方波三角波正弦波函数信号发生器

引言现今世界中电子技术与电子产品的应用越加广泛，人们对电子技术的要求也越来越高。因此如何根据实际要求设计出简便实用的电子技术物品便显得尤为重要。灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。能将简单的易获取的信号转换为自己所需的复杂信号是一项必不可少的技术。以555定时器为核心器件，制作一种方波-三角波-正玄波函数转发生器，制作成本较低。适合学生学习电子技术测量使用。比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频(高频)发射,这里的射频波就是载波,把音频(低频)、视频信号或脉冲信号运载出去,就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内,如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等,都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。摘要随着众多领域对于复杂的、可由用户定义的测试波形的需要而形成和发展起来的，波形发生器的主要特点是可以产生任何一种特殊波形，输出信号的频率、电平以及平滑低通滤波的截至频率也可以作到程序设置，因此在机械性能分析、雷达和导航、自动测试系统等方面得到广泛的应用。而本课题设计的正是多种波形发生器。本设计由555定时器和积分器组成方波—三角波产生电路，555定时器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。该设计在proteus仿真软件上进行了仿真，验证了该设计方法正确性和有效性。技术性能达到了要求。关键词：函数发生器，555定时器,积分器，差分放大器目录第一章绪论第二章系统设计方案选择2.1.方案一2.2方案二2.3方案选择第三章所选方案及各部分单元电路的设计3.1.方波发生电路设计3.2.方波-三角波转换电路设计3.3.三角波-正弦波转换电路设计第四章基于Proteus的软件仿真4.1.Proteus软件介绍4.2.电路仿真过程与结果分析第五章总结参考文献附录：1.原理图2.仿真图第一章绪论函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。它可以产生多种波形信号如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。随着科学技术的发展，电子技术越来越来受到人们的关注，人们在追求功能齐全的电子产品的同时也越来越关注电子产品的易携带性、体积、质量、易于维修等。函数发生器将朝着集成化的方向发展，集成电路具有所用元件数量少、质量轻、体积小、便于携带、易于维修、易于调试、便于快速大规模生产的特点。第二章系统设计方案选择2.1方案一图1.1本方案先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，电路框图如图1.1。用555比较器与反相积分器首尾相串联构成方波-三角波产生电路，然后，采用差分放大器，作为三角波—正弦波变换电路利用差分对管的饱和与截止特性进行变换，差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。此电路的输出频率就是方波-三角波产生电路的频率，将正弦波用比较器进行比较产生方波，调节比较电位，使得方波的占空比可以改变。2.2方案二图1.2RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法，电路框图如图1.2。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。2.3方案论证及选择方案一的电路结构、思路简单，运行时性能稳定且能较好的符合设计要求，且成本低廉、调整方便，关于输出正弦波波形的变形，可以通过可变电阻的调节来调整。而方案二，关于三角波的缺陷，不是能很好的处理，且波形质量不太理想，且频率调节不如方案一简单方便。综上所述，我们选择方案一。第三章所选方案及各部分单元电路的设计3.1.方波发生电路设计图3555定时器振荡器当电容C2被充电时，2和6引脚的电压都上升，此时二极管D1导通，接通+12V电源后，电容C2被充电，Vc上升，当Vc上升到2Vcc/3时，触发器被复位，同时放电Rp导通，此时输出电平Vo为低电平，电容C2通过R3和Rp放电，使Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。电容器C2放电所需的时间为：tpL=(R3+Rp)C2ln2(3-1)当C2放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R3、Rp向电容器C2充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为tpH=(R1+R3+Rp)C2ln2=0.7(R1+R3+Rp)C2(3-2)当Vc上升到2Vcc/3时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到了一个周期性的方波，其频率为f=1/（tpL+tpH）=1.43/(R1+2R3+2Rp)C2(3-3)图4由555定时器组成的多谐振荡器工作波形3.2方波--三角波转换电路设计图5积分电路产生三角波RC积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路。在自动控制系统中，常用积分电路作为调节环节。此外，RC积分电路还可以用于延时、定时以及各种波形的产生或变换。由555定时器组成的多谐振荡器输出的方波经C4耦合输出，如图5所示为RC积分5电路，再经R与C积分，构成接近三角波。其基本原理是电容的充放电原理。3.3三角波--正弦波转换电路设计图6三角波产生正弦波原理图用差分放大器作三角波—正弦波的变换电路，利用差分对管的饱和与截止特性进行变换。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。特别是做直流放大器时，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。通过RP调节三角波的幅度，R5用来减小差分放大器的线性区，C1为滤波电容，滤除谐波分量，改善输出波形。第四章基于Proteus的软件仿真4.1.Proteus软件介绍Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。Proteus软件自1989年问世至今，经历了近20年的发展历史，功能得到了不断的完善，性能越来越好，全球的用户也越来越多。PROTEUS之所以在全球得到应用，原因是它具有自身的特点和结构。PROTEUS电子设计软件由原理图输入模块、混合模型仿真器、动态器件库、高级图形分析模块、处理器仿真模型及PCB板设计编辑六部分组成。集原理图设计、仿真和PCB设计于一体，真正实现从概念到产品的完整电子设计工具.具有模拟电路、数字电路、嵌入式系统设计与仿真功能.具有全速、单步、设置断点等多种形式的调试功能.具有各种信号源和电路分析所需的虚拟仪表.支持KeilC51uVision2、MPLAB等第三方的软件编译和调试环境.具有强大的原理图到PCB板设计功能，可以输出多种格式的电路设计报表。拥有PROTEUS电子设计工具，就相当于拥有了一个电子设计和分析平台。基本操作步骤：1．打开PROTEUS操作界面。2．选择“P”，从元件库中提取需要的元器件（选中双击），选择完点OK。3．在编辑区画电路图,修改元件参数。4．进行电路仿真。5．保存文件。4.2.电路仿真过程与结果分析一、方波电路仿真总电路图的原理：555定时器接成多谐振荡器工作形式，C2为定时电容，C2的充电回路是R2→R3→RP→C2；C2的放电回路是C2→RP→R3→IC的7脚(放电管)。由于R3+RP》R2，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数，调节电位器RP可改变振荡器的频率二、方波-三角波电路仿真按图3所示元件参数，其频率为1KHZ作业，调节电位器RP可改变振荡器的频率。方波信号经R4，C5积分网络后，输出三角波。三、三角波—正弦波电路仿真三角波再经过R5，C6和R6、R7的积分后，输出近似的正弦波。C1是电源滤波电容。发光二极管作为电源指示灯，电路成功实现了方波－三角波－正弦波的功能。④电路仿真结果分析方波—正弦波方波测试结果要求误差峰峰值（V）2.0475V2V0.0475频率0.6KHz~11KHz20Hz~20KHz三角波测试结果要求误差峰峰值(V)1.92V2V-0.08频率0.6KHz~11KHz20Hz~20KHz正弦波测试结果要求误差峰峰值（V）3.824-0.18频率0.6KHz~11KHz0.2KHz~20KHz经过积分电路，正弦波比三角波相位落后接近180度，不断调节电阻RP，可见当RP增加时，输出波形频率减小，三角波，正弦波幅度也在增加，蛋三角波的线性程度变差，正弦波失真增大；当R减小时，输出波形频率增加，三角波的线性程度变好，但三角波，正弦波幅度减小。这些结果都与理论分析相一致。第五章总结通过对函数信号发生器的设计，我还深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接以及如何提高电路的性能等等。在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。提高我们的动手能力。本课题根据设计中要实现的功能，经过自己认真地分析、实践，确立方案，书写文档，设计出电路，在设计过程中翻阅了大量资料，通过对所得的各种资料的综合分析，提炼出自己需要的信息，从而提高自己的分析能力；通过对主要技术指标的分析，认真体会了设计时的各项技术政策；通过对设计时出现的各种问题的分析与解决，锻炼了独立分析，进行工程设计的能力；通过对电路设计中的某些问题的较为深入的探索，培养了自己的科研工作能力；通过设计论文的书写，进一步锻炼了绘图技巧，文字表达能力和对工作的认真态度。当然，在设计中遇到了一些实际困难，通过本人及同组同学多次查找参考资料，以及指导老师的悉心讲解，终于豁然开朗；通过这次设计不仅巩固了本专业的知识，加深了对课本知识的理解，为本人在这一学期所学专业知识做了一个系统的把握。这次课程设计也提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契，体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦，体会到成功来自于汗水，体会到成果的来之不易。