模拟电子技术课程设计波形发生器

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烟 台 南 山 学 院

模拟电子技术课程设计

题目 波形发生器

姓 名： 孙道坤

所在学院：计算机与电气自动化学院

所学专业： 自动化

班 级 自动化1202

学 号 201202022021

指导教师： 刘新红

完成时间： 2013年12月

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模电课程设计任务书

一、基本情况

学时：40学时 学分：1学分 课程设计代码：07120102 适应班级：电气工程、自动化

二、进度安排

本设计共安排1周，合计40学时，具体分配如下： 实习动员及准备工作： 2学时 总体方案设计： 4学时 查阅资料，讨论设计： 24学时 撰写设计报告： 8学时 总结： 2学时 教师辅导： 随时

三、基本要求

1、课程设计的基本要求

模电课程设计是在学习完模拟电子技术课程之后，按照课程教学要求，对学生进行综合性训练的一个实践教学环节。主要是培养学生综合运用理论知识的能力，分析问题和解决问题的能力，以及根据实际要求进行独立设计的能力。初步掌握模拟电子线路的安装、布线、焊接、调试等基本技能；熟练掌握电子电路基本元器件的使用方法，训练、提高读图能力；掌握组装调试方法。其中理论设计包括总体方案选择，具体电路设计，选择元器件及计算参数等，课程设计的最后要求是写出设计总结报告，把设计内容进行全面的总结，若有实践条件，把实践内容上升到理论高度。 2、课程设计的教学要求

模电课程设计的教学采用相对集中的方式进行，以班为单位全班学生集中到设计室进行。做到实训教学课堂化，严格考勤制度，在实训期间累计旷课达到6节以上，或者迟到、早退累计达到8次以上的学生，该课程考核按不及格处理。在实训期间需要外出查找资料，必须在指定的时间内方可外出。

课程设计的任务相对分散，每3名学生组成一个小组，完成一个课题的设计。小组成员既有分工、又要协作，同一小组的成员之间可以相互探讨、协商，可以互相借鉴或

参考别人的设计方法和经验。但每个学生必须单独完成设计任务，要有完整的设计

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资料，独立撰写设计报告，设计报告雷同率超过50%的课程设计考核按不及格处理。

四、设计题目及控制要求

设计制作一台能产生方波、三角波和正弦波的波形发生器。 要求：

①输出波形频率范围为0.02Hz∽20kHz且连续可调； ②正弦波幅值为±10V，失真度小于2%；③方波幅值为10V； ④三角波峰-峰值为20V； ⑤各种波形幅值均连续可调。

五、设计报告

设计完成后，必须撰写课程设计报告。设计报告必须独立完成，格式符合要求，文字（不含图形、程序）不少于2000字，图形绘制规范。设计报告的格式如下：

1、封面 2、内容提要 3、目录 4、正文

(1) 所作题目的意义、本人所做的工作及系统的主要功能； (2) 方案选择及论证；(3) 元器件的选择； (4) 设计过程中出现问题的解决方法； 5、心得体会 6、参考文献

六、考核方法

模电课程设计的考核方式为考查，考核结果为优秀、良好、中等、及格和不及格五等，分数在90-100之间为优秀，80-89分之间为良好，70-79分之间为中等，60-69分之间为及格，60分以下为不及格。

考核分三个方面进行：平时考勤：30%；实验及设计成果质量：40%；课程设计报告：30%。

有下列情形之一者，课程设计考核按不及格处理：

1、设计期间累计迟到、早退达8次；2、设计期间累计旷课达6节；

3、设计报告雷同率超50%或无设计报告；4、不能完成设计任务，达不到设计要求。

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摘 要

当今世界在以电子信息技术为前提下推动了社会跨越式的进步，科学技术的飞速发展日新月异带动了各国生产力的大规模提高。由此可见科技已成为各国竞争的核心，尤其是电子通信方面更显得尤为重要，在国民生产各部门都得到了广泛的应用，而各种仪器在科技的作用性也非常重要，如信号发生器、单片机、集成电路等。

信号发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。常用超低频信号发生器的输出只有几种固定的波形，有方波、三角波、正弦波、锯齿波等，不能更改信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用LM324振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。

本系统本课题将介绍由LM324集成电路组成的方波—三角波—正弦波函数信号发生器的设计方法，了解多功能函数信号发生器的功能及特点，进一步掌握波形参数的测试方法，制作这种低频的函数信号发生器成本较低，适合学生学习电子技术测量使用。制作时只需要个别的外部元件就能产生正弦波、三角波、方波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。 关键字：信号发生器、波形转换、LM324

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目 录

1 绪论 ................................................................................................................... 1 1.1 课题背景 .................................................................................................... 1 1.2波形发生器简介 .......................................................................................... 1 2 系统方案设计 .................................................................................................... 2 2.1 设计任务和要求 ......................................................................................... 2 2.2 设计目的 .................................................................................................... 2 2.3 设计思路 .................................................................................................... 2 3 各单元工作原理 ................................................................................................ 4 3.1波形发生器 .................................................................................................. 4 3.2 方波—三角波转换电路.............................................................................. 5 3.3三角波—正弦波转换电路 ........................................................................... 7 总结 ....................................................................................................................... 8 参考文献 ............................................................................................................... 9 附录 ..................................................................................................................... 10

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1 绪论

1.1 课题背景

信号发生器是一类非常重要的电子仪器，在做实验、进行产品研制和调试以及系统测试中都是必不可少的，而一般的信号发生器是由硬件组成的，它的输出频率范围宽，各项指标高，性能优良，因而在对输出波形要求较高的地方被广泛采用。这种仪器的缺点是电路复杂，成本高，输出波形种类不多，不够灵活。在对波形指标要求不高、频率要求较低的场合，可以用单片机构成一个波形发生器，产生所需要的各种波形．这样的函数发生器靠软件产生各种波形，小巧灵活，便于修改，且成本低廉，容易实现。但受单片机工作频率的限制，它所构成的波形发生器的输出频率较低，各项指标也都不太高，只能用于对波形要求不高的场合。

1.2波形发生器简介

波形发生器是一种数据信号发生器，在调试硬件时，常常需要加入一些信号，以观察电路工作是否正常。用一般的信号发生器，不但笨重，而且只发一些简单的波形，不能满足需要。例如用户要调试程序时，就要在计算机上写好一段程序，再用线连接计算机和用户实验板，如果不正常，不知道是通讯线有问题还是程序有问题。用E2000/L的波形发生器功能，就可以定义串口数据。通过逻辑探勾输出，调试起来简单快捷。

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2 系统方案设计

2.1 设计任务和要求

设计制作一台能产生方波、三角波和正弦波的波形发生器。 要求：

①输出波形频率范围为0.02Hz∽20kHz且连续可调； ②正弦波幅值为±10V，失真度小于2%； ③方波幅值为10V； ④三角波峰-峰值为20V； ⑤各种波形幅值均连续可调。

2.2 设计目的

1．巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识能力。

2．培养根据课题需要选学参考书籍，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。

3．通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件。

4．了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。

5． 培养严肃、认真的工作作风和科学态度。

2.3 设计思路

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。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。由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路如图2.1所示：

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图2.1 设计框图

系统设计电路总图如图2.2所示：

图2.2系统设计电路总图

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3 各单元工作原理

3.1波形发生器

因为方波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平（如图3.1所示），所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈---正反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。方波电压状态如图3.1所示：

图 3.1 方波电压状态

此电路由反相的输入比较器和RC电路组成（如图3.2所示）。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+Ut。Uo通过R1对电容C正向充电。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，从Uo=+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R1对电容C反向充电。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

方波发生电路如下图3.2所示：

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图3.2 方波发生器电路图

方波仿真图如下图3.3所示：

图3.3方波仿真图

3.2 方波—三角波转换电路

当方波发生电路的输出电压Uo=+Uz时，积分运算电路的输出电压Uo将线性下降；而当Uo=-Uz时，Uo将线性上升。积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压Uo1，而且Uo1不是+Uz，就是-Uz。设初态时正好从-Uz跃变为+Uz，则积分电路反向积分，Uo随时间的增长线形下降，一旦Uo=-Ut，再稍减小，Uo1将从+Uz跃变为-Uz。积分电路正向积分，Uo随时间的增长线形增大，一旦Uo=+Ut，再稍增大，Uo1将从-Uz

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跃变为+Uz，回到初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程，因此产生自激振荡，三角波发生电路如图3.4所示：

图3.4方波—三角波发生电路

方波-三角波波形如图3.5和仿真图图3.6所示：

图3.5方波-

三角波波形

图3.6方波-三角波仿真图

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3.3三角波---正弦波转换电路

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，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。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。

正弦波电路如图3.7所示：

图3.7正弦波电路

为使输出波形更接近正弦波：

（1） 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。

（2） 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

（3） 图为实现三角波——正弦波变换的电路。其中R4和R12调节三角波的幅度，

R13调整电路的对称性。电容C1为隔直电容，C2和C3为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

（4） 正弦波电路仿真图3.8：

图3.8正弦波电路仿真

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总结

经过一个星期的课程设计，收获了挺多的。一个星期大都是在图书馆或是电脑上花费的，主要是查找实验相关的资料并设计出合理的实验方案，单就方案设计就让人头疼，不过依靠现在发达的科技以及图书馆的丰富的资料，终于设计出了合理的方案。

方案设计都还是挺顺利的，在刘老师的检查下，方案得到了刘老师的认可，接下来便是设计方案。在这方面，存在挺多问题的，像是电路的设计，元件的选择都挺难的，总之要细心加耐心。在刘老师的指导下，我们改变了电路中电容的值，经过老师的多次指导，频率范围变宽了，基本达到了要求。在这次设计课我懂的了，很多东西，明白耐心，细心的重要，也体会了自己创造的成果带来的喜悦，也明白很多知识，知道自己在那些方面存在着不足，通过这次得已明白。也明白了只有理论和实践结合起来才是最终的目的。对一学期以来所学的电子方面的知识也重新学习和复习了一遍，也对自己在模拟电子方面能力有了更客观的认识和评价。在这次设计过程中，从最基本的查元件，找资料做起，了解了完整的电子设计的一般步骤，也和同学们共同探讨，学到了很多课堂上学不到的东西，也遇到了各种各样从没想过的问题，通过请教老师，和同学交流，并真的解决了它们，可以说是为我们 以后在电子领域的发展做了一些有益的尝试，同时也使我增加了对电子方面知识的兴趣，也从中发现了自己的一些不尽如人意的地方，以后要多改进。最后，在这里也非常感谢指导老师，感谢老师的耐心指导。

这次课设实验感受挺多的，其实整个阶段挺快乐，同时让我明白了只有实践了，你才能得出正确的答案，而理论，你只能当做参考，理论得到实践才是真知。

这次课程设计的经历将是作为财富而不仅仅是经验。课程设计就是将理论知识在实际中验证，应运于实际这才是学习的目的。

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参考文献

1.杨素行主编. 模拟电子技术基础简明教程（第三版）.清华大学，高等教育出版社.2005.10

2.李万臣主编．模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，2001.3 3.胡宴如主编. 模拟电子技术. 北京. 高等教育出版社，2000

4.邓谦、刘清平、张琦、黄丽贞主编.电子技术事件2(低频电子线路)实验指导书.2003.10

5.《电子设计应用》2009年第5期 国家一级科技期刊.2009.5 6.《电子器件》2009年第32卷 第3期 中国科技核心期刊.2009.3 7..《电子线路课程设计》北京.电子工业出版社.2003.2

8..童诗白主编．模拟电子技术基础（第四版）．北京. 高等教育出版社.2005.12

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附录

附录1

附录2

LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器，芯片外观如图1所示。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

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图1外观图

4和11为直流电源输入管脚，图中有四组运放，每组运放的功能和特点均相同，使用时可以任选其一。例如，2和3管脚分别是信号反相和同向输入端，1管脚是信号输出端。使用时注意若芯片发烫，则此组运放可能已经烧坏，可以改用另一组运放使用。

LM324的引脚排列如图2所示：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/16nj.html