函数信号发生器设计(三角波、方波、正弦波发生器)

基于AT89C51的函数信号发生器设计设计团队：郭栋、陈磊、集炜、査荣杰指导老师：程立新2011-11-132目录1、概述................................................................................................................................32、技术性能指标................................................................................................................32.1、设计内容及技术要求.........................................................................................33、方案的选择....................................................................................................................33.1、方案一.................................................................................................................43.2、方案二.................................................................................................................63.3、方案三.................................................................................................................64、单元电路设计................................................................................................................64.1、正弦波产生电路.................................................................................................64.2、方波产生电路.....................................................................................................84.3、矩形波产生锯齿波电路...................................................................................995、总电路图......................................................................................................................106、波形仿真结果..........................................................................................................10106.1正弦波仿真结果..................................................................................................106.2矩形波仿真结果..................................................................................................116.3锯齿波仿真结果..................................................................................................117、PCB版制作与调试.....................................................................................................128、元件清单....................................................................................................................134结论..................................................................................................................................14总结与体会........................................................................................................................14参考文献......................................................................................................................15函数信号发生器31、概述信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。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。2、技术性能指标2.1、设计内容及技术要求：设计并制作一个信号发生器，具体要求如下：1、能够输出正弦波、方波、三角波；2、输出信号频率范围为10Hz——10KHz；3、输出信号幅值：正弦波3V，矩形波10V，锯齿波4V；4、输出矩形波占空比50%-95%可调，矩形波斜率可调。5、信号发生器用220V/50Hz的工频交流电供电；6、电源：220V/50Hz的工频交流电供电。按照以上技术完成要求设计出电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim进行必要的仿真，用PCB软件进行制板、焊接，然后对制作的电路完成调试，撰写设计报告测，通过答辩3、方案的选择根据实验任务的要求，对信号产生部分可采用多种方案：如模拟电路实现方案，数字电路实现方案，模数结合实现方案等。鉴于波形信号的产生和模拟联系紧密，我们用模拟电路实现方案。模拟电路的实现方案就是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。就此方案，4也有几种电路方式。3.1、方案一图1方波和正弦波产生电路用方波和三角波产生电路输出方波和三角波[1]，再通过三角波—正弦波转换器产生正弦波。方波和三角波发生器的工作原理：A1构成迟滞比较器同相端电位Vp由VO1和VO2决定。利用叠加定理可得：⑴当Vp＞0时，A1输出为正，即VO1=+Vz；当Vp＜0时，A1输出为负即VO1=-Vz。A2构成反相积分器VO1为负时，VO2向正向变化，VO1为正时，VO2向负向变化。假设电源接通时VO1=-Vz，线性增加。当：时，可得：⑵当VO2上升到使Vp略高于0V时，A1的输出翻转到VO1=+Vz。R1R2R3WR10K20K1K0.022FCPV01V02VZDZV50KA1A2NV0212201121VRRRVRRRVPZVRRV21020)()(21122121ZZPVRRRRRVRRRVZVRRV21025同样：时当VO2下降到使Vp略低于0时，VO1=-Vz。这样不断的重复，就可以得到方波VO1和三角波VO2。其输出波形如图2-6所示。输出方波的幅值由稳压管DZ决定，被限制在稳压值±Vz之间。电路的振荡频率：⑶方波幅值：=±⑷三角波幅值：=⑸调节可改变振荡频率，但三角波的幅值也随之而变化。图2方波和正弦波波形图3.2、方案二2014WRfRRC01VZV02V21RRWRZVZV12ZRVR12ZRVRt0VZV6图3信号发生器方框图用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用电压比较器产生方波，再经积分电路产生三角波，电路框图如图二。此电路结构简单，且有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生同步的三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数不变的，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。若要保持三角波的输出幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。而且方波占空比[2]和锯齿波幅度改变会同时引起其它波形的变化。3.3、方案三在方案二的基础上，我们添加方波产生电路作为锯齿波产生的信号源，解决了课程设计中提出的对锯齿波和矩形波调节而互不影响的要求4、单元电路设计4.1、正弦波产生电路采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于产生1Hz~1MHz的低频信号。因为对于RC振荡电路来说，增大电阻R即可降低振荡频率，而增大电阻是无需增加成本的。常用LC振荡电路[3]产生的正弦波频率较高，若要产生频率较低的正弦振荡，势必要求振荡回路要有较大的电感和电容，这样不但元件体积大、笨重、安装不便，而且制造困难、成本高。因此，200kHz以下的正弦振荡电路，一般采用振荡频率较低的RC振荡电路。常用的RC振荡电路有相移式和桥式两种。(1)RC移相式振荡器，具有电路简单，经济方便等优点，但选频作用较差，振幅不够稳定，频率调节不便，因此一般用于频率固定、稳定性要7求不高的场合。其振荡频率是f0=1/（2πRC）⑹(2)RC桥式振荡器将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC振荡电路，放大器件可采用集成运算放大器。我们在方案选择中，正弦波电路是最重要的部分，正弦波不仅是所需输出信号，而且是方波电路的输入信号。此部分电路我们采用的是典型的RC桥氏正弦波振荡电路如下图，其中R1、R2、R5及二极管D1、D2构成负反馈网络和稳幅环节。调节Rw可改变负反馈的反馈系数，从而调整放大电路的电压增益，是满足振荡的复制条件。二极管D1、D2为自动振幅元件，其作用是：当u0幅值很小时。二极管D1、D2相当于开路，此时有D1、D2和R组成的并联支路等效电阻较大，设R2、和R5、D1、D2并联支路的总等效电阻为Rf，则Rf也较大，所以Auf=（1+Rf/R1）3,有利于起振;反之当u0幅值较大时，D1、D2导通，并联支路的等效电阻下降，Rf也下降，所以Auf随之下降，如果此时Auf≈3，则u0幅值趋于稳定。另外，采用两只二极管反向并联，目的是使输出电压在正负两个半周期内轮流工作，使正半周和负半周振幅相等，这两只管子特性应相同。而RC串并联电路构成选频网络，同时兼作反馈环节，连接于集成运放的输出端和同向输入端之间构成正反馈，以产生正弦自激振荡。根据振荡器的频率，计算RC乘积的值，有RC=1/