多波信号发生器课程设计报告

简介

在人们认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。信号源在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为各种激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。

多波信号发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形。多波信号发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，产生正弦波、方波、三角波、矩形波等幅值可调的信号。

任务要求

1、能产生矩形波、方波、三角波、正弦波等波形；

2、产生的矩形波的占空比可调；

3、产生的方波、三角波、正弦波的频率和幅度在一定范围内可调；

4、产生的波形在一定程度上不失真。

设计方案

方案一

设计原理方框图：

原理方框图（方案一）

设计电路原理图：

方案原理：555定时器接成多谐振荡器工作形式，C2为定时电容，C2的充电回路是RV1→R2→RV2→C2；C2的放电回路是C2→RV1→R2→IC的7脚(放电管)。由于RV1、RV2为可调电阻，因此充放电时间常数可调，同时频率在一定的范围内可调，当充电时间常数与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波；当充电时间常数与放电时间常数不相等时，由IC的3脚输出的是矩形波。IC的3

脚输出的方波经过R5与C5组成的积分电路时，此时会对C5进行充放电，输出三角波。三角波经过二级低通滤波器，滤除高次谐波，产生正弦波。发光二极管VD用作电源指示灯。

方案二：

方案原理方框图：

原理方框图（方案二）

设计电路原理图：

方案原理：上图为RC 桥式正弦波振荡器。其中RC 串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、RV1及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器RV1，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅，D1、D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。 电路的振荡频率 2πRC

1f O

起振的幅值条件

1

f R R ≥2

式中R f ＝RV1＋R2＋（R3 // RD ），RD----二极管正向导通电阻。 调整反馈电阻R f （调RV1），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大R f 。如波形失真严重，则应适当减小R f 。改变选频网络的参数C 或 R ，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C 作频率量程切换，而调节R 作量程内的频率细调。 方案三： 方案原理方框图：

原理方框图（方案三）

方案电路图：

方案原理：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，电路产生了自激振荡，方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。然后通过积分电路，生成三角波，三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。电位器RV2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C1改变频率的范围，RV2实现频率微调，电位器RV1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。三角波通过差分放大器时，，能生成正弦波。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，因此可将三角波变换成正弦波，

方案四：

新一代函数信号发生器ICMAX038，它克服精度不高、幅度和频率受限制、调节方式不够灵活的缺点，可以达到更高的技术指标，MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。

方案分析

方案二的正弦波振荡器要满足起振条件，因此各个器件的参数很难以确定，即使满足了起振条件，产生的波形严重失真，在仿真的时候要通过不断改变参数来确定实际电路图。方案三中的差分放大器，利用差分放大器传输特性曲线的非线性将三角波转换成正弦波，此转换过程中，使用了4个三极管和大量的电阻，因此在仿真的时候很难确定其参数。方案四采用了集成芯片，电路过于简单，不能更好地锻炼动手能力。因此采用方案一，NE555振荡器工作稳定，其内部采用查分电路方式，灵敏度较高，振荡器输出的频率受电压变化和温度变化的影响很小。

理论分析

NE555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛，它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制和检测系统。定时器有双极型和CMOS两种类型的产品，它们的结构与工作原理基本相同，没有本质的区别。一般来说，双极型定时器的驱动能力较强，电源电压范围为5~~16V，最大负载电流可达200mA；而CMOS 定时器的电源电压范围为3~~18V，最大负载电流在4mA一下，它具有功耗低、输入阻抗高等优点。

接通电源后，电容C2被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，使V o为低电平，同时NE555内部的放点三极管导通，此时电容通过电阻和三极管放电，Vc电压下降，当Vc下降到1/3Vcc时，使V o翻转为高电平，此后一直反复循环，即生成方波或矩形波。

电容器充电所需时间：

T1=(RV1+RV2+R2)*C2*Ln2=0.7(RV1+RV2+R2)*C

电容器放电所需时间：

T2=(RV1+RV2)*C*Ln2=0.7(RV1+RV2+Rx)*C

Rx为NE555第7脚的内部电阻。

积分电路中的电容充放电时间常数是由R5、C5决定的，不同的电容和电阻组合，充放电常数不同，因此在仿真的时候，要计算好C5的充放电时间和方波的高低电平匹配，否则将造成三角波波形的失真。该电路中选择R5=1K，C5=10uF。

低通滤波电路参数要选择适当，能够滤除高次谐波，电路中选择了

R6=R7=510Ω，C6=C7=100nF。选择参数不同，滤波效果不同。仿真情况

矩形波、方波模块

矩形波波形：

方波波形：

三角波、正弦波模块

三角波波形：

正弦波波形：

实物调试结果

做好的实物接通电源，用示波器在输出端测试输出波形，在整个的系统中，矩形波、方波输出波形有一定的失真，原因是后面的积分电路和低通滤波电路对前面有一定的影响，因此在输入方波的同时，加上一个单刀开关，当要输出三角波或正弦波的时候闭合开关，当只输出矩形波、方波的时候打开开关，去掉积分电路和低通滤波电路对前面

电路的影响。

为了使输出的幅值在一定范围内可调，因此输出的各种波形，可以经过一个同相比例放大器进行放大，放大后可以调节放大倍数，使波形的幅值在一定范围内可调。

幅值可调电路

放大倍数K=1+RV3/R3

心得体会

课程设计已经结束，在这段时间里的学习、设计、焊接过程中我感触颇深，使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试，熟悉了常用的仪器仪表，了解了电路的连接、焊接方法，以及如何提高电路的性能等等。

通过对多波信号发生器的设计与制作，使我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性，而且通过对此课程的设计，我不但理解了以前不懂的理论知识，而且也学到了新的知识，最重要的是

在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。在设计制作中，我们也学会了运用所学的知识去解决遇到的问题，提高我们的动手能力和分析问题的能力。

在实验过程中，我们遇到了一些的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。在张晓东老师的指导下，把问题一一解决，实验中暴露出我们在理论学习中所存在的不足，有些理论知识还处于懵懂状态，有待我们进一步的去思考。

参考文献

康华光*电子技术基础（数字部分）*****第五版***高等教育出版社谢嘉奎*电子线路（非线性部分）******第四版****高等教育出版社胡翔骏*电路分析*********************第二版***高等教育出版社电子制作合订版*******************************电子制作出版社

致谢

再次感谢张晓东老师给予的热心指导，谢谢。

元件清单

名称参数个数NE555 TTL型1

发光二极管 1

电阻510Ω 3 1KΩ 1 10KΩ 1

滑动变阻器100KΩ 2 有极性电容100uF 1

无极性电容100nF 2 10uF 1 0.01uF 2

插槽8引脚1