正弦信号发生器(幅值频率可调)

西北农林科技大学

电子技术课程设计报告

题 目：正弦信号发生器(幅值频率可调)

学院(系)：机械与电子工程学院 专业年级： 学生姓名： 指导教师： 完成日期： 2013年7月3日

目录

1. 设计的任务与要求 ............................................................................................................................... - 2 -

1.1 课题要求 ..................................................................................................................................... - 2 - 1.2具体要求 ...................................................................................................................................... - 2 - 1.3课题摘要： .................................................................................................................................. - 2 - 1.4设计步骤： .................................................................................................................................. - 2 - 2. 设计方案确定 ....................................................................................................................................... - 3 - 3. 硬件电路设计 ....................................................................................................................................... - 4 -

3.1整体电路框图 .............................................................................................................................. - 4 - 3.2 主要元器件介绍 ......................................................................................................................... - 4 -

3.2.1 NE555芯片 ....................................................................................................................... - 4 - 3.2.2 555定时器接成多谐振荡器 ......................................................................................... - 6 - 3.2.3 NE5532P芯片 .................................................................................................................. - 6 - 3.3 整体电路设计 ............................................................................................................................. - 7 - 3.4分立电路的设计及元件参数的选取及计算 .............................................................................. - 8 -

3.4.1 555多谐振荡电路 ......................................................................................................... - 8 - 3.4.2带通滤波电路 ................................................................................................................... - 8 - 3.4.3反向比例运算放大器 ....................................................................................................... - 9 -

4.调试与仿真 ........................................................................................................................................... - 10 -

4.1使用的主要仪器和仪表 ............................................................................................................ - 10 - 4.2分立电路的仿真（仿真图、操作的步骤、方法和结果） .................................................... - 10 -

4.2.1 仿真图 ............................................................................................................................ - 10 - 4.2.2仿真结果 ......................................................................................................................... - 10 - 4.3调试电路的方法和技巧： ........................................................................................................ - 12 - 5. 总结 ..................................................................................................................................................... - 13 - 6. 参考文献 ............................................................................................................................................. - 15 - 附录一 ...................................................................................................................................................... - 16 -

1.元器件清单 ................................................................................................................................... - 16 - 2.电路原理图 ................................................................................................................................... - 17 - 3.PCB封装图 ................................................................................................................................... - 18 - 4.3D效果图 ..................................................................................................................................... - 21 -

1. 设计的任务与要求

1.1 课题要求:设计一个频率幅值可调的正弦信号发生器

1.2具体要求：1.利用振荡电路产生正弦信号，要求有可调参数用以修改频率 2.利用放大电路控制输出信号振幅。

1.3课题摘要：

本次课程设计所设计的正弦信号发生器所使用的方法是由方波经滤波器产生正弦信号。方波信号由555数字芯片所组成的多谐振荡器所产生，其中调节多谐振荡器中的滑动变阻器便可产生出所需要的信号的频率，经过带通滤波器滤除杂波成分，再经过放大倍数可调的运算放大器，便可产生出所需的幅值可调的正弦波。本次设计的信号发生器制作成本不高，电路简单，可以节约人力物力资源，还具有实际的应用价值。

1.4设计步骤：

（1）利用555振荡器产生2.2KHZ—19.5KHZ 的方波信号，电位器R3的调节范围是：3.33%---100%，阻值是1KΩ—30KΩ。

（2）利用滤波电路或调谐电路产生稳定的2.2KHZ---6.2KHZ 的正弦波信号，电位器R3的调节范围是31.1%--100%，阻值为9.33KΩ—30KΩ。

（3）设计增益可调的放大器使输出信号幅值在0V~~~15V之间可调。

2. 设计方案确定

方波信号的产生由555多谐振荡器经过周期性的振荡产生，滤波电路部分有三种方案：第一种是用低通滤波器产生正弦波，第二种是利用带通滤波器产生正弦波，第三种是利用调谐滤波电路来产生正弦波。

方案一：低通滤波器法：滤波电路由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，它的功能是通过从零到某一截止角频率的低频信号，而对大于截止频率的的所有频率给予衰减。

方案二：带通滤波器法：带通电路可以由低通电路和高通电路经串联组成，而高通滤波器可由低通滤波器中的R和C的位置互换而得到。只要低通滤波器的截止角频率大于高通滤波器的截止角频率，两者覆盖的带同就提供了一个带带通响应。

方案三：利用调谐电路来产生正弦波信号，调谐电路中设计好LC振荡电路的振荡频率，当外加的频率和振荡电路的频率相同的时候，电路由于谐振，就可以通过LC振荡来把方波滤波成正弦波。

经综合比较，方案二的优点明显，本实验采用方案二。由555多谐振荡器产生基频为2.2KHZ—20KHZ的方波信号的信号，如果需要一定频率成分的分量，则需要经过带通滤波器产生。现在利用带通滤波器来产生3KHZ 的正弦波。下面着重介绍用带通电路产生3KHZ的正弦波。

3. 硬件电路设计

3.1整体电路框图

555

多谢振荡电路带通滤波电路反向运算放大电路示波器显示 3.2 主要元器件介绍 3.2.1 NE555芯片

555定时器是一种多用途的数字——模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。

其管脚图、内部功能框图、内部逻辑电路图及逻辑功能真值表如下图所示：

图3-1 正弦信号发生器设计整体框图

图3-2 NE555各脚功能-管脚图

图3-3 NE555内部功能框图

图3-4 NE555内部逻辑电路图

表3-1 555时基电路的功能表 清零端 0 1 1 1

高触发端低触发端 TH x x 0 1 1 0 0 1 0 1 Q 0 x x 1 0 放电管T 导通 保持上一状态 保持上一状态 导通截止 功能 直接清零 保持上一状态 保持上一状态 置1 清零 3.2.2 555定时器接成多谐振荡器

多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。

图 3-5 多谐振荡器和工作波形

接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。充电回路是CC—R1—R2— C—地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得

输出高电平时间 T=(R1+R2)Cln2 输出低电平时间T=R2Cln2 振荡周期 T=(R1+2R2)Cln2

3.2.3 NE5532P芯片

图3-6 NE5532P芯片引脚图

芯片8脚和4脚分别接正负电源,一块集成芯片内包含有两片运放，即有两个输出脚，分别为1脚和7脚，两个同相输入端3脚和5脚和两个反向输入端2脚和6脚。其极限参数如下：

工作电压Min.(V):±3；工作电压Max.(V):±20；带宽GBW(典型值)(MHz):10；转换速率(典型值)(V/us):9；输入失调电压(25℃,Max.)(mV):4.0@±15 V；最大工作电流ID(mA):8；

共模抑制比(Min.)(dB):100；电源供电方式:双。

本次利用NE5532接成带通滤波器里面的同相放大器和放大电路里面的反向放大器，可以只用两片NE5532，接电路时正负电源端公用，一个电路接1,2,3脚，另一个电路接5,6,7脚，这样可以节约成本。

3.3 整体电路设计

本设计的整体电路图如图3-7所示。

图3-7 正弦信号发生器设计整体电路图

3.4分立电路的设计及元件参数的选取及计算 3.4.1 555多谐振荡电路

（1）如图所示，由555定时器和外接电阻R2、R3和C2构成多谐振荡器，利用电源通过R2、R3向C2充电，以及C2通过R3向放电端DIS放电，使电路产生振荡。

（2）所接的电源电压为5V，通过调节R3可以调节振荡器的输出频率。

（3）振荡电路参数计算如下：

令R25.1，1R330;R31K,C20.01F;1

且根据f（R22R3）ln2C2解得：2.2HZf19.5HZ图3-8 555多谐振荡电路部分

所以，振荡电路可以产生频率为2.2KHZ---19.5KHZ的方波信号。

3.4.2带通滤波电路

图3-9 帯通滤波电路

（1）如图所示为两个帯通滤波器串联而成，其目的为使输出的正弦波波形更平整。 （2）R1、C4和R8、C6分别构成两个帯通滤波器的低通滤波电路，C1、R5和C5、R10分别构成两个高通滤波电路。

（3）帯通滤波器各参数计算如下：

令R52R1，C1C40.01F，设通带中心频率f03；根据f011，得R15.305;2RC2R1C4AufQAuf|3-Auf|当ff0时，通带放大倍数：AupQ1,故Auf3,为使品质因数Q最大，令Auf2.9

|3Auf|R7,令R610，R6又Auf1则R719.通频带:fbwfp2-fp1|3-Auf|f0f030.3KHZQ10为了使输出波形变的更好，现采用两个带通滤波器串联作为整个设计的滤波电路。 3.4.3反向比例运算放大器

R19Au,R13

0Au0.01

因为信号经过前面的滤波电路后，经同相比例放大电路进行了放大，故本放大电路采用反向比例放大电路，降低输出电压的幅度，并且通过调节R14和R15，使输出信号幅度在0V~~~15V之间可调。

图3-10 反向比例运算放大器

4.调试与仿真

4.1使用的主要仪器和仪表

数字示波器，稳压电源，Multisim12仿真软件，Altium Designer Winter 13 画图软件。

4.2分立电路的仿真（仿真图、操作的步骤、方法和结果） 4.2.1 仿真图

分离电路仿真图见第三章图3-8，3-9，3-10。 正弦信号发生器设计的整体电路图为图3-7。 4.2.2仿真结果

1.用Multisim12仿真软件进行仿真的效果如下：

频率可调的方波波型：方波的可调频率范围是：2.2KHZ—20KHZ

2.带通滤波器产生的正弦波信号

图4-1 方波信号波形图

3．运算放大器产生幅度可调的正弦波信号

图4-2 滤波后的正弦波

图4-3输出正弦波波形

4.3调试电路的方法和技巧：

（1） 调试电路的成功与否，很大程度上取决于电路原理图的绘画合理与否，特别是

对于模拟电路来说，如果电路原理图绘画得不合理，再加上电路板的质量不好以及画线与画线之间的干扰，会导致整个电路上的干扰比较大，最后波形会出不来。

（2）在画电路原理图之前，首先用仿真软件Multisim12 对电路进行仿真，观察在理想情况输入理想参数的到的波形，这样再画电路原理图，就可以减少一些错误。 （3）画PCB图最好要用手动布线，因为自动布线会有很多不合理的地方，或者自动布线后在手动调整，布线时尽量避免过多的平行线，线长要最短，这样可以减少干扰。 （4）在芯片的位置，最好不要过孔，否则会造成焊接困难，线宽不宜太细，焊盘可适当调整大小，最重要的是要注意各元件的封装。在制作完电路板之后，通电测试前，仔细检查电路板有无存在短路现象，检查芯片，极性电容等元件是否装反或漏装。

5. 总结

这次课程设计的制作中我学习了multisim12与altium designer的使用，初步了解了原理图、PCB板的绘制方法，学会了电路的仿真。在PCB电路板的制作过程中我从同学和老师那里学习了不小制作和调试电路板的方法和经验。

首先是实践必须要有相关的理论知识作为支撑，做设计之前必须要把相关的理论搞清楚，要有总体的设计思想。其次是在制作电路板之前有必要先进行仿真一下，这样有利于减少失误，可以节约成本。这个过程中我也深深的体会到了自己的理论知识的缺乏，基础知识学得不是很好，动手能力还相对较差，以后一定要重视对理论知识的学习。

通过这次课程设计我了解了带通滤波电路在结构上的特点，同时让我更好地掌握了各种电路的分析、调试与计算方法，收悉了振荡电路的各种原理和帯通滤波器的使用方法，更深刻地理解了课本知识。在此次作课程设计过程中，我深深地感受到自己所学知识的有限和对所学知识的生疏，明确了不仅要学课本知识，还要再通过图书馆和网络等各种渠道来扩充自己的知识，并且要学会对所学内容的取舍及分析。总之，从中我学到了如何对待遇到的困难。增强了对所学知识的思考整合能力，培养了自己的思维能力。在做课程设计过程中，老师给了很大的自由发挥的空间，可以自己选题，让我自己运用所学知识去分析和解决实际问题。

课程设计可以培养我们综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题，可以锻炼我们的实践能力，是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。

在这课程设计的几天里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多的东西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次强化训练使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在具体实践的过程中难免会遇到过各种各样的问题，在设计的过程中，我发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过该强化训练，使我对高频电子线路、模拟电子技术和数字电子技术的学习有了一个系统地、整体的认识，把原来零散的章节学习组合成了一个整体，进一步了解了调制的概念，收获很大。

在做multisim仿真与PCB图的绘制的过程中我遇到了很多问题，比如说我认为两根线是连接在一起的，但是放大后却发现两根线是互不相连的，一个节点就可以导致整个实验的失败，可谓是牵一发而动全身，因此，在画电路图时，一定要仔细，把每个点、

每根线都连接好，这样最后调试的时候才不容易出错。在做调制器电路的时候，我把电路连接好后观测不到波形，检查连线都没有问题，最后终于发现原来是我错把-12V的电源弄成+12V的电源了，因此无法观测到波形。在用示波器同时观察两个波形时，可以把其中一个信道的颜色设为红色或者其它颜色，以方便区分。当我看到示波器上清晰地显示出理论波形时，兴奋之情难以言表。

对我而言，从这次强化训练中学到的知识上很重要，精神上的丰收也很重要。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

这次课程设计培养了我一丝不苟的科学态度和做学问应有的耐心及恒心，也使我认识到做事要不畏困难和迎难而上的重要要性。

所有的这些将对我以后的学习或工作产生很大的帮助。在此我也想感谢帮助过我的老师和同学。

6. 参考文献

[1] 童诗白、华成英主编者.模拟电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年

[2] 阎石.《数字电子技术基础》，北京，高等教育出版社，第五版 [3] 程勇.《实例讲解 Multisim 10 电路仿真》 人民邮电出版社

附录一

元器件清单

《电子课程设计》元器件清单示例

学号： 2011013732 姓名： 王菲

课题： 幅值可调的正弦信号发生器 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 名 称 运放NE5532 555_VIRTUAL 30K 精密电位器 1K 精密电位器 0.1uf 电容 0.01uf 电容 1*3圆孔排针 90*70双面版 1.6K 电阻 1K 电阻 5.1K 电阻 200 电阻 620 电阻 10K 电阻 9.1K 电阻 导线 数 量 3 1 2 1 1 6 2 1 1 2 5 4 2 6 2 10 单 价 备 注 2.电路原理图

3.PCB封装图

铺铜后：

铺铜后：

4．3D效果图