波形发生器(课程设计)

波形发生器的设计

1．设计目的

（1）掌握用集成运算放大器构成正弦波、方波和三角波函数发生器的设计方法。

（2）学会安装与调试由分立器件与集成电路组成的多级电子电路小系统。

2．设计任务

设计一台波形信号发生器，具体要求如下：

（1）输出波形：正弦波、方波、三角波。

（2）频率范围：3Hz －30Hz ，30Hz －300Hz ，300Hz －3KHz ，3KHz －30KHz 等4个波段。

（3）频率控制方式：通过改变RC 时间常数手控信号频率。

（4）输出电压：方波峰—峰值V U pp 24≤；三角波峰-峰值V 8U pp =，正弦波峰

-峰V 1U pp >。

3.设计要求

（1）完成全电路的理论设计

（2）参数的计算和有关器件的选择

（3）PCB 电路的设计

（4）撰写设计报告书一份；A3 图纸2张。报告书要求写明以下主要内容：总体方案的选择和设计 ；各个单元电路的选择和设计；PCB 电路的设计

4、参考资料

（l ）李立主编. 电工学实验指导. 北京：高等教育出版社，2005

（2）高吉祥主编. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2004

（3）谢云，等编著.现代电子技术实践课程指导.北京：机械工业出版社，2003

目录

一. 设计的方案的选择与论证 (3)

1.1 设计方案 (3)

1.1.1 设计方案1 (3)

1.1.2 设计方案2 (4)

1.1.3 设计方案3 (5)

1.2 方案选择 (6)

二. 单元电路的设计 (6)

2.1 方案设计 (6)

2.1.1 正弦波电路 (6)

2.1.2 方波电路 (11)

2.1.3 三角波电路 (12)

2.2 参数的选择 (13)

三、仿真 (14)

3.1 软件介绍 (14)

3.2 仿真的过程与结果 (15)

四、PCB制版 (15)

4.1 软件简介 (15)

4.2 PCB电路板设计步骤 (20)

五、总结与心得 (21)

六、附录 (22)

6.1 材料清单 (22)

6.2 原理图 (23)

6.3 PCB板图 (24)

七、参考文献 (25)

一．设计方案的选择与论证

产生正弦波、三角波、方波的电路方案有多种。

由于本次设计要求频率并未超过1MHz，因此正弦波的产生可以通过RC桥式正弦波振荡电路产生，也可以通过滤波法或折线法对三角波进行变换来产生，或者利用差分放大电路实现三角波-正弦波变换。

三角波一般通过积分电路对方波进行变换来获得。

方波一般通过电压比较器来产生。

综上可以得出两种设计方案：

（一）设计方案

1.1.1 设计方案1

由三角波，方波发生器产生三角波和方波信号，然后通过转换电路将三角波转换成正弦波信号，其电路框图如下所示：

比较器积分器正弦波变换器

图一、方案一原理框图

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。

图二、差分放大电路

但是相对于正弦波振荡电路来说，此方案较为复杂，且对器件要求较高。

1.1.2 设计方案2

首先产生正弦波，再由过零比较器产生方波，最后由积分电路产生三角波。正弦波通过RC串并联振荡电路（文氏桥振荡电路）产生，利用集成运放工作在非线性区的特点，由最简单的过零比较器将正弦波转换为方波，然后将方波经过积分运算变换成三角波。其电路框图如下图所示：

正弦波变换器过零比较器积分器

图三、方案二原理框图

1.1.3设计方案3

利用ICL8038单片集成电路来产生高精度正弦,方形,三角, 锯齿波和脉冲波形，其原理框图如下图所示

图四、方案三原理框图

1.2方案选择

最终整体方案选择方案2，主要是由于方案１中的正弦波变换器多为差分电路，然而差分电路较为复杂，而且对器件要求较高，方案三中的ICL8038单片集成电路造价较高，因此，综合考虑之后选择方案2。

二．单元电路设计

2.1方案设计

2.1.1 正弦波发生电路

(1)方案一、RC 振荡电路

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。

RC 串并联网络的频率特性可以表示为：

)ω1ω(31ω1ω1ω1212RC RC j RC j R C j R RC j R f

Z Z Z U

U F +=++++=+==••• 令 RC o 1ω=，则上式可简化为 )-(ω

ωωω31O O j F +=•

以上频率特性可分别用幅频特性和相频特性的表达式表示如下：

| F •

|)ω

ω-ωω(3122o o +=

)-(3

ωωωωarctan o

o = 根据上式可以分别画出RC 串并联网络的幅频特性和相频特性。

RC 正弦波振荡电路示意图：

图五、RC 正弦波振荡电路

根据RC 串并联网络的选频特性及上述平衡条件容易得到RC 正弦波

振荡电路的振荡频率为：

RC f

o π21=；