模电课程设计——信号发生器

1.1 设计题目及要求

设计一个供电电源为交流220V、50Hz的占空比可调的矩形波、三角波信号发生器。主要电路指标要求波形频率为1KHz~10KHz，波形幅值小于12V，其它指标要求尽可能多的信号多样性。本设计是设计一个完整的信号发生器，单元电路必须包括整流电路、滤波电路、稳压电路、信号发生电路。

1.2 总体设计方案

1.2.1设计思路

本次设计主要是编写软件程序装载到单片机 AT89C51中，输出的数字信号再经过DAC0832转换器转变为模拟信号，再经过放大处理实现方波、三角波、正弦波等常用波形的发生。根据要求，对这三种波形的频率调节和幅度调节编写程序代码，并将所写程序代码装载到单片机的用来存放程序的程序存储器中以达到波形的幅度可以调节，频率也可以调节。

1.2.2设计方案

方案一：使用非稳态的多谐振荡器作为波形发生器的这要元件，然后再加入不同的电路，根据所需要的三角波，正弦波，方波等的要求加入积分电路，这样构成的一个波形发生器。这三种波形具有相同的输出频率，也就是不能输出不同频率的三种波形，通过调节运放的参数可以使频率改变，这样频率就改变了。

方案二：使用单片函数发生器（如8032芯片），让它由单片机控制，通过这种方案来设计波形发生器。

方案三：利用传统的锁相频率合成法来设计波形发生，各方面性能良好的的正弦波可以通过使用IC145152芯片控制，然后从压控振荡器搭接而成，比较熟悉的锁相环电路输出，正弦波再通过过零比较器，就可以产生我们所需要的方波，方波通过积分电路生成三角波，就实现了波形发生器的设计
方案四：进行利用AT89C51单片机芯片，让单片机 AT89C51 作为主要的控制芯片，输出的数字信号经过DAC0832，转变为模拟信号，再经过放大处理实现方波、三角波、正弦波这三种常用波形的发生。

1.2.3方案论证与比较

方案一由于非稳态的多谐振荡器使用的是分立元件构成，模拟信号非常不稳定，特别容易受到各种干扰，精度很难达到要求（比如放大器存在各种失真，集成电路也有零点漂移），而且结构很复杂，设备体积过大导致准确度不高，不利于调节频率。方案二虽然很简单，也很容易实行，但是通过8038所产生的波形，它的频率的稳定性很差，还容易产生生高次谐波分量，容易产生干扰。方案三的电路构成太复杂，也存在很多干扰，不容易实现。方案四通过软件的设计来控制硬件，输出不同的波形，而且方案四中所用到元器件很便宜，在市面上也很容易买到，设计方案也简便易懂。
综上所述，选择使用方案四来设计。

第二部分单元电路设计
2．1 整流电路

2．1．1整流电路及其工作原理或功能说明

2．1．2整流电路元件的选取与计算
2．2稳压电路

2．2.1稳压电路及其工作原理或功能说明

2．2.2稳压电路元件的选取与计算

（1）测量电源稳压特性。使稳压电源处于空载状态，调可调电源电位器Rf3，
模拟电网电压波动士10%；即Vi由8V变到l0V。且测相应的ΔV。计算稳压系数。
（2）测量稳压电源内阻。稳压电源的负载电流IL由空载变化到额定值IL=100mA，
测量输出电压V0的变化量即可求出电源内阻r0= 时，测量过程，使Vi=9V保持不变。
（3）测试输出的纹波电压。将图14-1的电压输入端Vi接到图14-2的整流滤波电路输出端(即接通A—a，B—b)，在负载电流Il =l00mA条件下，用示波器观察稳压电源输入输出中的交流分量μ0 ，描绘其波形。用晶体管毫伏表，量测交流分量的大小。

2．3 滤波电路

2．2.1滤波电路及其工作原理或功能说明

2．2.2滤波电路元件的选取与计算
放大电路是同相比例运算电路，RC串并联电路既是正反馈电路，又是选频电路。输出电压。经RC串并联电路分压后在RC并联电路上得出反馈电压，加在运算放大器的同相输入端，作为它的输入电压。由此得

欲使i与。同相，则上式分母的虚数部分必须为零，即

这时，而同相比例运算放大电路的电压放大倍数则为

可见，当时。
在特定频率时，和同相，也就是RC串并联电路具有正反馈和选频作用。和都是正弦波电压。

振荡频率的改变，可通过调节R或C或同时调节R和C的数值来实现。由集成运算放大器的RC振荡电路的振荡频率一般不超过1MHz。

2．4 信号发生电路

2．2.1信号发生电路及其工作原理或功能说明
（1）正弦波发生器

(2)矩形波

（3）三角波发生器

其中集成运放A1组成的迟滞比较器，其反相接地；A2组成的反相积分电路，积分器的作用是将迟滞比较器输出的矩形波转换为三角波，同时反馈给比较器的同相输入端，是比较器产生随三角波变化而翻转的矩形波。
工作原理：图中，集成运放A1同相输入端的电压由uo和u01共同决定，根据叠加原理 u+=u01+u0
当uo>0时，u01=+Uz；当u+<0时，u01= -Uz；即迟滞比较器的翻转发生在u+=0的时刻，此时比较器的输入电压，即积分器的输出电压u0应是u0=+Uz，也就是比较器的上下门限电压。经计算，。

（4）锯齿波

2．2.2信号发生电路元件的选取与计算
（1）正弦波发生器

（4）锯齿波

两个运算放大器选择CF725最大电源电压v，共模抑制比120dB，最大输入电压v。
稳压管D1，D2选择2CW76，稳定电压为12v，稳定电流20mA
Uz=发生电路输出电压幅值Uom=Uz，取R1=R2=6KΩ，则Uom=12V
运放输出电压最高13.5V
对运放A1，i+=i-流过R1.R2电流,流过限流电阻R3最大电流,则，取R3=1K
，取c=0.1uF，10Hzf10KHz，将R1，R2，C代入上式得5002Rp+Rw500K，取Rw=150，Rp175，为保证f=10KHz，且Rw=0时，二极管安全，取Rpmin=200即Rp=200-250K
，R4=R1∥R2=3K,R5=120K
取2CZ55B型二极管，最大整流电流为1A，反向工作峰值电压50V

第三部分整机电路

3.1 整机电路图

3.2 元件清单
启东计算机厂有限公司的“模拟电路试验箱”；protues；keil 4

第四部分性能测量

4.1实验条件（仿真调试和试验箱）

4.2 电路调试

4.2.1 测试使用的仪器

启东计算机厂有限公司的“模拟电路试验箱”；protues；keil 4

4.2.2 指标测试步骤及测量数据

本次的设计主要应用了protues和keil 4软件进行系统设计和仿真，经过仿真后，结果较好，示波器可以正确的输出锯齿波、三角波、梯形波、正弦波等。

4.2.3 故障分析及处理

在使用keil 4调试程序时，我将延时程序写错了导致程序不能正常运行，正常运行等等小问题。在硬件调试时，我开始的时候也是错误百出，结果可想而知，程序无法运行。但是我学到了很多知识，硬件的调试不能着急，需要一部分一部分慢慢的调试，先检查AT89C51工作是否正常，然后用一个DA加示波器调试看是否正常工作。在每一部分都不出现错误的情况下，再去调试整个的硬件电路，我认为在调试过程当中，一定不能心急，需要的是信心和耐心，如果不这样的话，很难得到调试结果的。

4.3 电路实现的功能和系统使用说明

波形发生器在实验过程中经常被用到，由纯粹硬件构成的传统的设计存在一定的弊端。本次设计致力于研究设计出一种频率可以调节而且很稳定，准确度高、波形质量好、输出频率范围宽、易携带等特点的波形信号发生器，以满足学科领域以及社会实践对信号源的要求。本次设计主要是编写软件程序装载到单片机 AT89C51中，输出的数字信号再经过DAC0832转换器转变为模拟信号，再经过放大处理实现方波、三角波、正弦波这三种常用波形的发生。根据要求，对这三种波形的频率调节和幅度调节编写程序代码，并将所写程序代码装载到单片机的用来存放程序的程序存储器中以达到波形的幅度可以调节，频率也可以调节。

第五部分课程设计总结

本次的课程设计基于单片机的波形发生器软件设计，在这个过程当中，我学到了很多东西
（1）首先对于单片机有了更进一步的了解，对于单片机的时钟电路，复位电路原理也都很了解了，有关晶振的知识，复位的方式都有了解，不像以前，知道的很泛泛。对于DA转换器也有了更深的了解，对于它的内部结构，引脚的功能也有了更进一步的了解，对于键盘的工作原理也有了更进一步的了解。也知道了如何才算一个完整的单片机系统。
（2）通过画单片机的原理图和PCB图，学会了使用Proteus 软件，现在能够独立的完成单片机电路的设计，而且，在元器件封装方面，也有了很多的理解。
（3）现在能够熟练的使用Keil uVision4软件，对于单片机C语言和汇编语言知道了更多，知道了C语言在Keil uVision4软件中如何调试，对于C语言的使用更加流利。
（4）在硬件电路调试过程中，学会了如何一部分一部分的调试，如何出现波形，对于仿真，我也学到了很多。
在这次设计当中，我深刻的体会到了知识的重要性，专业知识很强大，可以让我们学习到很多。它锻炼我的很多能力，让我知道理论必须要结合实际，才能设计出一个好的作品，通过这次设计，也检验了我大学对于专业知识的学习，是对我大学专业知识的一个检验和总结。

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