多波形信号发生器的设计与制作

多波形信号发生器的设计与制作

徐国库

【摘要】：信号发生器采用模拟电子技术，由分立元件构成振荡电路和整形电路，产生各种波形。本设计通过555定时器组成多谢振荡器输出方波，后通过积分变换电路产生周期恒定幅值可调的正弦波、钟形波、三角波。 【关键词】： 555定时器 积分变换电路 稳压电路

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引言

波形发生器是一种常用的信号源，广泛用于科学研究、生产实践和教学实践等领域。如设计和测试、汽车制造、生物医药、传感器仿真、制造模型等。

传统的信号发生器采用模拟电子技术，由分立元件构成振荡电路和整形电路，产生各种波形。它在电子信息、通信、工业等领域曾发挥了很大的作用。但是采用这种技术的波形发生器电路结构复杂、体积庞大、稳定度和准确度较差，而且仅能产生正弦波、方波、三角波等几种简单波形，难以产生较为复杂的波形信号。随着微处理器性能的提高，出现了由微处理器、D/A以及相关硬件、软件构成的波形发生器。它扩展了波形发生器的功能，产生的波形也比以往复杂。实质上它采用了软件控制，利用微处理器控制D/A，就可以得到各种简单波形。但由于微处理器的速度限制，这种方式的波形发生器分辨率较低，频率切换速度较慢。

从2007年2月到2007年4月，在系统研究国内外波形发生器的基础上提出了基于Matlab和FPGA技术的波形发生器，在FPGA内开辟高速存储器ROM做查询表，通过Matlab获得波形数据存入ROM中，波形数据不断地，有序地从ROM中送到高速D/A转换器对存储器的波形数据进行转换。因此只要改变FPGA中查找表数据就可以产生任意波形，因此该研究方法可以产生任意波形。

随着我国四个现代化和经济发展，我国在科技和生产各领域都取得了飞速的发展和进步，同时这也对相应的测试仪器和测试手段提出了更高的要求，而波形发生器已成为测试仪器中至关重要的一类，因此在国内发展波形发生器具有重大意义和实际价值。例如，它能模拟编码雷达信号、潜水艇特征信号、磁盘数据信号、机械振动瞬变过程、电视信号以及神经脉冲之类的波形，也能重演由数字示波器捕获的波形等。

当然在电子电路及电子设备中一般都需要一组或几组搞完了定性的直流电源供电，直流电源的作用之一是为各级电路中的三极管提供合适的偏置，其次是作为整个电子电路的能源。干电池、畜电池把化学能转化为电能，应该说是一种高质量的电源，但他们的成本高，使用不方便。所以这里主要用传统的方法把电网电压的单向交流电（200V ,50 HZ），通过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换为12V直流电源，实现直流电源的性能指标及对多波形信号发生器电路的驱动。

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第一章 方案论证

1.设计要求：

设计一个+12V的直流稳压电源，驱动多波形信号发生器的正常工作，使其输出方波、三角波、正弦波，波形频率为1000HZ，峰峰值为0—2V.

2.方案选择

方案一：

图1

图1采用555定时器构成多谐振荡电路，产生的方波信号，通过积分变换电路依次产生钟形波、三角波、正弦波，且频率恒定,约为1000HZ，峰峰值在0—2V之间可调。

方案二：

图2

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图2采用555定时器构成多谐振荡器，利用充放电时间差控制电路，通过电位器稳定频率，然后利用积分电路得到方波、三角波、正弦波三种波形，但幅值不可调。

方案确定：

图1和图2均采用555定时器工程多谐振荡器产生方波，用积分变换电路得到所需波形。

由于方案一输出波形多，频率稳定，幅值可调。方案二虽结构简单，但要通过调节电位器来稳定频率，幅值也不可调，不符合设计要求，综合比较，选用方案一作为此次设计方案。

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第二章 直流稳压电源的设计

一.电源方框图

小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图3、4 所示。

+ 电 源 + 整 流 + 滤 波 + 稳 压 + u1 u2 u3 uI U0 _ 变压器 _ 电 路 _ 电 路 _ 电 路 _

图3

u1 u2 u3 uI U0

0 t 0 t 0 t 0 t 0 t

图4

二．单元电路 1.变压器

电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电

压u2。为了满足要求，此处将采用15V变压器进行变换。

P2 P1其中：P2是变压器副边的功率，P1是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：

表1 小型变压器的效率 副边功率P2 效率 10VA 10~30VA 30~80VA 80~200VA 0.6 0.7 0.8 0.85 5

因此，当算出了副边功率P2后，就可以根据上表算出原边功率P1。

2. 整流电路

在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压u2变换成脉动的直流电压u3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压u2的有效值U2的关系为：

UI(1.1~1.2)U2 在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为： URM2U2 流过每只二极管的平均电流为： IDIR0.45U2 2R其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：

RC(3~5)T 2其中：T = 20ms是50Hz交流电压的周期。

桥式整流电路原理图,如图5所示,变压器的次级只有一组线圈。但用四只二极管互相接成桥式形式，整流桥后并联了滤波电容故称为桥式整流电路。图6所示是其简化法。

TrU1+VD4VD1iU2 i′VD2VD3ii0u0RLU1i-+U2-+RL

图5

图6

整流过程中，四个二极管两两轮流导通，正负半周内都有电流流过RL。例如，当u2为正半周是（如图中所示极性），二极管VD1和VD2因加正相电压而导通，VD3和VD4+端出发流经二极管VD1、因加反向电压而截止。电流i′（如图中实线所示）从变压器○

-端，并在负载RL上产生电压降u0′;反之，负载电阻RL和二极管VD2，最后流入变压器○

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当u2为负半周时，二极管VD3、VD4因加正向电压导通，而二极管VD1和VD2因加反向电压而截止，电流i″(如图中虚线所示)流经VD3、RL和VD4，并同样在RL上产生电压降u0″。由于i′和i″流过RL的电流方向是一致的，所示RL上的电压u0为两者之和，即u0= u0′+ u0″。桥式整流电路的波形如图7所示，因而其输出电压为：

U0=0.9U2

而二极管反向峰值电压是全波整流电路的一半，即：

URM=1.414 U2

u2u2的输入信号0id10id20io0u00ud10 7

tttttt

图7

3.滤波电路

无论哪种整流电路,它们的输出电压都含有较大的脉动成分。为了减少这种脉动成分，在整流后都加上滤波电路。所谓滤波就是滤掉输出电压中的脉动成分，而尽量保留其中的直流成分，使输出接近理想的直流电压。

如图8所示，这里给出了电容滤波电路在带电阻负载后的工作情况。接通交流电源后，二极管导通，整流电源同时向电容充电和向负载提供电流,输出电压的波形是正弦形。在 时刻，即达到u2 90°峰值时，u2开始以正弦规律下降，此时二极管是否关断，取决于二极管承受的是正向电压还是反向电压。先设达到90°后，二极管关断，那么只有滤波电容以指数规律向负载放电，从而维持一定的负载电流。但是90°后指数规律下降的速率快，而正弦波下降的速率小，所以超过90°以后有一段时间二极管仍然承受正向电压，二极管导通。随着u2的下降，正弦波的下降速率越来越快，uC 的下降速率越来越慢。所以在超过90°后的某一点，二极管开始承受反向电压，二极管关断。此后只有电容器C向负载以指数规律放电的形式提供电流，直至下一个半周的正弦波来到，u2再次超过uC，，二极管重又导电。

图8

4.稳压电路

由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点稳压二极管在电路中常用“ZD”加数字表示，如：ZD5表示编号为5的稳压管。

① 稳压二极管的稳压原理：稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持

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不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。

② 故障特点：稳压二极管的故障主要表现在开路、短路和稳压值不稳定。在这3种故障中，前一种故障表现出电源电压升高；后2种故障表现为电源电压变低到零伏或输出不稳定。

集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电 压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。

此电路在变压、整流、滤波的基础上加上三端固定式集成稳压器及辅助稳压的电容方可达到目的，稳压器常见的有CW78 （LM78 ）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79 （LM79 ）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI - Uo ≥2V。稳压器的静态电流Io = 8mA。当Uo = 5 ~ 18V时，UI的最大值UImax= 35V；当Uo=18 ~ 24V时，UI的最大值UImax = 40V。这里采用了LM7812。

三．电源电路原理及原理图 电源电路原理图，如图9所示

图9

原理分析：220V的电压经过变压器次级降压，变为15V的交流电压，经过整流桥整流过后变为脉动直流，再经过滤波电容滤波和三端稳压器LM7812的稳压后输出本设计所需的+12V的直流稳压源

其中有关电解电容的选择要满足:RC(3~5)T 2其中T = 20ms是50Hz交流电压的周期，R=U2/I,又因为7812的静态电流为8毫安，输出电流为300毫安。所以

I=300毫安+8毫安=308毫安

又因为 : U=1.2*15V=18V 可得：R约为45欧姆 。

由此可得：C约为800多微法。所以选择1000UF恰到好处。

另外: 整流桥承受的最高反向电压U为1.414*15V,所以应选择耐压值25V及以上的电容。

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第三章 主电路的设计

电路工作原理分析：

电路图如图10所示, NE555与R1、R2、R3组成典型的555多谐振荡电路，由于R1的电阻远小于R2，所以输出的波形基本为方波。该方波信号由3号脚输出，通过分压电阻R7、R8的分压后的输出波形选择开关的a点，经选择开关将方波信号加至射极输出器VT2的基极通过VT2缓冲变换后，由发射极输出，再经C8耦合，加至调节电位器RP,经过调节在输出端得到方波信号.

由NE555的3脚输出的方波信号，经过C8的耦合，加至有R4C5组成的第一节积分变换电路经积分变换后将方波变换为钟形波，并加至选择开关的b点，经VT2缓冲后输出钟形波信号。

将钟形波信号通过R5、C6组成第二节积分变换电路，变换为三角波并加至选择开关的c点经VT2缓冲输出三角波信号。

由R5、R6形成的三角波，经R6耦合至VT1与C2组成的放大电路进行放大和变换，在放大电路中，由于C2的反馈作用，输入的三角波变换为正弦波由VT1的集电极输出正弦波信号。其中，波形的幅度可通过RP调节大至在0-2V之间。频率恒定不可调,在1KHZ左右。

图10

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第四章 安装与调试

一 、安装与调试

1. 按照总电路图在面包板上连接电路，做到连接正确且布局美观，尽量少跨线，避免短路。总电路图见附录一

2. 连接好电源，用示波器测量波形的相关参数，正常之后，再连接主电路。其中电源各部分电压输出如下表: 变压(U2) 15V 单相桥式整流(U0) 13.5V 电容滤波(U0) 17.9V 集成稳压(U0) 11.8V 3. 待电路连接完毕之后，调节电位器，用示波器测量a、b、c输出波形的相关参数，测试结果如下表： 波形 三角波 正弦波 方波 最大峰峰值 2.4*0.2V=0.48V 2.4*0.5V=1.2V 2.4*0.5V=1.2V 最小峰峰值 2.2*50mv=110 mv 4*0.1V=0.4V 0V 频率 1000HZ 1000HZ 1000HZ 4. 整理实验结果及器材，完成实验报告，并将总电路生成PCB板，其图见附录二。

二、故障分析

1. 在测波形峰值时，用示波器和万用表测量的结果不一致，百思不得其解后，在指导老师的耐心讲解下，恍然大悟，原来是基准线上升了，我没有注意到。

2. 得到波形之后，错误的认为幅值不可调，调节电位器也没反应，而要求可调，经过老师指点，发现电位器未连接进去，最后总算圆满完成任务。

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心得体会

通过一个月的学习和实践，自己确实感觉掌握了不少东西，而且这些东西在过去自己一直认为那时很深奥的，这些知识在我今后的工作中将使我受益匪浅。现在毕业设计总算是基本上完成，虽然觉得有点辛苦，但是确很充实，而且小有成就感。总之，在这次设计中我学到了不少新知识，了解了很多的设计思想与方法，我也将继续努力，不断地完善和充实自己。

在这次毕业设计中，我才发现三年中我们还有很多东西都不曾了解，有很多东西我们都还没熟练掌握。毕业设计，是把我们所学的基础知识和具体操作相结合的一个过程；毕业设计，使我将这三年所学到的知识得到了系统化，贯穿成一条线；毕业设计，让我认识到了一个道理：再难的东西，再难的程序。只要自己努力，耐心的分析，查资料或请问别人，最后总会解决。等你解决完了回头来看就会发现原本认为很深奥的东西也在你的掌握之中。通过这次的毕业设计，我了解到做什么事都要按部就班，不能麻木的办事。一开始我就选中一个方案，怕毕业设计不能按期完成，所以早就想着拿到元器件开始做，并认真去思考它到底可不可以实行。幸亏有搭档在旁边耐心的劝解，才有了这么一套好方案。我从这件事学到了做事要稳重，毕竟以后的路是自己走。我也从这次毕业设计活动中学到了以前落下的知识，虽然自己偶学过这些，但功底很浅，正好借这次机会弥补了一下自己的不足，让自己对这一个领域有了新的认识。要想在这个方面有发展，我们还要不间断的努力，不停的查找资料，只要功夫深，铁杵磨成针。让我们一起加油。以后的路还很远！

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致谢

本论文在陈慕铭老师细心指导下开展的，整个过程中给我莫大的支持，关心和指导；在我撰写论文的过程中，陈慕铭老师呕心沥血，一丝不苟，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了陈老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和兢兢业业的工作作风使我受益匪浅，在此表示真诚地感谢。

在论文的写作过程中，得到了许多同学的金玉良言，同时在制作过程中也得到了许多同学的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意， 感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。

最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢！

【参考文献】：

【1】《模拟电路》主编：杨毅德 重庆大学出版 2007年

【2】《数字电子技术基础》主编：周良权 方向乔 高等教育出版社（第二版） 2005年

【3】《555集成电路应用精粹》主编：肖景和 高等教育出版社 2007年

【4】《电子技术实践与训练》主编：廖先芸 高等教育出版社（第二版） 2005年

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附录 一

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附录二

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