102011学年度第一学期 信息工程 系 应用电子技术 专业 班级 09应用电子技术 学号 45093128 课题名称 多种波形发生器的设计与制作 学生姓名 钱露 指导教师 杨毅德 2011年12月18日 明达职业技术学院毕业设计(论文)任务书信息工程系应用电子技术 专业班级09应电 姓名钱露 学号45093107课题名称：多种波形发生器的设计与制作课题主要内容、意义：设计并制作一个环形多种波形发生器，产生的四种波形如图所示：课题研究思路、方法和要求：由给定各波形的时序关系知：方波决定三角波，三角波决定脉冲波，脉冲波决定
2、锯齿波，而锯齿波又决定方波。可选用由通用型集成运放组成的过零比较器、积分电路、锯齿波发生电路及直流电平移位电路来完成的。课题研究计划：第一周，收集资料，研究设计方案并设计具体电路。第二周，申领工具、元器件等一应设计制作中所需的材料和设备，并开始制作调试单元电路及修正前期设计中可能出现的缺陷。第三周，统调总电路以完成指标要求并取得相关实际技术参数。第四周，撰写论文，准备答辩。指导教师意见：指导教师（职称）： 20 年 月 日系部意见：系主任签字： （系盖章）20 年 月 日 多种波形发生器的设计与制作 作者:钱露【摘要】方波、三角波、脉冲波、锯齿波等非正弦电振荡信号是仪器仪表、电子测量中最常用的
3、波形，产生这些波形的方法较多。以前，人们常用 模拟电路来产生这种波形，其缺点是电路结构复杂，所产生的波 形种类有限。随着单片机技术的发展，采用单片机电路产生各种 波形的方法已变的越来越普遍。虽然，可能产生的波形会呈微小的阶梯状， 但是， 只要设计得当， 这一问题可以得到一定的解决。本课题要求设计的多种波形发生器是一种环形的波形发生器，方波、三角波、脉冲波、锯齿波互相依存。电路中应用到模拟电路中的积分电路、过零比较器、直流电平移位电路和锯齿波发生器等典型电路。通过对本课题的设计与制作，可进一步熟悉集成运算放大器的应用及电路的调试方法，提高对电子技术的开发应用能力。【关键词】 过零比较器 积分电路
4、 直流电平移位 锯齿波发生电路 引言 波形发生器是一种常用的信号源，广泛用于科学研究、生产实践和教学实践等领域。如设计和测试、汽车制造、生物医药、传感器仿真、制造模型等。传统的信号发生器采用模拟电子技术，由分立元件构成振荡电路和整形电路，产生各种波形。它在电子信息、通信、工业等领域曾发挥了很大的作用。但是采用这种技术的波形发生器电路结构复杂、体积庞大、稳定度和准确度较差，而且仅能产生正弦波、方波、三角波等几种简单波形，难以产生较为复杂的波形信号。随着微处理器性能的提高，出现了由微处理器、D/A以及相关硬件、软件构成的波形发生器。它扩展了波形发生器的功能，产生的波形也比以往复杂。实质上它采用了软
5、件控制，利用微处理器控制D/A，就可以得到各种简单波形。但由于微处理器的速度限制，这种方式的波形发生器分辨率较低，频率切换速度较慢。从2007年2月到2007年4月，在系统研究国内外波形发生器的基础上提出了基于Matlab和FPGA技术的波形发生器，在FPGA内开辟高速存储器ROM做查询表，通过Matlab获得波形数据存入ROM中，波形数据不断地，有序地从ROM中送到高速D/A转换器对存储器的波形数据进行转换。因此只要改变FPGA中查找表数据就可以产生任意波形，因此该研究方法可以产生任意波形。随着我国四个现代化和经济发展，我国在科技和生产各领域都取得了飞速的发展和进步，同时这也对相应的测试仪器
6、和测试手段提出了更高的要求，而波形发生器已成为测试仪器中至关重要的一类，因此在国内发展波形发生器具有重大意义和实际价值。例如，它能模拟编码雷达信号、潜水艇特征信号、磁盘数据信号、机械振动瞬变过程、电视信号以及神经脉冲之类的波形，也能重演由数字示波器捕获的波形等。 当然在电子电路及电子设备中一般都需要一组或几组搞完了定性的直流电源供电，直流电源的作用之一是为各级电路中的三极管提供合适的偏置，其次是作为整个电子电路的能源。干电池、畜电池把化学能转化为电能，应该说是一种高质量的电源，但他们的成本高，使用不方便。所以这里主要用传统的方法把电网电压的单向交流电（200V ,50 HZ），通过电源变压器、
7、整流电路、滤波电路、稳压电路转换为12V直流电源，实现直流电源的性能指标及对多波形信号发生器电路的驱动。1、 设计任务设计并制作一个环形的多种波形发生器，能同时产生方波、三角波、脉冲波和锯齿波，它们的时序关系及幅值要求如图1所示。 图1 波形图设计要求：(1)各波形时序关系如图，重复周期为10ms，误差不超过(2)四种波形的幅值要求如图1所示，幅值误差不超过(3)只允许采用通用器件，如集成运放，选用F741。(4)要求各波形在启动后能维持自由振荡。要求完成单元电路的选择及参数设计，系统调试方案的选取及综合调试。 一、 总体方案的设计与选择 1.1、方案（一）的基本构想和原理：1、电路基本构想与
8、组成：在电路中，运放A1组成是比较器，A2是起反向积分的作用的按反相积分器，同时A1与A2共同组成了正反馈回路，形成自激振荡。由A1输出正负对称的方波，输出电压经过R9与R10的分压后输入A2的反相端，经A2进行计分运算后，输出三角波；输出的三角波，再经过R7、C2和R8、C3两次积分后输出正弦波。在电路中的不同的点取输出由此组成了可以同时产生正弦波、方波和三角波的电路。在次电路中使用LM324集成运放、电阻、电容以及稳压管来构成基本的电路。基本思路框图-(1)如下： 图-（1） 1.2 方案（二）基本构想和原理由给定的四种波形的时序关系看：方波决定三角波，三角波决定脉冲波，脉冲波决定锯齿波，
9、而锯齿波又决定方波。属于环形多种波形发生器，原理框图可用图2表示。 图2 多种波形发生器的方框图方案的选择： 由于方案一不可以输出锯齿波，而且本设计要求精度比较高，所以这个方案不可行。选第二个方案比较可行。2、设计方案的选择及原理说明 仔细研究时序图可以看出，方波的电平突变发生在锯齿波过零时刻，当锯齿波的正程过零时，方波由高电平跳变为低电平，故方波发生电路可由锯齿波经一个反相型过零比较器来实现。三角波可由方波通过积分电路来实现，选用一个积分电路来完成。图中的uB电平显然上移了+1V，故在积分电路之后应接一个直流电平移位电路，才能获得符合要求的uB波形。脉冲波的电平突变发生在三角波uB的过零时刻
10、，三角波由高电平下降至零电位时，脉冲波由高电平实跳为低电平，故可用一个同相型过零比较器来实现。锯齿波波形仍是脉冲波波形对时间的积分，只不过正程和逆程积分时常数不同，可利用二极管作为开关，组成一个锯齿波发生电路。由上，可进一步将图2的方框图进一步具体化，如图3所示。图3 多种波形发生器实际框图器件选择，设计要求中规定只能选用通用器件，由于波形均有正、负电平，应选择由正、负电源供电的集成运放来完成，考虑到重复频率为100Hz(10ms),故选用通用型运放F741（F007）或四运放F324均可满足要求。本设计选用F741。1、F741的运放原理 F007的管脚封装图管脚序号12345678COMP
11、IN-IN+-VccCOMPOUT+VccNC功能调零端反相输入端同相输入端负电源调零端输出端正电源空脚 F007的引脚功能表 2、单元电路选择 由时序关系：电平突变发生在锯齿波过零时刻，故方波发生器由反相型过零比较器构成。三角波由方波通过积分电路来实现。脉冲波电平突变发生在三角波过零时刻，故脉冲波仍由一个过零比较器来完成。锯齿波仍是脉冲波对时间的积分，故仍用一个积分电路来实现。 3、单元电路参数设计（1）方波产生电路反相型过零比较器 选择电路如图4所示。图中，A1工作于开环，R1为运放输入端保护电阻取R1=10K，R2为稳压二极管的限流电阻，取值一般在（13）K之间，取R2=1K。因UA幅值
12、为5V，故输出端两只稳压二极管使输出高、低电平在5V左右，查晶体管手册，选用稳压二极管为2CW53（UZ=4.05.8V）两只。必要时可通过晶体管图示仪进行挑选，以满足幅值要求。 图4 反相型过零比较器电路（2）三角波产生电路基本积分电路选择电路如图5所示，图中与C1并联的1M电阻主要是为了减小积分漂移，取值应大于R3。 图5 积分电路由波形图知，当UA为高电平5V，经过积分电路在5ms时间内，应下降4V，故参数计算如下：由积分电路知：*UA*=UBm, 即50.005=4 w 得 R3C1=6.2510s取C1=0.1uF , 则 R3=62500 取R3=62K，R4=R3=62 KUB的
13、波形如图6。图6 积分电路输出波形图（3）直流电平移位电路 将图6的UB波形与图1的UB波形比较，为了得到UB的波形，必须将UB波形上移3V，由直流电平移位电路来实现，如图7所示。 图7 直流电平移位电路若取R5=10K, Rp1=10K时，A3的脚为零电平，调Rp1活动端使RP1减小，电平上升。由于C2的隔直作用，只需将脚电平设置在+1V，与UB叠加。A3为电压跟随器，UB与脚波形相同。由上，取R5=10K，RP1为10K电位器，C1取10uF。（4）脉冲波电路设计同相型过零比较器选择电路如图8所示。图中，取R6=10K，R7=1K，当uB0V,A4的脚输出高电平，D1、D2导通并钳位，若取
14、两只硅二极管串取，可得uC=1.4V。若UB0时，D3导通，D4截止，忽略二极管导通时的动态电阻，积分时常数为=R8C3，形成锯齿波的逆程。当uC=-5V0时，D3截止，D4导通。积分常数R9C3，形成锯齿波的逆程。电路参数计算：首先要算出脉冲波高电平和低电平的时间轴，由图3-3-1，uB由3V下降至0V的时间为uC高电平的半个周期。这时锯齿波uD由0V积分到-3V，若此时为t1,由相似三角形知识可以算得t1=3.75ms，同样可以算得uC由低电平变为高电平的时间t2为6.25ms,uC再次变为低电平时间为13.75ms,如图3-3-10所示。图10 UC时序图取C3=1uF，则锯齿波正程有：
15、（6.253.75）10=6 即 52.510=6由上及 R9=20.8310 取R9=20K锯齿波逆程:UC（13.756.25）10=6 即=6得R8=17.510 取R8=18K由于同时只有一个电阻导通，故 R10=18K（或20K），为了减小二极管死区电压，D3、D4直流压降要小，故D3、D4选锗二极管2AP10。2、 实验与调试（1）本系统可采取逐级安装调试方法，待各级调试均正常后再接成闭环形式。原则上从哪一级开始安排调试均可，但开环时必须由函数信号发生器外加激励信号。研究这四种波形，只有选用UA作为外加信号，先从三角波发生电路开始最为方便。为了满足各种波形的时序、周期、幅值要求，每
16、一级调试的工作量均较大。（2）三角波发生电路的安装与调试 按图5电路参数安装无误，接通12V直流电源，首先对该电路调零，方法是将uA端接地，万用表直流电压接A2的脚到地，调RW1活动端，看u0是否变化。若u0幅值较大，或始终为零，或某一固定值，应检查电路连接是否正确，同相与反相输入端是否接反等。由于1M电阻的并接，静态时A2工作在闭环（负反馈）状态，、脚电位差应该很小，可通过测量来检查。若电路正常，调RW1活动端使u0的绝对值逐步减小，同时更换万用表电压档，直至最低档时，u0=0，调零完成。 拆除UA端口的短路线，接入函数信号发生器，输入周期为10ms，幅值为5V的方波信号，并用示波器严格测量
17、并监视。示波器另一输入观察积分电路输出信号，若打到AC输入方式，应看到周期10ms、幅值为2V的三角波。若幅值大于或小于2V，说明设定的时常数实际值与理论值不符，应该变R3阻值或C1的电容值，一般采取改变电阻的方式比较方便。若幅值低于2V，应减小R3，反之，应加大R3值，直至达到设要求为止。（3）直流电平移位电路的安装与调试 按图6安装好移位电路，接通A2、A3电路电源，示波器观察UB输出波形正常后通过C2接入A3同相输入端，示波器输入方式改为DC，观察A3脚输出波形UB，调电位器RP1的活动端可以看到uB波形电平上移，直至达到+3V，-1V为止。（4）脉冲波发生电路的安装与调试按图7电路安装
18、好脉冲波发生电路，通电后输入uB波形，示波器观察uC端，一般周期不会明显变化，但幅值肯定存在误差，如正幅值不可能为+14V，但只要D1、D2为硅二极管，误差不应太大。负电平取决于DZ2的稳压值。若误差过大超出设计要求（5.54.5）V,应更换稳压二极管，直至达到设计要求。（5）锯齿波发生电路的安装与调试 按图8电路及参数安装无误，接通电源并对A5进行调零。输入应短路A5的脚而不是uC端，否则输入端实际上是开路。调零后接入uC波形，并确认uB，uB、uC波形没有变化，示波器接uD端，仔细观察锯齿波波形，若时序与图1的uD波形有差异，应精心调整R8，R9，直至达到对uD的规范要求。（6）方波发生电
19、路的安装与调试按图4安装好过零比较器，接通电源后接入uD波形，示波器观测uA波形，并检查方波的周期和幅值，若幅值与5V相差较大，应更换uZ1。（7）闭环将A1的输出UA端接A2的输入端，完成环形多种波形发生器的最后连接。切除由函数信号发生器提供的激励信号，各级应运转输出正常。用示波器逐级测量各波形的周期、幅值。并记录。分析是否达到设计要求。本电路的缺点是重新启动不可靠，往往要一个方波信号源从u端激励一下。但通过本课题的设计，安装和调试，对集成运算放大器的典型应用电路的了解和调试技能的提高有较大的帮助作用。 实训心得为期一个月的毕业设计已经结束，在这一个月的学习、设计、接线过程中我感触颇深。使我
20、对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。实验的设计让我们知道要设计一套方案必须得参考资料，还必须结合实际，我们做的是方波、三角波、方波的函数信号发生器，老师让我们到图书馆参考资料，并且列出好几套方案，以便在此方案不成功时换另一个方案，由此，我们也知道了在以后毕业设计的时候也得这么做。我们认为，在这学期的实验中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，再次过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，积极不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作能力，在各种其他能力也都有了提高。更重要的
21、是，在实验课上，我们独立思考，用自己的想法来做课题，把实验做出来，并且成功的感觉很棒，让我们体会到了成功后的喜悦，所以在以后的不管学习还是生活中我们都要敢去想敢去做，不能光想不做。这次设计让我们学会了很多学习的方法，真是受益匪浅。不管怎样，这些都是一种锻炼，一种知识的积累，能力的提高。与其他同学的合作是件快乐的事情，只有彼此都付出，彼此努力维护才能将设计做的更加完美，团队合作精神当今社会 非常宝贵。有些实验装置的调试与安装还不是很熟练，没有做到最好，但是最起码我们没有放弃，相信我们以后会用更多的时间来填补这种缺失。相信我们以后会以更加积极地态度对待我们的学习、对待我们的生活。只有在了解了自己的
22、长短之后，我们会更加努力的去完善它，增进它。挑战自己，战胜自己，才是真正快乐和成功，本次试验趣味性强，不仅锻炼能力，而且可以学到很多东西，在于老师和同学的交流过程中，互动学习，将知识融会贯通。在实验过程中，我们遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。在老师和同学的帮助下，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啊。实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，老师们不厌其烦地为我们调整波形，讲解知识点，实在令我感动。还有就是在实验中，好多同学被电烙铁烫伤了，这不得不让我想起安全问题，所以在以后的实验中我们应该注意安全，让不必要的伤害减至最少。还有值得我们自
23、豪的一点就是我们的线路连得横竖分明，简直就是艺术啊，最后用一句话来结束吧。“实践是检验真理的唯一标准”。与君共勉。【参考文献】 1. 电子技术课程设计指导 彭介华 主编 北京：高等教育出版社 1997；2. 国产集成电路应用500例 周 仲 主编 北京：电子工业出版社 1992；3. 常用电子元件简明手册 于洪珍 主编；4. 集成运算放大器应用精粹 肖景和 主编 北京 人民邮电出版社 20065. 精选使用电子电路260例 孙余凯 项绮明 主编 北京 电子工业出版社 20076. 模拟电路 杨毅德 主编附录1：3、 总电路图将各单元电路串联，得到本课题的总电路图如图11所示。 图11 多种波形发生器总电路图附录2： 序 号名 称符 号规格型号数 量1电阻R2、R70.125W 1K22电阻R1、R5、R60.125W 10K33电阻R8、R100.125W 18K24电阻R90.125W 20K15电阻R3、R40.125W 62K26电阻0.125W 1M27电容C1、C30.1uF28电容C2CA 10uF 16V19电位器RW1、RW2、RP110K310硅二极管D1、D22CP10211锗二极管D3 、 D42AP10212稳压二极管DZ1、 DZ22CW53413集成运算放大器A1A2F741C(或F007)5
