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1、2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作信号发生器的设计与制作【摘 要】信号发生器广泛应用于电子工程、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。采用集成运放和分立元件相结合的方式，利用迟滞比较器电路产生方波信号，以及充分利用差分电路进行电路转换，从而设计出一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易信号发生器。通过对电路分析，确定了元器件的参数，并利用Multisim软件仿真电路的理想输出结果，克服了设计低频信号发生器电路方面存在的技术难题，使得设计的低频信号发生器结构简单，实现方便。该设计可产生低于100Hz的各波形输出，并已应用于实验操作。【关键词】信号发生器
2、；方波信号；电路仿真；OP07;LM324Design and production of signal generator Author: Li nana Tutor: Jia jie 【Abstract】Signal generator is widely used in electronic engineering, communications engineering, automatic control, remote control, measuring instruments, meters and computer technology. Integrated operatio
3、nal amplifier and using a combination of discrete components, using hysteresis comparator circuit produces a square wave signal, and the full use of differential circuit circuit switching, which can change the design of a triangular wave, sine wave, square wave signal generator simple . Through the
4、circuit analysis to determine the parameters of the components and use the ideal of Multisim circuit simulation software output, designed to overcome the low frequency signal generator circuit technical problems exist, making the design of the low frequency signal generator structure is simple and e
5、asy to achieve. The design can produce less than 100 Hz, the waveform output, and has been used in experimental operations.【The key words】pingers ； signal for the signals ； circuit simulation ； op07; lm324目 录第1章 绪 论 .1.1 绪论.1.2 课题背景.1.3 设计任务及要求.第2章 信号发生器方案选择及原理框图 2.1 原理框图.2.2 信号发生器方案选择.第3章 各部分电路设计及总
6、电路图3.1 方波发生电路的工作原理.3.2 方波-三角波转换电路的工作原理. 3.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理 .3.4电路的参数选择及计算 .第4章 Multisim电路仿真及仿真结果.第5章12V直流稳压电源设计.第6章 总结.致 谢 .参考文献 .附录 .第1章 绪论1.1绪论能产生多种波形，如三角波、锯齿波、方波、正弦波的电路被称为函数信号发生器，又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有广泛的应用。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），视频信号和脉冲信号运载出去，就
7、需要产生高频振荡器。作为基础测量仪器的信号发生器随着用户的需求而不断发展。信号源实质上就是一个扫频示波器或合成信号源，并具有基本的调制功能。现在是数字化时代，研发或其他人员对测量仪器是最基本的工具，测量仪技术指标上也不断提高。如精度高、工作频带宽、误差小等。能够满足不同层次用户的测试要求。近几年，数字化仪器在迅速发展，我国也在不断研究推出各种新型数字化仪器。目前使用的信号发生器大部分是利用AT89S51单片机构成的发生器，但本次设计要求采用分立元件产生正弦波、方波、三角波。电路的原理部分的设计，可以是先设计单元电路，然后用仿真软件模拟，等到各个单元都设计完成后，再将各个单元结合到一起，由仿真软
8、件模拟是否符合制作要求。本次设计就是按照这样的思路来进行一步一步的分析：首先按照设计的方案选择具体的元件，画出仿真图，并对仿真图进行调试，观察效果并与课题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。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略1.2课题背景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
9、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。信号发生器，它是一种用于产生标准信号的电子仪器，随着科学技术的发展，对它的要求越来越高。在工业生产和科研中利用信号发生器输出的信号，可以对元器件的性能及参数进行测量，还可以对电工和电子产品进行指数验证、参数调整及性能鉴定。常用的信号发生器绝大部分是由模拟电路构成的，当这种模拟信号发生器用于低频信号输出往往需要的RC值很大，这样不但参数准确度难以保证，而且体积和功耗都很大，而由数字电路
10、构成的低频信号发生器，虽然其低频性能好但体积较大，价格较贵，因此，高精度，宽调幅，低价格将成为数字量信号发生器的发展趋势。信号发生器按其频率的高低，可分为：超低频信号发生器，低频信号发生器，高频信号发生器，超高频信号发生器，微波信号发生器；按产生波形的不同，可分为：正弦波信号发生器，脉冲波函数波信号发生器，任意波信号发生器； 按调制方式的不同，可分为：调频信号发生器（FM）、调幅信号发生器（AM），调相信号发生器（PM），脉冲调制信号发生器；此外，还可以产生两种或多种波形信号发生器。1.3 设计任务及要求任务：设计一个方波-三角波-正弦波函数发生器。要求：1、 频率范围：10-100HZ。2、
11、 输出电压：方波Up-p1V。3、 幅值、频率可调。第2章 信号发生器方案选择及原理框图2.1原理框图2.2 信号发生器方案选择信号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信号发生器，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(如单片信号发生器模块)。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信号发生器的设计方法。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
12、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，本课题中信号发生器电路组成框图如上图所示：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。第3章 各部分电路设计及总电路图3.1 方波发生电路的工作原理
13、用迟滞比较器构成的方波产生电路如图3-1所示，图中，R和C为定时元件，构成积分电路它把输出电压反馈到集成运算放大器的反向端，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。比较器主要部件为uA741芯片（相关信息将在后续章节介绍）。当Uo=UoH=+Uz时,电容C充电，电流流向如图3-1（a）所示，电容两端电压Uc不断上升，而此时同相端电压为上限门UT+。当Uc UT+时，输出电压变为低电平Uo=UoL=-Uz,使同向端电压变为下限门电压UT-，然后电容C开始放电，电流流向如图3-1（b）所示，电容上的电压不断降低，当Uc降低到UcUT-时，Uo又变为高电平Uo
14、H,电容又开始充电但是，上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。 （a） （b） 图3-1 方波产生电路3.2 方波-三角波转换电路的工作原理如果用线性积分电路代替方波产生电路的RC积分电路，则电容器两端就可获得理想的三角波输出。其波形如图3-3所示。若反馈网络断开，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 图3-3 电路输出波形
15、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 （3-2-1） 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 (3-2-2)若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 (3-2-3)比较器的门限宽度 (3-2-4)反馈网络断开后，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 (3-2-5) 时， (3-2-6)时， (3-2-7)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，其波形关系如图3-2所示。反馈网络闭合，既比较器与积分器首尾相连，形
16、成闭环电路，则自动产生方波、三角波。三角波的幅度为 (3-2-8) 方波-三角波的频率f为 (3-2-9) 3.3 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。分析表明，传输特性曲线的表达式为： （3-3-1）式中 ：差分放大器的恒定电流（约为1mA）。：温度的电压当量，当室温为25时，UT26mV。如果Uid为三角波，设表达式为 （3-3-2）式中Um：三角波的幅度。 T：三角波的周期。3.4电路的参数选择及计算1 差分放大器元件参数确定输出电压为0.5=1/2=0.5V,取,则IcQ=0.5V/1K=0.5mA，,取,则, 得 。2 三角波-正弦波部分比
17、较器A1与积分器A2的元件计算如下：由式（3-2-8）得 即。取 ，则，取 ，RP1为47K的点位器。区平衡电阻。由式（3-2-9）即 （3-3-3）当时，取，则，取，RP2为100K电位器。 当1KHzf10KHz时，取以实现频率波段的转换，R4及RP2的取图3-5 波形变换值不变。平衡电阻取8.2 K。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，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。RE2=100欧与RP4=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
18、特性曲线，调整RP4及电阻R确定。第4章 Multisim电路仿真及仿真结果4.1方波、三角波4.2正弦波第5章 12V直流稳压电源的设计在功率放大电路运行的过程中需要的直流稳压电源作为放大器的电源，下面介绍稳压电源的制作。线性稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路这四部分组成。其原理框图如下：稳压电路滤波电路整流电路电源变压器电网供给的交流电压（220V、50Hz）经电源变压器降压后，得到符合电路需求的交流电压。然后由整流电路变换成方向不变，大小随时间变化的脉动电压，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平滑的直流电压。但这样的直流电压，还会随交流电网电压的波动活负载的变动而变化，在对直
19、流供电要求较高的场合，就需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成集成器件。由于稳压电路具有体积小，外接线路简单，工作可靠和通用性等优点，因此本设计选用集成稳压电路第6章 总结经过几周的制作我的课题信号发生器已经做了出来，一开始感觉这样的东西挺简单的，只要找到资料就会很容易的制作出来，但当我真正的操作起来才发现还有好多的问题。如波形的转换，方波转换成三角波，最后再转换成正弦波，弄了很长时间才弄明白。这次的课题设计还让我体会到了理论与实际相结合的重要性，如果你只注重理论学习而不去锻炼自己的实践经验，是永远不能把事情做好的，从理论中得出结论，用实践锻炼自己，
20、这才是重要的。同时这次的设计让我也学到了一些书本上没有的知识，提升了我独立思考能力。还有就是让我熟练的对Protel99se、Multisim等软件的运用，总之这次设计让我深刻地学会了许多东西，也温习了许多以前的知识。致谢本课题及论文是在我的老师贾杰教授的悉心关心和精心指导下完成的。在此，我要感谢我的指导老师，她循循善诱的教导和不拘一格的教学思路给了我无尽的启迪，她就暗金的治学态度、高度的敬业精神对我也产生了重要影响。在您的细心指导和帮助下我才能够很快的选择好课题完成这篇设计。感谢我的每一位亲人，是你们的支持是我走完了在学校的求学生涯，焉得谖草，言树之背。养育之恩。无以回报、父母，永远健康是我
21、最大的心愿。在论文即将截稿之时，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有很多可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！参考文献1 彭介华. 电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社，19972 陈大钦. 电子技术基础实验M.北京：高等教育出版社，20033 何希才. 稳压电源电路的设计与应用M.北京：中国电力出版社，20004EDA技术基础郭勇/刘涛，机械工业出版社5刘天旺， Protel99SE电路设计应用教程，北京：电子工业出版社，2007.86王卫兵， Protel99SE基础教程，北京：北京邮电大学出版社，20087Multisim电路仿真 王林
22、根主编 高等教育出版社 2003附录附录1 电路仿真原理图附录2 PCB图附录3 原理图附录4 PCB板3D图附录5 OP07简介op07的功能介绍：Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07运算放大器的输入失调电压低,输入偏置电流小,开环增益高。这些
23、特性使这种运算放大器非常适合用于高增益仪器系统。此外,OP07的失调和增益具有极好时间稳定性和温度稳定性特点：超低偏移： 150V最大 。 低输入偏置电流： 1.8nA 。 低失调电压漂移： 0.5V/ 。 超稳定，时间： 2V/month最大 高电源电压范围： 3V至22V 图1 OP07外型图片 图2 OP07 管脚图OP07芯片引脚功能说明： 1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚 6为输出，7接电源+附录6 LM324简介LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如左图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3-1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图3-2。图表 3-1 图表3-2 图3-3由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。如下图3-3各对应管脚。