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波形发生器_百度文库

日期:2019-10-09 08:56 来源: 湿度调节器

  波形产生器_物理_自然科学_专业资料。中国石油大学(北京) 电子技术课程设计成绩评定表 学生姓名: 沈鹏 学号:2010042217 班级:自动化 10-2 班 项目 成绩 设计方案的正确性与合理性 Multisim 仿真

  中国石油大学(北京) 电子技术课程设计成绩评定表 学生姓名: 沈鹏 学号:2010042217 班级:自动化 10-2 班 项目 成绩 设计方案的正确性与合理性 Multisim 仿真 Protel 原理图绘制及 PCB 制板 课程设计总结报告 实践及答辩情况 总评成绩 中国石油大学(北京) 电子技术课程设计成绩评定表 学生姓名:方永江 学号:2010042112 班级:自动化 10-1 班 项目 成绩 设计方案的正确性与合理性 Multisim 仿真 Protel 原理图绘制及 PCB 制板 课程设计总结报告 实践及答辩情况 总评成绩 中国石油大学(北京) 电子技术课程设计报告 课题名称: 波形发生器 学生: 沈鹏 班级: 自动化 10-2 班 学号: 2010042217 学生: 方永江 班级: 自动化 10-1 班 学号: 2010042112 指导教师: 刘丽萱 耿敏 报告完成日期: 2103.01.20 内容摘要: 波形发生器以一种应用广泛的信号源,广泛地应用于电子电路、自动控制系 统和教学实验等领域。函数信号发生器是一种能产生多种多种波形,如正弦波、 三角波和方波的电路。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有广泛的应 用。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析,可设计一个能变换输出正弦波、 方波以及三角波的函数信号发生器。目前采用的特殊波形发生器价格昂贵。所以 本实验设计的信号发生器是采用运算放大器自激振荡产生正弦波、然后通过比较 器产生方波信号、最后通过积分电路产生三角波的电路。该发生器能够自由切换 信号种类的输出,并且具有在可调范围自由调节输出信号频率的功能。被设计具 有操作简单实用,有很好的扩展性,并且制作简单便宜。 一、 设计要求 频率范围:100Hz ~ 10KHz; 频率控制方式:通过改变 RC 时间常数; 输出电压:正弦波 VPP 5V; 方波 VPP 4V; 三角波 VPP 3V; 波形特性:方波上升时间小于 2 s; 三角波非线%; 正弦波谐波失线%。 二、 总系统体方案设计 (一)设计方案 1:正弦波发生器产生正弦波信号,然后用过零比较器产生方波,再经过积 分电路产生三角波,其电路框图如下图所示。 正弦波 方波 三角波 正弦波 发生器 过零 比较器 积分器 这一方案为一开环电路,结构简单,产生的正弦波和方波的波形失真较小。 (二)设计方案 2 、由三角波,方波发生器产生三角波和方波信号,然后通过转 换电路(差分放大器),将三角波换成正弦波信号,其电路框图如下所示: (三)系统总体方案选择及系统原理框图 正弦波 方波 正弦波 发生器 过零 比较器 三角波 积分器 差分电路比较复杂,并且在运行过程中容易导致信号的失真,对元件的要求 较高,故采用方案一的电路图。 三、 单元电路设计 1 正弦波产生:该自激振荡电路又名 RC 桥式正弦振荡电路:RC 桥式正弦振荡电 路如下图所示。其中 R1、C1 和 R3、C2 为串、并联选频网络,接于运算放大器的 输出与同相输入端之间,构成正反馈,以产生正弦自激振荡。R2、R5 及 R4 组成 负反馈网络。 当:R1=R3=R,C1=C2=C 时,电路的振荡频率 : f ? 1 2?R C 调节 R1 可以改变正弦波的频率,调节 R2 可改变负反馈的反馈系数,从而调节 放大电路的电压增益,使电压增益满足振荡的幅度条件。 其中的运算放大器采用 LM324N, 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。 2 方波产生: 方案 1:过零比较器:利用比较器可将正弦波信号转化为等频率的方波信号。 其中 6 管脚输入环节一产生的正弦信号,其中方框内决定方波的振幅,振 幅为限压管电压+0.7。 图中的比较器采用 LM339,LM339 芯片内部装有四个独立的电压比较器,是很常见的集 成 电 路 。 利 用 lm339 可 以 方 便 的 组 成 各 种 电 压 比 较 器 电 路 和 振 荡 器 电 路 。 方案 2:施密特触发器:利用 LM555CN 定时器构成施密特触发器。利用施密特触发器状 态转换过程中的正反馈作用,可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲 信号。输入的信号只要幅度大于 vt+,即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉 冲信号。 其中 2 管脚与环节一的正弦波输出相连,3 管脚为方波信号输出端。 方案选择:施密特触发器产生的方波信号上升时间大于比较器产生的方波信号上升时间。 并且 555 定时器价格更加昂贵,所以选取方案一。 3、三角波产生:积分电路,如图所示,其中 R6 端接环节三产生的方波信号。三 角波信号的频率由方波信号频率决定,通过调节 R6 可改变三角波的振幅。 其中的运算放大器采用和环节一一样的 LM324N。 四、 系统总体电路 五、 系统仿真及实现 (一)Multisim 仿真过程 正弦波信号产生: 波形显示:正弦波 VPP 失线KHz 内。 正弦波谐波失线%,符合要求。 方波产生: 波形显示:方波 VPP 4V,频率为 1000Hz,在要求 100Hz ~ 10KHz 内。 上升时间: 方波上升时间为 12.5us 与要求 2us 有差距,具体情况在设计分析详细阐述。 三角波产生: 波形显示:三角波 VPP 3V,频率为 1000Hz,在要求 100Hz ~ 10KHz 内。 三角波非线%符合要求 (二)Protel 原理图绘制 绘制步骤: 1、 设置图纸大小。 2、 放置元件。 3、 原理图布线、 存盘打印。 具体步骤为: 启动 Protel99 SE,执行 File/New 菜单命令,选取 File/New 菜单命令, 出现 New Document 对话框。选取 Schematic Document 建立一个新的原理 图。执行 Design/Options 菜单命令,系统将会打开一个“Document Options” 属性对话框,即可选择图纸大小。本设计选择 A4 图纸。在具体画电路图之 前,将要载入包含调用元件的元件库.本设计载入主要是装入 Protel DOS Schematic Libraries.ddb 和 Miscellaneous Devices.ddb。然后从库中调取所 需元件,顺序放置元件并编辑元件参数。所有所需元件放置并编辑完成后, 对原理图布线即连接线路。之后保存文件即可。 (三)PCB 制板 PCB 电路板设计步骤: 1、 检查之前原理图。 2、 生成网络表。 3、 规划电路板。 4、 设置参数。 5、 装入网络表。 6、 元器件布局。 7、 自动布线、 手工调整。 具体步骤为: 将已经完成的原理图进行元件自动编号,再进行元件属性编辑(名称,参数, 封装)修改完毕后,应选择”File/Update”,否则原理图中各元件属性将与元件属性 列表中的不一致. 选择 Tools/ERC 命令,进行电路原理图电气规则检查,生成检查报告.无错则选 择 Report/Bill of material 命令,生成元件清单.之后就进入 PCB 的制版过程,启 动 Protel99 SE,选择 File/New 命令,建立 PCB 文件,双击该文件图标,进入 PCB 设计编辑器界面。然后进行环境参数的设置(电路板工作层面的设置和系 统参数设置)。进入 PCB 编辑界面后,首先规划电路板。(本设计为双面板设 计)在板层显示状态栏单击 KeepOutLayer 标签,将当前板层切换到禁止布线层。 选择 Place/Keepout/Track 命令,或单击放置图件工具栏图标,在禁止布线层上 放置导线,划出电路板电气边界。添加元件封装库(自定义元件封装库),装入 网络表,自动调入元件封装。自动布局设置单击 Tools/Auto Placement/Auto Placer 命令,选中 Cluster Place,单击 OK。根据元件布局原则,参考电路原理 图进行手工调整。调整完成后则进行自动布线。之前得设置自动布线规则:设置 安全间距选择 Design/Rules 命令,修改间距为 10mil,设置铜膜导线拐角方式(本 设计中选择 45°转角方式),设置布线板层规则(本设计采用 Horizontal 和 Vertical 方向走线),在列表框中选择 Routing Priority(布线优先级规则),可 以设置自动布线的先后顺序。单击 Add 按钮添加新规则,单击 Filter Kind 右边 的下拉按钮,选择 Net 在下拉列表框中选择 GND,然后将右边的优先级由 0 级 改为 2 级(数字大优先级高)。同样的方法可将 VCC 的优先级设置为 1 级。这 样自动布线时计算机就会优先布设地线和电源线。设置铜膜导线线宽规则(设置 导线宽度,添加电源、地线mm),选择菜单 Auto Route/All 命令,出现图示自动布线设置对话框。选中 Pre-routes 复选框,锁定所有的预 布线,这样可以避免自动布线影响前面的手工预布线。单击 Route All 按钮,系 统开始自动布线,屏幕不断变化,显示自动布线的过程。布线完成后,系统给出 自动布线的布通率、所有连接数、未布线数、布线所花时间等信息 。再进行手 工调整(导线加粗等),手工修改完成后,选择 Tools/Design Rule Check 命令, 检查布线结果是否符合用户设置的自动布线规则要求,包括两个选项卡,Report 和 On-Line。On-Line 表示以在线的方式检查设计规则,Report 表示检查的结果 以报表显示。对话框显示了 DRC 检查的各种规则。设计完成后,可以从 Reports 菜单下了解设计的有关信息(电路板信息报表文件),在 PCB 编辑界面中选择 View/Board 3D 命令或单击主工具栏图标 ,系统将显示当前 PCB 板的三维立体 效果。 线D 图: 六、 元器件清单 ObjectKind Path Designator FootPrint Part Sheet1.Sch C6 RAD0.2 Part Sheet1.Sch C4 RAD0.2 Part Sheet1.Sch R2 VR5 Part Sheet1.Sch R1 VR5 Part Sheet1.Sch U1 DIP14 Part Sheet1.Sch R4 AXIAL0.4 Part Sheet1.Sch R7 AXIAL0.4 Part Sheet1.Sch R5 AXIAL0.4 Part Sheet1.Sch D1 DIODE0.4 Part Sheet1.Sch D2 DIODE0.4 Part Sheet1.Sch U3 DIP14 Part Sheet1.Sch D4 DIODE0.4 Part Sheet1.Sch D3 DIODE0.4 PartType 0.01uF 0.01uF POT1 POT1 LM324 5.22K 51K 12K 1N4148 1N4148 LM339 1.4V 1.4V Part Sheet1.Sch R6 Part Sheet1.Sch R3 Part Sheet1.Sch J2 Part Sheet1.Sch C5 Part Sheet1.Sch U1 AXIAL0.4 0.33K AXIAL0.4 10K MKDS3_3RMI CON3 RAD0.2 0.01uF DIP-14 LM324 七、 参考文献 1、康华光.电子技术基础(第五版).北京:高等教育出版社,2006. 2、王青林等.电路设计与制板——Protel 99 SE 基础教程(修订版).北京:人民邮电出版社, 2012. 3、胡良君等. Protel 99 SE 印制电路板设计与制作,北京:电子工业出版社,2012. 4、正弦波转化为方波. 5、过零比较器 LM339. 八、 设计总结 沈鹏(50%):之所以选择波形产生器这个设计题目,原因是对我们来说这个题目是不很困 难,初期以为能很轻松的做完这个题目的课设,但是没想到在方案选择及后面的仿真都出现 了分歧和问题。而且理论电路和实际电路的差距有些大,甚至有些课本中的电路在实际中是 调不通的。主要分歧产生在正弦波转方波时,我意用 555 定时器构成一个施密特触发器来实 现,但是老方是希望以传统的过零比较器来实现。但由于成本及信号频率及失真的问题考虑, 我们最终选择了用过零比较器。因为 555 定时器价格较贵,而且有 555 定时器构成的施密特 触发器对本课设的要求来说过于苛刻和复杂。期初电路搭建完后,仿真时产生了严重的失真, 以至于产生的正弦波,方波,三角波都是畸形的,搞得我们和头疼。但后来再两位老师的帮 助下,我们顺利的调通了电路和波形。而且达到了课设的要求。至于后面原理图和 PCB 板 的制作,使我初步了解和掌握了 Protel 99 SE 的简单使用。虽然 Protel 99 SE 较 Multisim 2001 使用复杂,尤其是布线和删除方面,但是后面用熟练后这些都不成问题。在构造原理图和 PCB 板的时候虽然遇到了一些老师和课件中没有提到的问题,比如我们使用的 LM339AJ 在 库中的调用,最后还是经过上网查资料得到解决。这虽然是小问题,但是也使我更加了解了 各种元件的使用和作用。初期在 PCB 制板过程中,我们导入的网路表居然产生了 21 个错误, 但是经过查阅资料和请教同学,我了解到其中 13 个问题是针对 Protel 99 SE 软件中本身的 封装不匹配问题,而剩下 8 个问题也是由于我们使用的稳压管在 Protel 99 SE 中自身的封装 不同,经过同学的帮助最终得到了解决。也使得我对 Protel 99 SE 的应用和对各个元件的特 性有了更深的了解。总结这次课程设计,虽然前期的电路困扰我们很久,但是当最终我们调 通电路后,我们还是有自豪和骄傲的感觉,也使我明白了看似简单的问题,不经过实践永远 不知道问题在哪。我以后也应当以理论知识为基础,以实践技术为指导得学习各个学科。努 力做对祖国有用的人; 方永江(50%):本次课程设计选题为设计一个多波形信号发生器。在课程设计中,我们分 工明确。我主要负责电路的设计和仿真,在设计电路的过程中我充分的体会到理论与实际的 差距。设计要考虑多方面的因素,包括使用简单,成本,效率等。我们在设计过程中得到了 老师的建议和指导,将各个环节分别调试,最后将各个环节整合起来得到目的结果。在过程 中我们遇到了很多困难和失败,然后通过讨论,查阅资料和请教老师,各个难点都得到了清 晰的认识。在调试过程中,碰到很多非理论的麻烦,但是我们没有气馁,一步一个脚印的去 发现问题,解决问题,在摸索中不断进步。在设计的过程中,我认识到设计的目的就是以最 简单的方法得到最好的结果,而不是复杂化,画蛇添足;比如在将正弦波转化为方波的电路 设计中我们的设计方案之一采用的 555 定时器,浪费了资源以及时电路复杂化。最后我们采 用的过零比较器不但得到了想要的结果,而且电路一目了然。课程设计的前期使我们对于 multisim 软件进一步加深了认识并且使用更加熟练。而对于后期的 protel 程序我们虽然只是 初步的接触,但是让我们对于实际生产电路的主要问题和过程有了一个很好的认识。课程设 计充分锻炼了我们自主学习的能力。

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