方波三角波正弦波

电子线路CAD课程设计报告
函数发生器的设计
专业：电子信息科学与技术
班级：电科二班
姓名：郭晓超
学号：2
指导老师：宋戈
电子通信与物理学院
日期：2015 年12 月31 日
指导教师评语
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2 设计内容
2.1 设计总方案2
2.2 设计目的2
2.3 设计要求任务3
2.4设计要求 (3)
3 原理图设计
3.1 总体电路原理框图4
3.2 各功能模块的设计5
3.3 总体电路原理图11
4 PCB板图设计
4.1布局与布线132
4.2本设计PCB板图14
5 总结14
6 参考文献15
1.绪论
在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。

用三角波，方波发生电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。

因此，本设计意在用LM324放大器设计一个产生方波—正弦波的函数转换器。

为了使这三种波形实现转换，需要设计一个电路将直流电转换成方波和三角波，继而将三角波转换成正弦波。

首先直流电源通过一个同相滞回比电路转换为方波，方波通过一个积分电路转换为三角波，最后经滤波电路（Rc振荡电路产生）转换为正弦波。

从而实现转换器的设计。

（关键字：放大、波形转换、积分）
2.设计内容
2.1 设计总方案
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，使用的器件可以是分立器件(如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。

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。

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。

本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，
本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：
由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。

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。

2.2 设计目的
1．掌握电子系统的一般设计方法
2．掌握模拟IC器件的应用
3．培养综合应用所学知识来指导实践的能力4．掌握常用元器件的识别和测试
5．熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法
2.3 设计任务
设计一个方波-三角波-正弦波的函数发生器
2.4设计要求
1．设计、组装、调试函数发生器
2．输出波形：正弦波、方波、三角波；
3．频率范围：在10－10000Hz范围内可调；
4．输出电压：方波UＰ－Ｐ≤24V，三角波UＰ－Ｐ＝8V，正弦波UＰ－Ｐ>1V；
3 原理图设计
3.1 总体电路原理框图
系统功能框图
3.2 各功能模块的设计
系统包含哪些模块？分模块设计电路原理图。

3.2.1方波发生电路的工作原理
此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。

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R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。

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，Uo 从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。

随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。

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。

3.2.2方波---三角波转换电路的工作原理
方波—三角波产生电路
工作原理如下：
若a 点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。

运放的反相端接基准电压，即U -=0，同相输入端接输入电压Uia ，R1称为平衡电阻。

比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc ，低电平等于负电源电压-Vee （|+Vcc|=|-Vee|）, 当比较器的U+=U -=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,
或者从低电平Vee 跳到高电平Vcc 。

设Uo1=+Vcc,则
m
o p U R R R U 21
32
T +±=±1
31
242)(4p p R R C R R R T ++=
31
2231231
()0CC ia R RP R U V U R R RP R R RP ++=
++=++++
将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia -为
22
3131
()CC CC ia R R U V V R RP R RP ---=
+=++
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
22
3131
()EE CC ia R R U V V R RP R RP +-=
-=++
比较器的门限宽度2
31
2
H CC ia ia R U U U I R RP +-=-=+
由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-71所示。

a 点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为21422
1
()O O U U dt R RP C -=
+⎰ 1O CC U V =+时，2422422()()()CC CC O V V U t t R RP C R RP C -+-=
=++
1O EE U V =-时，2422422
()
()()CC EE O V V U t t R RP C R RP C --=
=++
可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下图所示。

a 点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。

三角波的
幅度为2
231
O m CC R U V R RP =
+
方波-三角波的频率f 为
31
2422
4()R RP f R R RP C +=
+
由以上两式可以得到以下结论：
1. 电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。

若要求输出
频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。

2. 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc 。

三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc 。

电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。

3.2.3 三角波---正弦波转换电路的工作原理
三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。

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，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。

分析表明，传输特性曲线的表达式为：
22/1id T
C E U U aI I aI e ==
+
11/1id T
C E U U aI I aI e
-==
+ 式中 /1C E a I I =≈
0I ——差分放大器的恒定电流；
T U ——温度的电压当量，当室温为25oc 时，UT ≈26mV 。

如果Uid 为三角波，设表达式为
44434m id m U T t T U U T t T ⎧⎛⎫- ⎪⎪⎪⎝⎭=⎨
-⎛⎫⎪- ⎪⎪⎝⎭⎩022
T t T t T ⎛⎫≤≤ ⎪⎝⎭⎛⎫≤≤ ⎪⎝⎭
式中 Um ——三角波的幅度； T ——三角波的周期。

为使输出波形更接近正弦波，由图可见： （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Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电
路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。

电容C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

VCC
-12V
三角波—正弦波变换电路
3.2.4电路的参数选择及计算
1.方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一）
实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。

实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。

2.三角波-正弦波部分
比较器A1与积分器A2的元件计算如下。

由式（3-61）得2
231
O m CC R U V R RP =
+
即
2231
41
123O m CC U R R RP V ===+
取 210R K =Ω，则3130R RP K +=Ω，取320R K =Ω ，RP1为47K Ω的点位器。

区平衡电阻1231//()10R R R RP K =+≈Ω
由式（3-62）31
2422
4()R RP f R R RP C +=
+
即31
4122
4R RP R RP R C ++=
+
当110Z H f Z ≤≤H 时，取210C F μ=，则42(75~7.5)R RP k +=Ω，取4 5.1R k =Ω，为100K Ω电位器。

当10100Z H f Z ≤≤H 时 ，取21C F μ=以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。

取平衡电阻510R k =Ω。

三角波—>正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取345470C C C F μ===，滤波电容6C 视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，6C 可取得较小，6C 一般为几十皮法至0.1微法。

RE2=100欧与RP 4=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。

差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP 4及电阻R*确定。

3.3 总体电路原理图
4 PCB板图设计
4.1布局与布线
4.1.1 布局基本规则
本PCB板中，器件布局遵循了哪些基本规则？
元件布局基本规则1. 按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为一个模块，电路模块中的元件应采用就近集中原则，同时数字电路和模拟电路分开2.定位孔、标准孔等非安装孔周围1.27mm 内不得贴装元、器件，螺钉等安装孔周围3.5mm（对于M2.5）、4mm （对于M3）内不得贴装元器件。

3. 卧装电阻、电感（插件）、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路。

4. 元器件的外侧距板边的距离为5mm。

5. 贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm。

6. 金属壳体元器件和金属件（屏蔽盒等）不能与其它元器件相碰，不能紧贴印制线、焊盘，其间距应大于2mm。

定位孔、紧固件安装孔、椭圆孔及板中其它方孔外侧距板边的尺寸大于3mm。

7. 发热元件不能紧邻导线和热敏元件；高热
器件要均衡分布8. 电源插座要尽量布置在印制板的四周，电源插座与其相连的汇流条接线端应布置在同侧。

特别应注意不要把电源插座及其它焊接连接器布置在连接器之间，以利于这些插座、连接器的焊接及电源线缆设计和扎线。

电源插座及焊接连接器的布置间距应考虑方便电源插头的插拔。

9. 其它元器件的布置所有IC 元件单边对齐，有极性元件极性标示明确，同一印制板上极性标示不得多于两个方向出现两个方向时，两个方向互相垂直。

10、板面布线应疏密得当，当疏密差别太大时应以网状铜箔填充，网格大于8mil(或0.2mm)。

11、贴片焊盘上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虚焊。

重要信号线不准从插座脚间穿过。

12、贴片单边对齐，字符方向一致，封装方向一致。

13、有极性的器件在以同一板上的极性标示方向尽量保持一致4.1.2 布线基本规则
本PCB板中，器件布线遵循了哪些基本规则？
元件布线规则1、画定布线区域距PCB板边≤1mm的区域内，以及安装孔周围1mm内，禁止布线2、电源线尽可能的宽，不应低于18mil；信号线宽不应低于12mil；cpu入出线不应低于10mil（或8mil）；线间距不低于10mil3、正常过孔不低于30mil4、双列直插：焊盘60mil，孔径40mil1/4W电阻：51*55mil（0805表贴）；直插时焊盘62mil，孔径42mil无极电容：51*55mil（0805表贴）；直插时焊盘50mil，孔径28mil5、注意电源线与地线应尽可能呈放射状，以及信号线不能出现回环走线
4.1.3 PCB设计中的注意事项
本PCB板中，
在PCB电路板设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。

PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。

布线的方式也有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。

必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。

自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定，包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。

一般先进行探索式布经线，快速地把短线连通，然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线路径优化，它可以根据需要断开已布的线。

并试着重新再布线，以改进总体效果。

PCB电路板布局设计中格点的设置技巧设计在不同阶段需要进行不同的各点设置，在布局阶段可以采用大格点进行器件布局；对于IC、非定位接插件等大器件，可以选用50~100mil 的格点精度进行布局，而对于电阻电容和电感等无源小器件，可采用25mil的格点进行布局。

大格点的精度有利于器件的对齐和布局的美观。

4.2本设计PCB板图
5 总结
通过本次课程设计，将课本上的知识与实际应用相结合，使我对于电路，数电，单片机等方面的知识有了更加清晰的认识。

同时通过对protues软件的应用，加强了实践动手能力。

在实验设计过程中遇到的问题，通过询问辅导老师，上网查找资料，请教同学最后都得到了解决。

Protues软件功能的强大不仅仅是我们现在所知道的内容，只有不断的学习才能更加完善自我，掌握更多的知识，为以后的工作学习奠定基础
6 参考文献
电子线路CAD(西安电子科技大学出版社)
网上资料。