辽 宁 工 业 大 学
课程设计（论文）
题目：标准信号发生器电路
院 （系）： 工程技术学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 教授 起止时间：
课程设计（论文）任务及评语
摘要
信号发生器就是信号源，是输出各种电子信号的仪器，主要用在调试、测试电子电路、电子设备的参数。本文通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能输出方波的标准信号发生器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略，再利用电子设计软件multisim 对电路仿真。
关键词：信号发生器、方波、直流稳压电源
目 录
第一章 标准信号发生器设计方案论证 . ............................................................................... 1
1.1 应用意义 . .................................................................................................................. 1 1.2 设计的要求及技术指标 . .......................................................................................... 1 1.3 设计方案论证 . .......................................................................................................... 1 1.4 总体设计方案框图及分析 . ...................................................................................... 2
第二章 标准信号发生器各单元电路设计 . ................................................................ 4
2.1 比较器和RC 反馈网络的电路设计 . .......................................................................... 4 2.2 交直流转换电路设计 . .............................................................................................. 4 2.3 滤波电路设计 . .......................................................................................................... 5 2.4 稳压电路设计 . .......................................................................................................... 5
第三章 标准信号发生器整体电路设计 ..................................................................... 5
3.1 整体电路图及工作原理 . .......................................................................................... 5 3.2 电路参数计算 . .......................................................................................................... 9 3.3 整体电路性能分析 . .................................................................................................. 10
第四章 仿真分析................................................................................................................ 11 第五章 标准信号发生器设计总结 . .............................................................................. 12 参考文献 . ............................................................................................................................. 13 附录Ⅰ：器件清单 ........................................................................................................... 14
第一章 标准信号发生器设计方案论证
1.1 应用意义
1.1.1 电源是电子电路和电子系统中不可缺少的重要组成部分。 1.1.2 学习用集成运算放大器构成方波发生器的设计方法与调试方法。 1.1.3 观测方波发生器的波形、幅度和频率。
1.1.4 通过自行设计正弦波变成方波的电路，进一步熟悉波形变换电路的工作原理及参数计算和调试方法。
1.2 设计的要求及技术指标 1.2.1 设计任务
（1）波形的产生及变换电路是应用极为广泛的电子电路。 （2）现设计并制作能产生标。
（3）准方波波形信号输出的函数发生器。 （4）设计电路所需的直流稳压电源。 1.2.2 功能要求
（1）输出的各种波形工作频率范围1.5kHz 。 （2）方波幅值5V ，2V ，1V （峰-峰值）。 （3）直流稳压电源12V 。 1.2.3 设计要求
（1）分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。
（2）确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。
（3）设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。 （4）组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 1.3 设计方案论证 1.3.1 标准信号发生器
根据实验任务的要求，对信号发生部分电路通常可采用多种不同性质和形式的电路图来获得所需要的波形信号输出。为此课题我提出了以下几种方案：
方案一：用正弦波振荡器产生正弦波输出，正弦波信号通过变换电路得方波输出。 文氏桥振荡器（RC 串—并联正弦波振荡器）产生正弦波输出，其主要特点是采用RC 串—并联网络作为选频和反馈网络，其振荡频率f 0=
1
，改变RC 的数值，可得到不同频2πRC
率的信号输出，为了使输出电压稳定，需采用稳幅措施。用集成运放构成电压比较器，将正弦波信号变换成方波信号输出。
方案二：用一个滞回电压比较器加一个由RC 充放电回路构成的负反馈网络作为简单的方波发生器。它的特点是线路简单，输出信号稳定，用于方波产生电路比较合适。
方案一的结构比较麻烦，需要的元件比较多，构成的成本高；而方案二与之正好相反。方案二的结构比较简单，成本也低，制作起来比较简单和方便。经过以上分析我选用方案二来完成本课题设计。 1.3.2 直流稳压电源
电源是电子电路和电子系统中不可缺少的重要组成部分，目前，集成稳压器已在电源设备中得到广泛使用。
按工作方式分，稳压电源通常有连续调整式和开关调整式两大类，而开关式稳压电源因其具有高效率、输出低压、大电流的优点，其应用越来越广泛。
方案： 串联式稳压电源方式
我们首先想到用可调的三端式集成稳压器先提供稳定电压和小电流，再通过三极管扩流的方式使之提供大功率。其具体电路形式很丰富，可供借鉴的结构也很多。总之，考虑实际能力，我选用经典的串联式稳压电源方式。 1.4 总体设计方案框图及分析 1.4.1 标准信号发生器方框图如下
图 1.1框架图
分析如下：方波产生电路是一种能够直接产生方波的非正弦信号发生电路。由于方波包含极丰富的谐波，因此这种电路又称为多谐振荡电路。它是在滞回比较器的基础上，增加了一个由R f 、C f 组成的反馈电路，把输出电压经R f 、C f 反馈到集成运放的反相端。 1.4.2 直流稳压电源方框图如下
图1.2框架图
分析如下：本电路是将220V 、50HZ 的交流电压通过变压器变换成适用的电压在经过整流电路得到单向电压、经过滤波电路得到相应频率的电压最后经过稳压电路得到所需的电压
综合图为
图1.3总框架图
第二章 标准信号发生器各单元电路设计
2.1 比较器和RC 反馈网络的电路设计
由运算放大器A 、R 0、R 1、R 2、D z 11和D z 2组成的滞回比较器与RC 电路组成的方波发生器电路如图2.1所示。
在比较器没有翻转之前，V 0为一常数（设V 0=+V z ）。V 0通过R f 对C f 充电，V c 由-R 1·V z /R 1+R 2逐渐上升，随着V c 的增大，R f 两端的电压将逐渐下降，故充电电流i c 也将不断减小，使V c 上升速度减慢。
图2.1
由此可计算出振荡周期T=2RCln（1+22.2 交直流转换电路
R 1
） （2.1.1） R 2
本电路的目的在于从50HZ 、220V 的交流电压中得到直流电压。当输入为220V 交流电压时，首先通过变压器降至25V 左右交流电压。整流部分选用了全波桥式整流电路，输出为32V 直流电压。电路图如下
T1
220V ～
图 2.2
2.3 滤波电路
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C f ，或于负载串联电感器L ，以及电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。使用电感滤波的特点是整流滤波的导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦。因此本部分采用电感滤波。电路图如下
220V ～
图 2.3
2.4 稳压电路
图2.4是串联反馈式稳压电路的一般构图，图中V I 是整流电路的输出电压，T 为调整管，A 为比较器放大电路，V REF 为基准电压，它由稳压管D Z 与限流电阻R 串联所构成的简单稳压电路获得，R 1与R 2组成反馈网络，是用来反映输出电压变化的取样环节。
Ω
图 2.4
第三章 标准信号发生器整体电路设计
3.1 标准信号发生器电路图及工作原理 3.1.1 方波发生器整体电路图及工作原理
（1）整体电路图
Vi
V 。
ic
图3.1
图3.1所示为由滞回比较器及简单RC 反馈电路组成的方波发生器。 该电路的振荡频率：f 0=
1
（3.1.1）
⎛R 1⎫
R f C f ln 1+ R ⎪⎪
2⎭⎝
方波的输出幅值：V oM =±V z （3.1.2）
（2）工作原理
把滞回比较器和RC 反馈网络首尾相接形成正反馈闭环系统，如图3.1所示，则比较器输出的方波经RC 反馈网络可得到三角波，三角波又可触发比较器自动翻转成方波，这样可构成方波发生器。
它是在滞回比较器的基础上，增加了一个由R f 、C f 反馈到集成运放的反相端。在运放的输出端引入限流电阻R o 和两个背靠背的稳压管就组成了一个如图3.1所的双向限幅方波发生器。由图可知，电路的正反馈系数F 为F ≈
R 1
，在接通电源的瞬间，输出电压
R 1+R 2
究竟偏于正向饱和还是负向饱和，那纯数偶然。设输出电压偏于负向饱和值，即V o =-V z 时，加到集成运放同向端的电压为-
R 1
V z ，而加于反向端的电压，由于电容器上的电压V c
R 1+R 2
不能突变，只能由输出电压V o 通过电阻R f 按指数规律向C f 充电来建立，充电电流为-i c 。显然，当加到反向端的电压V c 略负于-
R 1
V z 时，输出电压便立即从负饱和值（-V z ）
R 1+R 2
t -⎡R f C f
⎢
迅速翻转到正饱和值（V c (t )=V z 1-(1+F )e ⎢
⎣⎤⎥
，+V z 又通过R f 对C f 进行充⎥）⎦
电，充电电流为i c 。直到V c 略正于形成一系列的方波输出。
R 1
V z 的值时，输出状态再翻转回来。如此循环不已，
R 1+R 2
图3.2画出了在一个方波的典型周期内，输出端及电容器上的电压波形。设t=0时，
V c =-
R 1R 1
V z ，V z 向+V z 则在T/2的时间内，电容C f 上的电压V c 将以指数规律由-R 1+R 2R 1+R 2
t
-⎡R f C f
⎢
方向变化，电容器C f 端电压随时间变化规律为V c (t )=V z 1-(1+F )e ⎢
⎣⎤⎥
⎥设T 为⎦
⎛T ⎫
方波的周期，当t=T/2时，V c ⎪=FV z ，代入上式，可得
⎝2⎭
T -⎡2R f C f ⎛T ⎫⎢V c ⎪=V z 1-(1+F )e
⎢⎝2⎭
⎣
⎤
⎥=FV z
；
⎥⎦
对T 求解，可得T =2R f C f ln
⎛R 1⎫1+F
。 =2R f C f ln 1+2⎪⎪1-F R 2⎭⎝
在低频范围（如10HZ ～10KHZ ）内，此电路是个较好的振荡电路。当振荡频率较高时，为了获得前后沿较陡的方波，以选择转换速率较高的运放为宜。 3.1.2 直流稳压电源的整体电路图及工作原理 （1）整体电路图如下图
Q2
220V ～
图 3.3
（2）工作原理
电路如图2.2所示T 为电源变压电路，它的作用是将交流电网电压V 1变成整流电路要求的变流电压V 2=2V 2sin ϖt ，R L 是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D 1～D 4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。
由于电抗元件在电路中有储能作用，串联电感在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑、即电感L 具有平波的作用；当忽略电感器L 的电阻时，负载上输出的平均电压和纯电阻负载相同，
V L =0. 9V 2。
电感滤波的特点是整流管的导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦。缺点是由于铁心的存在、体积大、笨重，易引起电磁干扰。一般只适用于低电压、大电流场合。如果想进一步减小负载电压中的纹波，电感后面再接一个电容来构成。
如图2.4这种稳压电路的主回路是起调整作用的BJT 与负载串联，故称为串联式稳压电路。输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路（A ）放大后去控制调整管T 的c-e 极间的电压降，从而达到稳定输出电压V 0的目的。稳压原理可简述如下：当输入电压V I 增加时，导致输出电压V o 增加，随之反馈电压V F =
R 2
V o =F V V o 也增加。V F 与基准电压V REF 相
R 1+R 2
比较，其差值电压经比较放大电路放大后使V B 和I c 减小，调整管T 的c-e 极间电压V CE 增大，使V 0下降，从而维持V 0基本恒定。同理，当输入电压V I 减小（或负载电流I o 增加）时，亦将使输出电压基本保持不变。
从反馈放大电路的角度来看，这种电路属于电压串联负反馈电路。调整管T 连接成电压跟随器。因而可得V B =A V (V REF -F V V o )≈V o 或V o =V REF
A v
式中A V 是比较放大电路
1+A v F v
的电压增益，是考虑了所带负载的影响，与开环增益A VO 不同。在深度负反馈条件下，
+A V F V ≥1时，可得V o ≈
⎛V REF R 1⎫
⎪上式表明，输出电压V 0与基准电压V REF 进=V REF 1+ ⎪F V ⎝R 2⎭
似成正比，与反馈系数F V 成反比。当V REF 及F V 已定时，V 0也就确定了，因此它是设计稳压电路的基本关系式。 3.2 电路参数计算 3.2.1 标准信号发生器 （1）集成运算放大器的选择
在方波发生器电路中，用于电压比较器的集成运算放大器，其转换速率应满足方波频率的要求。当方波频率较高（几十千赫兹以上）或对方波前、后沿要求较高时，应选用高速集成运算放大器来组成滞回比较器。 （2）稳压管的选择
稳压管的作用是限制和确定方波的幅值，此外方波振幅和宽度的对称性也与稳压管的对称性有关，为了得到稳定而又对称的方波输出，通常都选用高精度双稳压二极管，如2DW7。R 。是稳压管的限流电阻，其值根据所用稳压管的稳压电流来确定。稳压管的电压
V z =5V；R 0=2KΩ。
（3）分压器电阻R 1和R 2的确定
R 1和R 2的主要作用是提供一个随输出方波电压而变化的基准电压，并决定方波的幅值。所以R 1和R 2的阻值应根据方波的峰值要求来确定。例如，已知V z =5V，若要方波的峰值为2.5、1、0.5V ；R 1=125、50、25K Ω；R 2=10 KΩ。如果要求幅值可调，则应选用电位器。
（4）R f 、C f 值的确定
R f 、C f 的值可根据方波的振荡频率f o 来确定。当R f 、C f 值的确定后，可先选定电
⎛R 1⎫
容C f 的值，再由式T =2R f C f ln 1+2R ⎪⎪确定R f 的值，为了减小积分漂移，应尽量将C f
2⎭⎝值取大一些，但C f 值越大漏电也越大，因此，一般积分电容不宜超过1μf 。C f 取0.1μf ；
R f =0～1900 KΩ。 3.2.2 直流稳压电源 （1）整流滤波电路
当电网电压最低即V 1=220×（1-20%）=176V时，必须保证V o =12V，又为保证调整管工作于放大区，取V CE 1=4V，则V 1=16V，此时变压器次级电压有效值V 2=V 1/1. 2=13. 3V ，变压器匝数比n=176/13.3=13.2，可采用12：1的变压器（V 1=220V，V 2=18V）。流过整流二极管的电流I D (1/2)I O m a ≈1/2)∙2=1A （设过流临界值为2A ），耐压x (U ≥22(1+15%)V 2=58. 4V 。
对于滤波电感，为使纹波足够小，使τ为电网电压半波周期的5倍，取τ=5T/2=0.05s，τ=L/R 5、L=τ×R int ，R int 包括变压器副线组的直流电阻和二极管D 的正向电阻。所以R int 一般很小。R L =1. 2V 2/I O max =1.2×18/2=11Ω，L=τR L =0.05×11=0.55H，空载电容上的最大电压为2(1+15%)V 2=29V，C 2取几十μF 至几百μF ，所以取C 2=90μF 。 （2）采样电阻计算
V o =
R 3+R 4
∙2. 5，R 4=300Ω，R 3=2. 58k Ω。 R 4
（3）调整管参数计算
I O max =2A ，要求T 2的I CM 2A , P O max =V CE 2max I O max =V Im ax I O max =W 。 设推动管T 2的β=100，则I B 2=I o /β=2/100=20mA，R 1=220Ω。 （4）整流二极管的选择
二极管D 的d-e 容量可按D 流过的平均电流I D 和承受的最大反向电压V RM 来选择，并注意留有余量。在桥式整流、电感滤波电路中每只二极管可按I D =1/2I D ，V RM =2V 2来选择。
3.3 整机电路性能分析
波形的产生及变换电路是应用极为广泛的电子电路。我所设计的是能产生标准方波波形信号输出的函数发生器。波形工作频率范围1.5KHZ 以下连续可调，方波幅值5、2、1V （峰
值）连续可调。本电路的功能是将电网电压作输入信号，经过变压、整流、滤波和稳压产生直流的12V 稳压电源。
具体电路图如下
图 3.4
第四章 仿真分析 仿真电路如下：
第五章 设计总结
此课程的课程设计实际是作为电子信息工程专业学生学习完《电子技术基础模拟部分》课程后，进行的一次全面的综合训练，其目的在于加深对本课程理论和基本知识的理解，掌握运用电子技术基础合理论知识设计一些简单的基本应用电路的方法。经过这段时间的学习和实践，基本上完成了课程设计。虽说整个课设过程很辛苦，可是我们从中找到了乐趣、接触了实践，以前不是特别明白的地方也通过实践弄懂了。总的来说，这次课程设计使我 感受到了理论与实践相结合的目的及其重要意义，不但使我对所掌握的电子技术基础知识有了更深刻的认识，还提高了我的动手查阅资料的能力而且还锻炼了自己的独立思考能力。
参考文献
1. 何立明. 单片机应用系统设计 . 北京: 北京航空航天出版社,2003.P85-P96.
2. 张毅刚等编. ＭＣＳ51单片机应用设计. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1996. P125-P140.
3. 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术. 北京:北京航空航天大学出版社,1993. P112-P143.
4. 孙育才.MCS-51系列单片微型计算机及其应用. 南京:东南大学出版社,1998. P105-P131. 5. 康华光. 电子技术基础. 北京:高等教育出版社,1990.P108-P110. 6. 万嘉若. 电子线路基础. 北京:高等教育出版社,1987.P167-P168. 7. 王至正. 电子技术基础. 北京:高等教育出版社,1988.P161-P162. 8. 周良权. 模拟电子技术基础. 北京:高等教育出版社,1994.P237-P238. 9. 李广弟．单片机技术．中央广播电视大学出版社．2001. P102-P112. 10. 王炳软．集成电路应用原理．电子科技出版社．1994. P112-P120. 11. 冯熙昌．数字通信、音像集成电路手册．1999. P42-P65.
12. 李广弟．单片机基础．北京航空航天大学出版社．1999. P95-P101.
附录Ⅰ：器件清单
辽 宁 工 业 大 学
课程设计（论文）
题目：标准信号发生器电路
院 （系）： 工程技术学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 教授 起止时间：
课程设计（论文）任务及评语
摘要
信号发生器就是信号源，是输出各种电子信号的仪器，主要用在调试、测试电子电路、电子设备的参数。本文通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能输出方波的标准信号发生器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略，再利用电子设计软件multisim 对电路仿真。
关键词：信号发生器、方波、直流稳压电源
目 录
第一章 标准信号发生器设计方案论证 . ............................................................................... 1
1.1 应用意义 . .................................................................................................................. 1 1.2 设计的要求及技术指标 . .......................................................................................... 1 1.3 设计方案论证 . .......................................................................................................... 1 1.4 总体设计方案框图及分析 . ...................................................................................... 2
第二章 标准信号发生器各单元电路设计 . ................................................................ 4
2.1 比较器和RC 反馈网络的电路设计 . .......................................................................... 4 2.2 交直流转换电路设计 . .............................................................................................. 4 2.3 滤波电路设计 . .......................................................................................................... 5 2.4 稳压电路设计 . .......................................................................................................... 5
第三章 标准信号发生器整体电路设计 ..................................................................... 5
3.1 整体电路图及工作原理 . .......................................................................................... 5 3.2 电路参数计算 . .......................................................................................................... 9 3.3 整体电路性能分析 . .................................................................................................. 10
第四章 仿真分析................................................................................................................ 11 第五章 标准信号发生器设计总结 . .............................................................................. 12 参考文献 . ............................................................................................................................. 13 附录Ⅰ：器件清单 ........................................................................................................... 14
第一章 标准信号发生器设计方案论证
1.1 应用意义
1.1.1 电源是电子电路和电子系统中不可缺少的重要组成部分。 1.1.2 学习用集成运算放大器构成方波发生器的设计方法与调试方法。 1.1.3 观测方波发生器的波形、幅度和频率。
1.1.4 通过自行设计正弦波变成方波的电路，进一步熟悉波形变换电路的工作原理及参数计算和调试方法。
1.2 设计的要求及技术指标 1.2.1 设计任务
（1）波形的产生及变换电路是应用极为广泛的电子电路。 （2）现设计并制作能产生标。
（3）准方波波形信号输出的函数发生器。 （4）设计电路所需的直流稳压电源。 1.2.2 功能要求
（1）输出的各种波形工作频率范围1.5kHz 。 （2）方波幅值5V ，2V ，1V （峰-峰值）。 （3）直流稳压电源12V 。 1.2.3 设计要求
（1）分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。
（2）确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。
（3）设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。 （4）组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 1.3 设计方案论证 1.3.1 标准信号发生器
根据实验任务的要求，对信号发生部分电路通常可采用多种不同性质和形式的电路图来获得所需要的波形信号输出。为此课题我提出了以下几种方案：
方案一：用正弦波振荡器产生正弦波输出，正弦波信号通过变换电路得方波输出。 文氏桥振荡器（RC 串—并联正弦波振荡器）产生正弦波输出，其主要特点是采用RC 串—并联网络作为选频和反馈网络，其振荡频率f 0=
1
，改变RC 的数值，可得到不同频2πRC
率的信号输出，为了使输出电压稳定，需采用稳幅措施。用集成运放构成电压比较器，将正弦波信号变换成方波信号输出。
方案二：用一个滞回电压比较器加一个由RC 充放电回路构成的负反馈网络作为简单的方波发生器。它的特点是线路简单，输出信号稳定，用于方波产生电路比较合适。
方案一的结构比较麻烦，需要的元件比较多，构成的成本高；而方案二与之正好相反。方案二的结构比较简单，成本也低，制作起来比较简单和方便。经过以上分析我选用方案二来完成本课题设计。 1.3.2 直流稳压电源
电源是电子电路和电子系统中不可缺少的重要组成部分，目前，集成稳压器已在电源设备中得到广泛使用。
按工作方式分，稳压电源通常有连续调整式和开关调整式两大类，而开关式稳压电源因其具有高效率、输出低压、大电流的优点，其应用越来越广泛。
方案： 串联式稳压电源方式
我们首先想到用可调的三端式集成稳压器先提供稳定电压和小电流，再通过三极管扩流的方式使之提供大功率。其具体电路形式很丰富，可供借鉴的结构也很多。总之，考虑实际能力，我选用经典的串联式稳压电源方式。 1.4 总体设计方案框图及分析 1.4.1 标准信号发生器方框图如下
图 1.1框架图
分析如下：方波产生电路是一种能够直接产生方波的非正弦信号发生电路。由于方波包含极丰富的谐波，因此这种电路又称为多谐振荡电路。它是在滞回比较器的基础上，增加了一个由R f 、C f 组成的反馈电路，把输出电压经R f 、C f 反馈到集成运放的反相端。 1.4.2 直流稳压电源方框图如下
图1.2框架图
分析如下：本电路是将220V 、50HZ 的交流电压通过变压器变换成适用的电压在经过整流电路得到单向电压、经过滤波电路得到相应频率的电压最后经过稳压电路得到所需的电压
综合图为
图1.3总框架图
第二章 标准信号发生器各单元电路设计
2.1 比较器和RC 反馈网络的电路设计
由运算放大器A 、R 0、R 1、R 2、D z 11和D z 2组成的滞回比较器与RC 电路组成的方波发生器电路如图2.1所示。
在比较器没有翻转之前，V 0为一常数（设V 0=+V z ）。V 0通过R f 对C f 充电，V c 由-R 1·V z /R 1+R 2逐渐上升，随着V c 的增大，R f 两端的电压将逐渐下降，故充电电流i c 也将不断减小，使V c 上升速度减慢。
图2.1
由此可计算出振荡周期T=2RCln（1+22.2 交直流转换电路
R 1
） （2.1.1） R 2
本电路的目的在于从50HZ 、220V 的交流电压中得到直流电压。当输入为220V 交流电压时，首先通过变压器降至25V 左右交流电压。整流部分选用了全波桥式整流电路，输出为32V 直流电压。电路图如下
T1
220V ～
图 2.2
2.3 滤波电路
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C f ，或于负载串联电感器L ，以及电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。使用电感滤波的特点是整流滤波的导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦。因此本部分采用电感滤波。电路图如下
220V ～
图 2.3
2.4 稳压电路
图2.4是串联反馈式稳压电路的一般构图，图中V I 是整流电路的输出电压，T 为调整管，A 为比较器放大电路，V REF 为基准电压，它由稳压管D Z 与限流电阻R 串联所构成的简单稳压电路获得，R 1与R 2组成反馈网络，是用来反映输出电压变化的取样环节。
Ω
图 2.4
第三章 标准信号发生器整体电路设计
3.1 标准信号发生器电路图及工作原理 3.1.1 方波发生器整体电路图及工作原理
（1）整体电路图
Vi
V 。
ic
图3.1
图3.1所示为由滞回比较器及简单RC 反馈电路组成的方波发生器。 该电路的振荡频率：f 0=
1
（3.1.1）
⎛R 1⎫
R f C f ln 1+ R ⎪⎪
2⎭⎝
方波的输出幅值：V oM =±V z （3.1.2）
（2）工作原理
把滞回比较器和RC 反馈网络首尾相接形成正反馈闭环系统，如图3.1所示，则比较器输出的方波经RC 反馈网络可得到三角波，三角波又可触发比较器自动翻转成方波，这样可构成方波发生器。
它是在滞回比较器的基础上，增加了一个由R f 、C f 反馈到集成运放的反相端。在运放的输出端引入限流电阻R o 和两个背靠背的稳压管就组成了一个如图3.1所的双向限幅方波发生器。由图可知，电路的正反馈系数F 为F ≈
R 1
，在接通电源的瞬间，输出电压
R 1+R 2
究竟偏于正向饱和还是负向饱和，那纯数偶然。设输出电压偏于负向饱和值，即V o =-V z 时，加到集成运放同向端的电压为-
R 1
V z ，而加于反向端的电压，由于电容器上的电压V c
R 1+R 2
不能突变，只能由输出电压V o 通过电阻R f 按指数规律向C f 充电来建立，充电电流为-i c 。显然，当加到反向端的电压V c 略负于-
R 1
V z 时，输出电压便立即从负饱和值（-V z ）
R 1+R 2
t -⎡R f C f
⎢
迅速翻转到正饱和值（V c (t )=V z 1-(1+F )e ⎢
⎣⎤⎥
，+V z 又通过R f 对C f 进行充⎥）⎦
电，充电电流为i c 。直到V c 略正于形成一系列的方波输出。
R 1
V z 的值时，输出状态再翻转回来。如此循环不已，
R 1+R 2
图3.2画出了在一个方波的典型周期内，输出端及电容器上的电压波形。设t=0时，
V c =-
R 1R 1
V z ，V z 向+V z 则在T/2的时间内，电容C f 上的电压V c 将以指数规律由-R 1+R 2R 1+R 2
t
-⎡R f C f
⎢
方向变化，电容器C f 端电压随时间变化规律为V c (t )=V z 1-(1+F )e ⎢
⎣⎤⎥
⎥设T 为⎦
⎛T ⎫
方波的周期，当t=T/2时，V c ⎪=FV z ，代入上式，可得
⎝2⎭
T -⎡2R f C f ⎛T ⎫⎢V c ⎪=V z 1-(1+F )e
⎢⎝2⎭
⎣
⎤
⎥=FV z
；
⎥⎦
对T 求解，可得T =2R f C f ln
⎛R 1⎫1+F
。 =2R f C f ln 1+2⎪⎪1-F R 2⎭⎝
在低频范围（如10HZ ～10KHZ ）内，此电路是个较好的振荡电路。当振荡频率较高时，为了获得前后沿较陡的方波，以选择转换速率较高的运放为宜。 3.1.2 直流稳压电源的整体电路图及工作原理 （1）整体电路图如下图
Q2
220V ～
图 3.3
（2）工作原理
电路如图2.2所示T 为电源变压电路，它的作用是将交流电网电压V 1变成整流电路要求的变流电压V 2=2V 2sin ϖt ，R L 是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D 1～D 4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。
由于电抗元件在电路中有储能作用，串联电感在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑、即电感L 具有平波的作用；当忽略电感器L 的电阻时，负载上输出的平均电压和纯电阻负载相同，
V L =0. 9V 2。
电感滤波的特点是整流管的导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦。缺点是由于铁心的存在、体积大、笨重，易引起电磁干扰。一般只适用于低电压、大电流场合。如果想进一步减小负载电压中的纹波，电感后面再接一个电容来构成。
如图2.4这种稳压电路的主回路是起调整作用的BJT 与负载串联，故称为串联式稳压电路。输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路（A ）放大后去控制调整管T 的c-e 极间的电压降，从而达到稳定输出电压V 0的目的。稳压原理可简述如下：当输入电压V I 增加时，导致输出电压V o 增加，随之反馈电压V F =
R 2
V o =F V V o 也增加。V F 与基准电压V REF 相
R 1+R 2
比较，其差值电压经比较放大电路放大后使V B 和I c 减小，调整管T 的c-e 极间电压V CE 增大，使V 0下降，从而维持V 0基本恒定。同理，当输入电压V I 减小（或负载电流I o 增加）时，亦将使输出电压基本保持不变。
从反馈放大电路的角度来看，这种电路属于电压串联负反馈电路。调整管T 连接成电压跟随器。因而可得V B =A V (V REF -F V V o )≈V o 或V o =V REF
A v
式中A V 是比较放大电路
1+A v F v
的电压增益，是考虑了所带负载的影响，与开环增益A VO 不同。在深度负反馈条件下，
+A V F V ≥1时，可得V o ≈
⎛V REF R 1⎫
⎪上式表明，输出电压V 0与基准电压V REF 进=V REF 1+ ⎪F V ⎝R 2⎭
似成正比，与反馈系数F V 成反比。当V REF 及F V 已定时，V 0也就确定了，因此它是设计稳压电路的基本关系式。 3.2 电路参数计算 3.2.1 标准信号发生器 （1）集成运算放大器的选择
在方波发生器电路中，用于电压比较器的集成运算放大器，其转换速率应满足方波频率的要求。当方波频率较高（几十千赫兹以上）或对方波前、后沿要求较高时，应选用高速集成运算放大器来组成滞回比较器。 （2）稳压管的选择
稳压管的作用是限制和确定方波的幅值，此外方波振幅和宽度的对称性也与稳压管的对称性有关，为了得到稳定而又对称的方波输出，通常都选用高精度双稳压二极管，如2DW7。R 。是稳压管的限流电阻，其值根据所用稳压管的稳压电流来确定。稳压管的电压
V z =5V；R 0=2KΩ。
（3）分压器电阻R 1和R 2的确定
R 1和R 2的主要作用是提供一个随输出方波电压而变化的基准电压，并决定方波的幅值。所以R 1和R 2的阻值应根据方波的峰值要求来确定。例如，已知V z =5V，若要方波的峰值为2.5、1、0.5V ；R 1=125、50、25K Ω；R 2=10 KΩ。如果要求幅值可调，则应选用电位器。
（4）R f 、C f 值的确定
R f 、C f 的值可根据方波的振荡频率f o 来确定。当R f 、C f 值的确定后，可先选定电
⎛R 1⎫
容C f 的值，再由式T =2R f C f ln 1+2R ⎪⎪确定R f 的值，为了减小积分漂移，应尽量将C f
2⎭⎝值取大一些，但C f 值越大漏电也越大，因此，一般积分电容不宜超过1μf 。C f 取0.1μf ；
R f =0～1900 KΩ。 3.2.2 直流稳压电源 （1）整流滤波电路
当电网电压最低即V 1=220×（1-20%）=176V时，必须保证V o =12V，又为保证调整管工作于放大区，取V CE 1=4V，则V 1=16V，此时变压器次级电压有效值V 2=V 1/1. 2=13. 3V ，变压器匝数比n=176/13.3=13.2，可采用12：1的变压器（V 1=220V，V 2=18V）。流过整流二极管的电流I D (1/2)I O m a ≈1/2)∙2=1A （设过流临界值为2A ），耐压x (U ≥22(1+15%)V 2=58. 4V 。
对于滤波电感，为使纹波足够小，使τ为电网电压半波周期的5倍，取τ=5T/2=0.05s，τ=L/R 5、L=τ×R int ，R int 包括变压器副线组的直流电阻和二极管D 的正向电阻。所以R int 一般很小。R L =1. 2V 2/I O max =1.2×18/2=11Ω，L=τR L =0.05×11=0.55H，空载电容上的最大电压为2(1+15%)V 2=29V，C 2取几十μF 至几百μF ，所以取C 2=90μF 。 （2）采样电阻计算
V o =
R 3+R 4
∙2. 5，R 4=300Ω，R 3=2. 58k Ω。 R 4
（3）调整管参数计算
I O max =2A ，要求T 2的I CM 2A , P O max =V CE 2max I O max =V Im ax I O max =W 。 设推动管T 2的β=100，则I B 2=I o /β=2/100=20mA，R 1=220Ω。 （4）整流二极管的选择
二极管D 的d-e 容量可按D 流过的平均电流I D 和承受的最大反向电压V RM 来选择，并注意留有余量。在桥式整流、电感滤波电路中每只二极管可按I D =1/2I D ，V RM =2V 2来选择。
3.3 整机电路性能分析
波形的产生及变换电路是应用极为广泛的电子电路。我所设计的是能产生标准方波波形信号输出的函数发生器。波形工作频率范围1.5KHZ 以下连续可调，方波幅值5、2、1V （峰
值）连续可调。本电路的功能是将电网电压作输入信号，经过变压、整流、滤波和稳压产生直流的12V 稳压电源。
具体电路图如下
图 3.4
第四章 仿真分析 仿真电路如下：
第五章 设计总结
此课程的课程设计实际是作为电子信息工程专业学生学习完《电子技术基础模拟部分》课程后，进行的一次全面的综合训练，其目的在于加深对本课程理论和基本知识的理解，掌握运用电子技术基础合理论知识设计一些简单的基本应用电路的方法。经过这段时间的学习和实践，基本上完成了课程设计。虽说整个课设过程很辛苦，可是我们从中找到了乐趣、接触了实践，以前不是特别明白的地方也通过实践弄懂了。总的来说，这次课程设计使我 感受到了理论与实践相结合的目的及其重要意义，不但使我对所掌握的电子技术基础知识有了更深刻的认识，还提高了我的动手查阅资料的能力而且还锻炼了自己的独立思考能力。
参考文献
1. 何立明. 单片机应用系统设计 . 北京: 北京航空航天出版社,2003.P85-P96.
2. 张毅刚等编. ＭＣＳ51单片机应用设计. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1996. P125-P140.
3. 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术. 北京:北京航空航天大学出版社,1993. P112-P143.
4. 孙育才.MCS-51系列单片微型计算机及其应用. 南京:东南大学出版社,1998. P105-P131. 5. 康华光. 电子技术基础. 北京:高等教育出版社,1990.P108-P110. 6. 万嘉若. 电子线路基础. 北京:高等教育出版社,1987.P167-P168. 7. 王至正. 电子技术基础. 北京:高等教育出版社,1988.P161-P162. 8. 周良权. 模拟电子技术基础. 北京:高等教育出版社,1994.P237-P238. 9. 李广弟．单片机技术．中央广播电视大学出版社．2001. P102-P112. 10. 王炳软．集成电路应用原理．电子科技出版社．1994. P112-P120. 11. 冯熙昌．数字通信、音像集成电路手册．1999. P42-P65.
12. 李广弟．单片机基础．北京航空航天大学出版社．1999. P95-P101.
附录Ⅰ：器件清单