课程设计 方波信号发生器设计

目录
一、概述 (2)
二、技术性能指标 (2)
2.1设计内容及技术要求 (2)
2.2设计目的 (3)
2.3设计要求 (3)
三、方案的选择 (3)
3.1方案一 (4)
3.2方案二 (5)
3.3最终方案 (6)
四、单元电路设计 (6)
4.1矩形波产生电路 (6)
4.2三角波产生电路 (9)
4.3正弦波产生电路 (11)
五、总电路图 (13)
六、波形仿真结果 (13)
6.1矩形波仿真结果 (13)
6.2三角波仿真结果 (14)
6.3正弦波仿真结果 (15)
6.4三种波形同时仿真结果 (15)
七、PCB版制作与调试 (16)
结论 (17)
总结与体会 (18)
致谢 (18)
附录1 元件清单 (19)
附录2 参考文献 (20)
函数信号发生器设计报告
一、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。

二、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1——10Hz，10——100Hz；
3、输出信号幅值：方波Up-p=24V，三角波Up-p=0——20V，正弦波U>1V；
4、波形特征：方波Tr<10s（100Hz，最大输出时），三角波失真系数THD<2%，正弦波失真系数THD<5%；
5、电源：±13V直流电源供电；
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PROTEL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。

2.2设计目的
电子电路设计及制作课程是电子技术基础课程的实践性教学环节，通过该教学环节，要求达到以下目的：
1、使学生进一步掌握模拟电子技术的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力；
2、使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力；
3、熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。

2.3设计要求
1、设计时要综合考虑实用、经济并满足性能指标要求；
2、必须独立完成设计课题；
3、合理选用元器件；
4、按时完成设计任务并提交设计报告。

三、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，也有几种电路方式。

3.1 方案一
R 1R 2R 3W R 10K Ω20K Ω1K Ω0.022F μC P
V 01
V 02
V Z D Z
V ±50K ΩA 1A 2N
V 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，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V01和VO2决定。

利用叠加定理可得： 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：
当Vo2上升到使Vp 略高于0V 时，A1的输出翻转到Vo1=+Vz 。

021*******V R R R V R R R V P +++=Z V R R
V 2102=0)()(2
1122121=++-+=Z Z P V R R R R R V R R R V
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：
C R R R f W o ∙∙=
42 方波幅值：Z O V V ±=1
三角波幅值：
CC O V R R V 212= 调节W R 可改变振荡频率，但三角波的幅值也随之而变化。

Z V +Z
V -12
Z R V R +12
Z R V R -t
0V
图2 方波和正弦波波形图 3.2 方案二
Z V R R V 2
102-=Z
V
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最终方案
在方案一、方案二的基础上，我们改进了方波、三角波自激振荡电路，并以RC桥式振荡电路产生并输出正弦波，解决了课程设计中提出的对方波、三角波和正弦波调节而互不影响的要求。

四、单元电路设计
4.1矩形波产生电路
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。

矩形波产生电路如图4所示：
图4 矩形波产生电路
方波-三角波转换工作原理分析图如图5、图6所示：
图5 方波-三角波转换工作原理分析图
图6 方波-三角波转换工作原理分析图
此电路的工作原理：
若a 点断开，运算发大器Uo1与R1、R2及R3、R4组成电压比较器，C4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 ()0)(432434322=++++++++=+ia CC U R R R R R V R R R R U
将上式整理得，比较器翻转的下门限单位Uia-为 ()CC CC ia V R R R V R R R U 432432+-=++-=-
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
()CC EE ia V R R R V R R R U 432432+=-+-=+
比较器的门限宽度
CC ia ia H V R R R U U U 4322+=-=--
由以上公式可得比较器的电压传输特性。

4.2 三角波产生电路
三角波产生电路如下图：
图7 三角波产生电路
a 点断开后，集成运算放大器U2与R5、R6、C1、C2、C7及R7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：
⎰+-=dt u C
R R u o o 1652)(1 CC o V u +=1时，t C R R V t C R R V u CC CC o )()()(65652+-=++-=
EE o V u -=1时，t C
R R V t C R R V u EE EE o )()()(65652+=+--= 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。

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-三角波的幅度为 CC O V R R R U 4322+=
方波-三角波的频率f 为：
C R R R R R f )(465243++=
电路中稳压管D1、D4的作用是防止由于电路故障导致输出电压过大从而击穿电容造成电容不可逆转的损坏，稳压管的稳定电压应该大于三角波输出的最大幅值，此处选用型号为1N4740A 的稳压二极管，击穿电压为10V ；电路中R5是为了保证三角波的输出频率最大为100Hz ，滑动变阻器R6的作用是使输出频率在1——100Hz 之间可调，经计算取R5=10k Ω，R6=100k Ω；集成运放的同相输入端所接电阻R7为平衡电阻，经计算R7≈10k Ω；输出端串联一个470uF 的电解电容和一个100k Ω的滑动变阻器，电解电容用来滤除杂波，只输出交流的三角波，滑动变阻器用来调节输出三角波的幅值。

4.3 正弦波产生电路
采用RC 串并联选频网络构成的振荡电路称为RC 桥式振荡电路，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 、电容C 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。

我们在方案选择中，正弦波电路是重要的部分，为了保证正弦波输出的频率和幅值稳定且可调，我们选择了单独的RC 桥式振荡电路产生并输出稳定的正弦波。

此部分电路我们是典型的RC 乔氏正弦波振荡电路的基础上加以改进，电路图如下图，其中R10、R12、R13、R17及二极管D5、D6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，是满足振荡的必要条件。

根据振荡器的频率，计算RC 乘积的值，有
o
f RC π21= 已知给出fo=1Hz ——100Hz ，则RC=1.59*10-5——
1.59*10-2，为了使选频网络的特性不受运算放大器输入电阻和输出电阻的影响，按Ri>>R>>Ro 的关系选择R 的值，为了计算方便，初选R=159.2k Ω，则C=100nF ——1uF ，我们采用双层波段开关两
组两支容值相差10倍的电容，则C4=C5=1uF，C8=C9=100nF。

为了实现仿真，根据运算放大器的技术参数，并且结合经济性，运算放大器为uA741。

为了防止由于电路故障输出电压过大，在输出端并联接入两个串联的反向稳压管，且稳压管的稳定电压高于正弦波输出的最大幅值6V，故选用稳压值为10V的稳压管10BQ015。

由于稳压管正常工作时需要串联一个分压电阻，故在输出端串联入一个1KΩ的电阻。

正弦波产生电路如图8。

图8 正弦波产生电路
为了保证电路的输出信号频率能达到要求，选择R=15.92kΩ的固定电阻和Rw=143.28kΩ的滑动电阻的组合来达到调整输出
信号的频率。

输出时，为了防止电路由于故障输出电压太大导致负载不可逆转的损坏，在输出端并联接入了一对反向的稳压管，且稳压管的稳定电压大于输出正弦波的最大值。

以滑动变阻器的可滑动端作为输出端，使输出电压稳定可调。

五、总电路图
图9 函数信号发生器总电路图
六、波形仿真结果
6.1矩形波仿真结果
图10 矩形波仿真图
图11 矩形波失真（转换时间）由图知，矩形波转换时间为t=98.295ns。

6.2三角波仿真结果
图12 三角波产生图
6.3正弦波仿真结果
图13 正弦波仿真图6.4三种波形同时仿真结果
图14 三种波形仿真图
七、PCB版制作与调试
1、PCB设计。

PCB板的制作是运用Protel 软件来绘制，利用Protel制板的基本流程：准备原理图，设置PCB设计环境，载入网络表，并纠正网络表的宏错误，布线规则设置，布线，PCB 的优化，DTC检查，保存文件与输出。

准备原理图：根椐所画的电路图，在元件库中查找到所要求的元件符号，在Protel中绘制出原理图，在选择元件的时候特别要注意元件的封装是否符合所需的封装要求。

布线设置主要设置线宽为10mil、孔大小为30mil，采用顶层、底层双层布线，其他为默认设置。

布线采用双面板布线。

布线原则：逻辑清晰、接线牢固、测试方便、美观大方。

PCB的优化主要设置焊盘的大小与某些线的宽度及布线的路径。

焊盘一般采用圆框直径为6mm，孔直径大小为3mm。

DTC检查的主要任务是对先前的设计规则进行检查,查看是否有违反规则的地方,如实际线宽是否比规则设置中的最大值还大或小,是否还存在没有彻底布通的网络等。

保存文件与输出是保存设计中的各种文件，并打印输出，包括PCB文档、元件清单等。

设计工作结束。

打印时可以把孔打印成实心，可以自己控制孔的大小方便打孔。

2、热转印，通过打印机PCB图打印到热转印上，然后选择大小合适的铜板，将铜板表面打磨干净之后，用带有PCB图的那一面同铜板贴紧，经过热转印机，温度约120度，转印三次，即把热转印纸上的PCB图转印到铜板上。

3、腐蚀，腐蚀这一过程是电路板成功的关键，将腐蚀液倒入腐蚀机加热至75度后，将已经热转印的铜板放入腐蚀机进行腐蚀，腐蚀时间约一分钟即可。

拿出洗净后如果没有发现断线、短路等情况即可。

4、焊接元件，根据原理图，在PCB板上焊接元件。

焊接时要特别注意不要出现虚焊、短路等，元件的正负极反接、错接。

图15 PCB板正面
图16 PCB板反面
结论
此电路能够同时产生较好的正弦波和矩形波和三角波，而三种波都可调频率，矩形波、三角波和正弦波的
频率分别可调且不相互影响，但是矩形波和三角波的频率时刻相同，不可分开来调节。

在选择方案时，也有更简单的方案，但是考虑到仿真结果和实际器件时剔除了，最后器件的选择是根据最简原则和从经济性方面考虑的，并且此电路实现了这次设计的最终目的。

但是如果用于实际，部分器件应该根据实际情况加以改变。

总结与体会
经过三周的课设，终于达到了此次课设的目的，成功的做出了函数信号信号发生器。

虽说过程有点曲折，有点累，但是最后得到了理想的结果，心里还是很高兴的。

此次课程设计设需要有最终方案的选择，自己通过比较，仿真软件的仿真最终选择了最优的方案，经过小组成员的努力，不断地查阅资料，终于做出了满意的方案，这很好的锻炼了我们的自学能力。

并且在PCB制板和仿真过程中，也遇到了各种各样的问题，但是经过仔细的分析电路，同时与同学讨论，经过各种调试，得出了最终仿真结果。

使自己的理论知识和动手能力都有了很大的提高。

致谢
经过三周的课设，使我们认识到，书本上的知识往往和实际不一样，只有经过自己亲自动手，才能最终的理解理论知识。

在此，首先感谢学校给我们这个机会，
还有就是感谢电子信息工程系所有指导老师，最后感谢冉小英指导老师，是她让我们的设计方案由不完整到完整，直到最后的成功。

附录1 元件清单
表一元件清单
元器件型号数量
芯片uA741 3
二极管1n4001 2
稳压管1N4742A 2
稳压管1N4740A 2
稳压管10BQ015 2
电解电容470uF 2
瓷片电容10uF 1
瓷片电容1uF 3
瓷片电容100nF 2
电阻20k 1
电阻16k 1
电阻15.92k 2
电阻15k 1
电阻10k 5
电阻1k 2
同轴电位器143.28k 2
电位器100k 3
电位器50k 1
电位器2k 1
双刀双掷开关 1
单刀三掷开关 1
直流电源+13V 1
直流电源-13V 1
附录2 参考文献
[1]康华光主编.电子技术基础（模拟部分）第五版[M].北京：高等教育出
版社.2006.1.
[2]康华光主编.电子技术基础（数字部分）第五版[M].北京：高等教育出
版社.2006.1.
[3]邱关源原著.电路第四版.北京:高等教育出版社[M].2006.
[4]吴运昌主编.模拟集成电路原理与应用[M].华南理工大学出版社.1995
[5]张庆双主编.实用电子电路200例 [M].北京：机械工业出版社，2003.4
[6]童诗白、华成英主编.模拟电子技术基础（第四版）.北京教育出版社
2011.11
[7]王力、张伟编著.Protel 99SE典型实例.人民邮电出版社.2006.12
[8]罗杰、谢自美主编.电子线路设计实验测试（第4版）.2008.4。