1、上海工程技术大学 课程设计报告 课程设计名称： 电子技术课程设计 专 业 班 级 ： 自动化 学 生 姓 名 ： 学 号 ： 指 导 教 师 ： 课程设计时间： 2012/12/28 2 目 录 0 引言 . 3 1 设计任务及要求 . 3 2 设计方案 . 4 2.1 设计思路 . 4 2.2 设计原理 . 7 2.3 芯片的原则 10 2.4 参数设计 13 2.5 附加功能设计 . 14 3 电路的仿真分析 15 4 制作与调试 17 4.1PCB 板的仿真制作 . 17 4.2 电路的焊接调试 . 19 5 思路拓展 24 6 心得体会 25 7 参考文献 27 8 附录 27 3 由
2、集成运放组成的波形发生器设计 0 引言 对于一个电子产品来说，无论从构思、设计、到选材、制作、调试的过程所涉及的知识面都很广；加上电子技术的发展异常迅速，新的电子器件的功能在不断提升，新的设计方法不断发展，新的工艺手段层出不穷，它们对传统的设计、制作方法提出了新的挑战。但对于初次涉足电子产品的设计、制作的我们来说，了解并实践一下电子产品的设计、制作的基本过程是很有必要的。 1 设计任务及要求 利用集成运放组成电路 设计方波 三角波 正弦波函数信号发生器 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
3、U 24V，三角波 U 8V，正弦波 U 1V； 要求提供：用集成运放设计原理图， 参数的计算，仿真波形，提供实物模型。 关于函数发生器，一般指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器。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。现在我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证经济、方便、优化的设计策略。按照设计的方案选择具
4、体的原件，焊接出具体的实物图，并在 实验室对焊接好的实物图进行调试，观察效果并与最初的设计要求的性能指标作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。 2 设计方案 4 2 1 设计思路 依据题目要求本课题需利用集成运放并且先产生方波 三角波，再将三角波变换成正弦波的设计方法设计波形发生器，可采用多种方法来实现波形间的相互整流，由于题目要求先利用电路的自激震荡产生方波，所以下一步可以利用积分器来将方波整形成三角波，所得三角波可以利用查分放大法（如图 2 所示）、折线法 （如图 3 所示）， 低通滤波器法 （如图 4 所示） 等方法进行整形，然而每种方法都有各自的优点和 不足。 首先，对于 差分放
5、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，波形变换的原理则是利用差分放大器传输特性曲线的非线性，然而在仿真时发现差分放大法得到的正弦波输出非常受方波震荡频率的影响，要想使正弦波的峰峰值达到 U 1V，则需要原件参数很不符合实际，考虑到最终元件的限制以及差分放大电路对焊接技术的较高要求所以最终放弃；其次利用了折线法对三角波进行整形分析，根据正弦波与三角波的差别，将三角波分成若干段，按 不同比例衰减，就可以得到近似于正弦波的折现化波形，折线法的优点是不受输入电压频率范围的限制，便于集成化，缺点是反馈
6、网络中电阻的匹配比较困难，得到的波形不太理想；所以最终选择了利用低通滤波器来达到题目的要求，虽然低通滤波器的缺点是所要求三角波波形为固定频率或者频率变化范围很小，但是最后还是利用分不同档级的方法拓宽了它的可实现频带，达到了题目要求。 所以在经过所有综合因素的考虑后，最终选定了利用低通滤波器的方法来实现将三角波整形成正弦波，函数发生器电路组成框图如图 1所示。 设计开头由滞回比较器和积分器组成方波 三角波产生电路，滞回比较器输出的方波经积分器得到三角波，最后三角波到正弦波的变换电路主要由低通滤波器来完成。 5 图 1 函数发生器电路组成框图 图 2 查分放大法电路原理图 6 图 3 折线法电路原
7、理图 图 4 低通滤波器法电路原理图 7 2 2 设计原理 图 5 方波、三角波发生电路 在如图 5所示方波、三角波发生电路中，左边为同相输入滞回比较器，右边为积分运算电路， 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， R1 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 -Vcc, 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 -Vcc,或者从低电平-Vcc 跳到高电平 Vcc。则 滞回比较器的输入电压是积分电路的输出电压 U02，根据叠加原理，集成运放 U1同相输入端
8、电位 令，因为方波的幅度应等于电源电压 +Vcc,所以 则阈值电压 右侧运放 U2 与 R4、 RP2、 C1 及 R7 组成反相积分器，其输入信号为方波 Uo1，8 则积分器的输出 Uo2 为 所以，比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，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，其波形关系如图 7所示，三角波的幅度为 ，方波 -三角波的频率 f 为 ,故可知方波的输出幅度等于电源电压Vcc，三角波的输出幅度不会超过电源电压 Vcc ，并且电位器 RP1可实现三角波的幅值调节，但也会影响方波 -三角波的频率；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
9、的幅度，可实现对方波、三角波频率的调节，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。 图 6 滞回比较器原理图 图 7 方波 -三角波积分变换 在三角波电压为固定频率或频率变化范围很小的情况下，可以考虑采用低通滤波（或带通滤波）的方法将三角波变为正弦波，电路框图如图 8所示，输入电压和输出电压的波形如图 9所示， U0的频率等于 U1基波的频率，将三角波按傅里叶级数展开 其中 Um 是三角波的幅值，根据上式可知，低通滤波器的通带截止频率应大于三角波的基波频率且小于三角波的三次谐波频率，所以由于题目要求频带范围较窄，故电路的后半部分采用低通滤波器整流 ,如图 1
10、0 所示，其传递函数 9 用 j取代 s,且令 ,得出电压放大倍数 ,式中 f0为特征频率，令 f=0,可得通带放大倍数 ,当 f=f0时，故通可得带截止频率 fp=f0。 图 8 低通滤波器电路框图 图 9 低通滤波器波形分析 由于一阶低通电路可整流波形频带较窄，为了符合 10Hz10KHz 的题目要求 ,故采用分档位法来展宽其频带，所以最终利用 multisim仿真电路如图 4所示。 图 10 一阶低通电路原理图 10 2 3 芯片的选择 电路中一共采用了 3片集成运放，开始选用 741运放作为实验运放，但是利用 protues仿真发现其在高频段方波失真严重，变为梯形波 (如图 11所示
11、)，三角波随之也失真，查资料发现是由 741 运放性能 很 差 造成的， 其转换速率 很低，仅 为 0.5V/us，如果方波 是高频大幅度的波形，输出波形 则会 失真 ， 转换速率决定着运放在大幅度应用时的最高工作频率 ，所以随后采用 高速宽带运放 LMH6609MA 代替它解决了这一问题。 图 11 采用 741运放波形失真 图 12 741运放参数资料 11 图 13 741运放管脚资料 图 14 LMH6609MA运放管脚资料 图 15 LMH6609MA运放内部参数资料 12 图 16 LMH6609MA运放管脚资料 由于当时可能零买不到 LMH6609MA运放，所以最后采取了两个运放
12、可替换式PCB板设计。 2 4 参数设计 方波 -三角波转换电路参数设计 比较器 U1与积分器 U2的元件计算： ； 区平衡电阻取 由 , 故： ； 取值不变，取 C3=1uf； 13 取值不变，取 C2=0.1uf； 取值不变，取 C1=0.01uf； 三角波 -正弦波转换电路参数设计 由于低通滤波器输出通带放大倍数 U ，而正弦波的输入电压受频率的影响，故通过仿真实验测得数据 R7=100K ， R8=1M时，放大倍数约为 11 倍时，可以保证在可调范围内达到 ，平衡电阻 R6取 100K。而为了一一对应其三个窄的频段，低通滤波器设计了三个电容可分档位进行调节： 2 5 附加功能设计 电路
13、在方波 -三角波阶段增加了锯齿波发生器功能，如果积分电路正向积分的时间常数远大于反向积分的时间常数，或者反向积分的时间常数远大于正向积分的时间常数，那么输出电压 U02上升和下降的斜率相差很多，就可以获得锯齿波。利用二极管的单向导电性使积分电路两个方向的积分通路不通，就可以得到锯齿波发生电路。 图 17 锯齿波发生器电路框图 14 图 18 锯齿波发生器输入电压和输出电压的波形 32674 1 5U27 4 132674 1 5U37 4 1R1 1 0 kR2 1 0 kR3 2 0 .0 KR45 .1 KR71 0 0 KR81MR51 0 0 KR61 0 0 KD2DI O DED1
14、DI O DEC31uC10 .0 1 uC20 .1 uC 3 A1uS1S W - S P D TABCD56%R P 31 0 0 k93%R P 11 0 0 k100%R P 21 0 0 kU1( V + )U1( V - )S2S W - RO T - 3S3S W - RO T - 332674U1L M H66 0 9 M AC 2 A0 .1 uC 1 A0 .0 1 u图 19 protues仿真实验电路图 3 电路的仿真分析 15 图 20 protues仿真波形频率上限测量 图 21 protues仿真波形频率下限测量 调节 Rp1使三角波输出为 U =8V，调节 R
15、p2与电容 C1、 C2、 C3，并且保证 可得其最大频率为 fm=Hz=13.175kHz（如图 18所示），其最小频率为 fm=Hz=9.775Hz，故所得波形频率范围为 9.775Hz13.175kHz,符合题目要求， 拓展部分锯齿波如下图所示： 16 图 22 protues仿真波形锯齿波测量 4 制作与调试 4.1 PCB 板的仿真制作 在 PCB板电路模拟图绘制过程中，由于一些实物元件在 protues库中找不到，或者 protues中的一些元件在市场上很难买到，所以最后选定所有元件后，利用类似封装的元件重新画了 protues图进行 PCB板的生成，并且考虑到了电路板的外接输出和
16、输入端口的设计，增加了 6 个排母，由于 PCB板绘制过程中LMH6609MA运放还没有买到，所以在电路板上画出了 741替代电路，即两个运放可替换，防止最后由于元件的问题重画电路板。 17 32674 1 5U27 4 132674 1 5U37 4 1R1 1 0 kR2 1 0 kR3 2 0 .0 KR45 .1 KR71 0 0 KR81MR51 0 0 KR61 0 0 KAKD2DI O DEA KD1DI O DEC31uC10 .0 1 uC20 .1 uC 3 A1u21 3S1S W - S P D T52%123R P 31 0 0 k93% 123R P 11 0 0
17、 k47% 123R P 21 0 0 k+ 1 2 V ( 1 )- 1 2 V ( 1 )32674U1L M H66 0 9 M AC 2 A0 .1 uC 1 A0 .0 1 u1 2- 1 2 VCO NN - S I L 21 2+ 1 2 VCO NN - S I L 212G N DCO NN - S I L 21 2U 1 - O U TCO NN - S I L 21 2U 2 - O U TCO NN - S I L 21 2U 3 - O U TCO NN - S I L 221C 1 A - S W21C 2 A - S W21C 3 A - S W2 1C 3 -
18、S W 32 1C 2 - S W 22 1C 1 - S W 13267415U4L M 7 4 11 2P M - 1CO NN - S I L 21 2P M - 2CO NN - S I L 21 2P M - 3CO NN - S I L 2图 23 protues仿真 PCB板制作电路图设计 图 24 protues仿真 PCB板布线图 18 图 25 protues仿真 PCB板 3D效果图（正面） 图 26 protues仿真 PCB板 3D效果图（背面） 4.2 电路的焊接调试 PCB板拿到手之后，就是电路元件的焊接了，焊接大概也算是 整个课程设计的重点与难点了，这时候整个课
19、程设计的成功与否，就表现得至关重要了。虽然经过几天的焊接调试最终取得了圆满的成功，但是焊接的过程中还是不可避免的遇到了一些问题： 1.原件焊接 拿到 PCB板之后，首先看到是就背面密密麻麻的布线了，看的叫人眼花缭乱，为了防止焊接出问题，还是对照原理图在 PCB 板正面用油性笔在每个元件焊接处记下了标号，可是在元件焊接过程中还是不可避免的遇到了电阻的19 识别出错、虚焊、漏焊、焊点搭桥的问题，这些问题算是在以前的电工实习中都遇到过，可是由于我们的 PCB 板面积相对较小，这次还遇到一个棘手的问题就是焊错的时候反复重焊几次就会出现电路板背面铜质线路出现脱落，导致无法将焊锡附着的电路板上，由于脱落的
20、铜质线路不长，所以最后经过一番研究还是想到利用焊锡拉长来附着到铜线 路上的办法，最终完成焊接。 2.电路外接 由于需要输入和输出信号，一开始不知道如何得到我们需要的和接地，后来在实验室发现有直流稳压源，才想到可以用它来产生我们需要的输入电压；可是接下来又遇到一个问题就是要如何将他们引入我们的电路，我们开始在实验室的箱子里找到了两个片状头导线，可以被夹在直流稳压源的输入和输出端，于是我们将导线的一头剪掉，焊在了我们的 PCB板上，正准备测试时，实验室老师制止了我们，说用这个导线不安全，于是又给我们找来了几个可夹式的专用导线 ，这下我们才恍然大悟，原来做这个实验是有专门配 套的导线的 ；电路的外接
21、问题算是我们遇到的最大的难题了，开始我们只是将 +12V与 -12V 接在了直流稳压源一个通道的正负极上 ，以为这样就是我们需要的电压了，然后将接地接在了波形发生器的接地口，可是后来反复测试发现得到的波形只有方波和锯齿波的一小部分是符合要求的，而且失真严重，波形极为不稳定，而正弦波完全没有样子出来，开始以为是焊接出了问题 ，就反复找焊点的问题，将可疑的焊点全部重焊一遍之后，又将电路完全检查了一遍，又测试了一遍后发现完全没有改变，有一天时间都就纠结在了这个地方，第二天又去测试的时候才忽然发现 我们方波输出 VPP只有 12V，而设计应该是有 24V，最终才锁定了问题是出在直流稳压源的输入上，经过
22、理论分析，我们发现应该利用双通道分别产生 +12V和 -12V电压，然后将一个通道的负极与另一个通道的正极相接，得到我们需要的理论上的虚地，而我们一开始接的直流稳压源上的地是其外壳的地，是实地，与我们理论上的地完全不同，最终按照这个思路我们解决了这个问题，得出了稳定的波形。 20 图 27 接地接错得到的三角波 图 28 接地接错得到的方波 图 29 接地接错得到的正弦波 图 30 电容档位选错得到失真的正弦 3 元件的使用 由于我们没有买到单刀三掷开关最后统一采用了利用单掷开关进行对应调节，而关于原件的问题还有一个就是滑动变阻器的运用了，从来没有用过这种滑动变阻器的我们一开以为拧一圈就达到了
23、其最大量程，还担心超过最大量程后会拧坏，可是在测试过程中发现得到波形频率范围出现断层而且带宽较小，最后才发现可以一直拧到感觉到卡住一下的时候，在达到最大量程，最终解决了这个问题。 4运放的选择 由于贴片的 LMH6609MA 运放太小，焊接难度较大，而且我们得到的波形最大频率没有达到 10KHz，约为 4KHz左右， 741运放失真影响不大，所以最终采用了 741运放。 21 所有的问题解决之后就是电路的安装与调试了： 1 方波 三角波产生电路的安装 （ 1）把三块 741 集成块插入插槽，注意方向； （ 2）把开关 RP1置为三角波档； （ 3）接入信号，注意直流源的正负及接地端； （ 4）
24、输出信号，接入双通道示波器，注意接地。 2 方波 三角波产生电路的调试 （ 1）接入电源后，用示波器进行双踪观察； （ 2）调节 RP1，使三角波的幅值满足指标要求达到 VP-P=8V； （ 3）调节 RP2，微调波形的频率； （ 4）观察示波器，调节各档位电容，各指标达到要求后进行下一步测试。 3 三角波 正弦波变换电路的调试 调节不同的电容值档位，利用示波器监视，保证三角的 VP-P=8V，正弦波的 VP-PV。 4 锯齿波电路的调试 将 RP1置于锯齿波发生档位，调节不同的电容值档位，利用示波器观察波形。 22 图 31 实物制作（正面） 图 32 实物制作（背面） 23 图 33 万用
25、版制作 图 34 方波 图 35 三角波 图 36 正弦波 图 37 锯齿波 表 1 protues仿真结果 C=0.01uf fmin=653.6HZ fmax=13.2kHz C=0.1uf fmin=65.5HZ fmax=1.4KHZ C=1uf fmin=6.7HZ fmax=134.8HZ 表 2 实际电路测试结果 C=0.01uf fmin=432.5HZ fmax=3.7KHZ C=0.1uf fmin=54.4HZ fmax=856.2HZ C=1uf Fmin2Hz fmax=145.6HZ 24 5 思路拓展 图 38 拓展电路原理图 如图所示为正弦波、方波和三角波发生电
26、路。该电路是由一个压控振荡器和两个高速运放构成的具有很宽的频率变化范围。振荡器由 NE566构成，工作频率范围为 0.1Hz 1MHz。频率调节通过 R1 和 C 完成。三角波和方波是通过交流耦合加到运算放大器 A2，由 A2 输出。正弦波变换器 A1 可以将三角波变换成正弦波，并通过 A2输出。正弦波输出的频率范围为 10Hz 1MHz，它是利用二极管进行正弦波变换的。放大器 A1 是高转换速率的运算放大器，其满功率带宽为 500kHz以上。 6 心得体会 为期一个多月的课程设计终于画下了圆满的句号，虽然过程中状况频发，最终的成功，还是叫人很开心。 记得刚开始接到这个课题的时候，还不屑的认为
27、这是多么一个简单的制作，原理也没什么难处可言，只是需要将模电书上的相关部分拿出来仔细看几遍而已，然而开始仿真的时候就遇到了难题，有这么多方法，到底用哪种方法来对波形进行整形呢。 25 其实最先想到的就是前半部分采用自激振荡产生方波，接着利用积分电路将方波整形，最后利用差分放大法实现三角波到正弦波的转换，不是学过差分放大电路可以有效抑制零点漂移嘛，于是就兴冲冲的找来相关资料研究、仿真，但是最后却发现这种方法很难实现最后正弦波峰峰值大于 1V 的要求，并且在实物制作时对焊接要求较高，就这样几天得出的第一套方案就这样被否定了。不过，很快我们又想到了利用低通滤波器的方案，这个既简单，效果又好，然而它的
28、可调频段较窄，又很快被否定了，一时间不知该从何入手了。后来偶然间又在书上看到了折线法整形，貌似原理简 单，就是电路较为复杂，于是又是对折线法一番仿真研究，最终却又因为所得波形较为粗糙不得不放弃，一时间陷入了困境，几天熬到深夜的仿真没有结果，心情跌入的最低谷。几天过去了，静下心来一番思考才发现原来以前的方案只要稍加改动是可行的，而且很简单，只要将低通滤波器的电容多分出几个档位来就达到要求了。万事开头难，一开始遇到的问题算是解决，然而这只能算是开始。 敲定方案后，接下来的任务就是电路的仿真、参数的设计了。开始我利用 multisim 软件进行仿真，一切达到要求后为了画 PCB 板方便，又利用pro
29、tues 软件进行了又一 次的连接，然而在仿真时发现 protues 与 multisim得到的结果略有不同，利用 protues 仿真得到的方波在高频段出现了梯形波样的失真，一番查阅资料后发现是和 741 的转换速率慢有关，几次仿真后又改用了 LMH6609MA 运放进行测试，完全符合，这样，电路设计的部分得到了初步的完成，接下来就是 PCB板的制作了。 对于 PCB 板制作，我们以前基本上没有接触过，刚开始简直一摸黑的感觉，不知从何入手，随后几天就先按着网上关于 protuesPCB板的绘制教程一步步学了起来，然而元件参数封装的问题又难到了我们，只能在网 上先选好元件再做了，元件的购买也成
30、了一大难题，有的元件买不到只好一一原理测试了进行替换，最后坎坎坷坷的算是完成了。 很快已经过了大半个月了，当拿到我们亲手设计的电路板时，心理既开心又忐忑，很担心接下来的实物焊接不出结果就又要前功尽弃，不过还是抱着只许成功不许失败的决心开始了随后最关键的阶段。 26 第二天，正式进入到焊接阶段了，以前我们也接触过焊接，所以还是有些熟悉的，不过这个电路板比较小，而且布线复杂，焊接起来还是有一定难度的。开始，我们为了使电路板焊接的时候不出错，事先还把各自对应的原件位置做了标记，方便安置 元件。焊接开始的时候还紧张，但后来就渐渐得心应手了，不过还是遇到了些许问题。有的元件反复焊几次后 PCB 板上的铜
31、质布线尽然会脱落，导致焊点无法附着，当时真是吓出一身冷汗，以为无药可救了，不过我们还是尝试了各种办法将焊点拉长附在了线路上，总算是焊接成功了。 焊接好了之后便是调试了，虽然刚开始因为接地的理解错误，导致了一时间无法继续下去，但后来还是发现了原因所在，终于成功了，无法言语的喜悦。 短暂的课程设计虽然遇到了很多问题，却给了我们许多课本上学不到的东西。离开了课堂严谨的环境，接触到真正的电路元件，实际的动手 操作，解决问题，对于我们而言，算是最需要也是最缺乏的了。在课堂上，我们可以学到许多知识，但是当我们自己操作，将这些知识运用到实际中的时候，就会遇到好多困难，知识就是为实际服务的，而我们正需要的就是
32、这种自己动手解决问题的能力。课题虽然不算特别复杂，但是只凭自己单独的思考也是不能完成实际的工作的，短暂的课程设计自然也离不开指导老师的建议与团队成员间的相互协作，相互鼓励。 虽然短暂的一个月，但还是学到了很多实用的东西。 7 参考文献 1 童诗白，华成英 .模拟电子技术基础（第四版） . 2006 , 高等教育出版社 2 卓正安，袁之亦 .电路与电子技术实验教程 (第二版 ). 2009 ，上海科学技术出版社 3 李万臣 .模拟电子技术基础 设计 仿真 编程与实践 ,哈尔滨工程大学出版社 27 4 于 卫 .模拟电子技术实验及综合实训教程 ,2008,华中科技大学出版社 5 谢自美 .电子线路设计实验测试（第三版） ,华中科技大学出版社 8 附录 表 3 仪器仪表明细清单 1直流稳压电源 1台 2双踪示波器 1台 3万 用 表 1台 4运 放 741 3片 5电位器 100K 3只 6电 容 0.01 F 2只 电 容 0.1 F 2只 电 容 1 F 2只 7电 阻 10k 2只 电 阻 20K 1只 电 阻 5.1K 1只 电 阻 100K 3只 8 二极管 2只 9剪 刀 1把 10仪器连接线 5根 11单刀双掷开关 7个 12电 烙 铁 1把 13. 焊 锡 丝 1米
