电子系统综合设计

实验报告

课程名称：电子系统综合设计 指导老师： 周箭 成绩：__________________ 实验名称：低频函数信号发生器的设计 实验类型： 硬件和软件联合

一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 总的实验要求：

按照下列条件和要求设计一个低频信号发生器： (1) 同时输出方波、三角波、正弦波三种波形。

(2) 频率范围为10Hz~10kHz ，能够以手控方式改变频率。

(3) 为了保证良好的控制特性，可分三段控制：①10Hz~100Hz ，②100Hz~1kHz ，③1kHz~10kHz 。 (4) 方波的输出幅值≥5V ，三角波的输出幅值为5V ，正弦波的输出幅值＞3V 。

硬件原理图：

PCB 板图：

由硬件原理图可知，所设计的低频信号发生器包括了三部分：第一级为方波和三角波发生器；第二级为正弦波发生器；第三级为功率放大电路。因此在PCB板上焊接的时候需要规划好三级所在的区域（这样在焊接的时候比较好操作，也便于焊接完成后的调试工作，只需要分区域调试就好了）。

其中，RP1的作用是调整信号的频率，RP2是调节信号的幅值，RP3是调整输入到第二级的三角波的幅值，RP4和RP5分别调节输出正弦波的峰值（可改善失真度）。

电路调试结果及相关波形记录：

当选通频率在1KHz~10Khz时候

增大选通频率至9Khz：

当选通频率在100Hz~1Khz时候

增大选通频率至4Khz

当选通频率为10Hz~100Hz：

增大选通频率为55Hz：

从上面波形以及频率可调范围来看，前两级的调试效果还是可以的。（输出的方波，三角波，正弦波均稳定正常），但是在低频段，方波和正弦波的失真度比较大。在高频段，三种波形都输出良好。

第三极调试效果图：

正弦波输出：（带载）

方波输出：（带载）

三角波输出：（带载）

观察以上三种波形，在带载情况下，第三级功率放大电路的输出电压最高可到20V。

关于不带载的波形在这里并未给出，但在实测过程中，最高输出电压可到24.2V，能到那么高的原因主要是第三级电路我并未采用稳压模块的接入，也就是如下：

有同学实测过，+15V的电压过了这个稳压模块后，电压会降低至12~13V，因此输出电压会比较低。但是如果介入了这种稳压设计，那么带载和不带载的最高输出电压则相差不大。（接入稳压模块主要是考虑到了第三级的功率放大放大可能会影响前两级的电路输出情况。）

接下来就是在第一级加入偏置电压后（主要是调节占空比）调试波形。

偏置电压的位置：

采用的偏置电压模块：

只要连上正负电压15V，通过调整旋钮的位置（电位器）即可得到不同的偏置电压。调节电位器，实测V ref可调节范围实测为-14.1V-10.1V。

在给了一个偏置电压后，实验波形：

明显可看出，三角波变成了锯齿波，方波的占空比发生了明显的变化。

但在加入偏置电压后，发现信号的频率居然也发生了变化！

接下来我从实验原理出发，仔细思考了产生这个变化的原因：

（原理图）

由上：

当改变偏置电压时，T1+T2并非为一个定值，由此可知，改变偏置电压会对发生波形的周期产生影响（从表达式来看无论增大偏置还是减小偏置，对于偏置为0时其周期都会变大，即频率降低）。

软件编程部分：

本次设计的虚拟示波器所包含的功能主要有以下几个方面。

实时显示：通过采集卡采集信号并能对输入信号实时显示在PC 机终端上。

参数测量：通过采集到点信号，对其进行参数测量（如频率，周期，峰峰值，线性度等等） 双通道显示：可同时测量两个输入信号

第一版示波器的控制界面：

t RC

V v v t v 1

0201

01)0()(⊕--=020,Z t v V ==+设时Z V R R v 3

2

01)0(+=102,Z t T v V ==-当时Z V R R T v 32101)(-=21132Z

Z R RC

T V V V R ⊕=?-202,Z

t T v V ==当时2

0113

()Z

R

v T V R

=

2213

2Z

Z R RC

T V V V R ⊕=

?+RC R R T T 3

2

212==

程序由一个大的while循环构成,主要包括7个主要的部分，分别为：

①通道选择、采样速率、模式、点数等参数设置部分；

②数据采集模块；

③波形显示部分；

④时间以及幅度控制部分；

⑤参数测量部分

但后来我发现这一版本的设计不利于双通道的设计（也就是说比较容易满足单通道的测量），并且我发现了一个比较利于双通道实现且更加简易的方法——使用DAQ助手这个模块。

第二版示波器的操作界面：

数据采集模块：

波形显示模块：

波形数据分析模块：

通道一（AI0）输入1KHz，4VPP的正弦波

通道二（AI1）输入2KHz，4VPP的正弦波

实验得到的波形如下：

波形稳定且能实时显示，测量值与真实值比较是准确的。

实验创新：

1、对于波形的产生，也可利用数模结合的电路，比如说利用555 芯片产生方波等波形。555作为一个广泛利用的电路方案，成熟度必然很高，很容易实现所需要的电路，而且拥有很高的可调节度。

2、对于外界干扰的输入和直流电源非直流量的影响，相互干扰，造成自激，可采取加入滤波电容来消除，电容可采用一大一小两个，将电容一端接入传输线，另一端接地，这样能一定程度上减少外界的干扰和直流电源非直流量的影响，大电容起对低频交变信号的退耦和滤波作用，而小电容用以消除电路中的中高频寄生耦合。