函数信号发生器设计.docx

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1、函数信号发生器设计湖南工学院课程设计 目 录 一、设计的任务和要求.2 二、设计的方案选择与论证.3 三、函数发生器的具体方案.5 1 总的原理框图及总方案.5 2 各组成部分工作原理.6 3总电路图.10 四、电路的参数选择与仿真.11 五、实验结果分析.15 六、实验总结.16 七、参考文献.17附录:元器件列表.18 第 - 1 - 页 共 18 页 湖南工学院课程设计 一 设计的任务和要求 1.设计任务 设计方波三角波正弦波函数信号发生器 2.设计目的 巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。 培养根据课题需要选学参考书籍,查阅手册、图表和文献资料的自学能

2、力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。 通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件；初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。 了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。 培养严肃、认真的工作作风和科学态度。 3. 性能指标要求 输出波形：正弦波、方波、三角波等； 频率范围：110Hz、10100Hz； 输出电压：方波Up-p=24V,三角波Up-p=6V,正弦波U1V； 波形特征：方波tr10s，三角波失真系数THD2%，正弦波失真系数THD5

3、%。 第 - 2 - 页 共 18 页 湖南工学院课程设计 二、设计的方案选择与论证 函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。 产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。 1. 方案一 采用分立器件实现电路组成，主要的部件有双运

4、放uA741运算放大器、电压比较器、积分运算电路、差分放大电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案由三级单元电路组成的，第一级单元可以产生方波，第二级可以产生三角波，第三极可以产生正弦波，通过第二级的选择开关可以实现频率波段的转换，通过对差分放大电路部分元器件的调节来改善正弦波产生的波形。 2. 方案二 采用集成电路实现，主要部件有高速运算放大器LM318、单片函数发生器模块5G8038、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案通过调节不同电位器可调节函数发生器输出振荡频率大小、占空比、正弦波信号的失真，可产生精度较高的方波、三角波、正弦波，且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。

5、第 - 3 - 页 共 18 页 湖南工学院课程设计 3 方案比较与选择 方案二采用芯片虽然精度较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，而它们只能产生300kHz以下的中低频正弦波、矩形波和三角波，且频率与占空比不能单独调节，从而给使用带来很大不便，也无法满足高频精密信号源的要求。 uA741是美国仙童公司较为早期的产品,由于其性能完善,如差模电压范围和共模电压范围宽,增益高,不需外加补偿,功耗低,负载能力强,有输出保护等,因此具有较广泛的应用。uA741这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作，可以方便的输出精度较高的方波、三角波、正弦波，且可以通过调节差分放大电路的各个参数调节正弦

6、波的失真。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，可将频率很低的三角波变换成正弦波。 综上所述，本课题选用方案一。. 第 - 4 - 页 共 18 页 湖南工学院课程设计 三、函数发生器的具体方案 1. 总的原理框图及总方案 图1 函数信号发生器原理图 多波形信号发生器方框图如图1所示。 本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。并采用先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法： 由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正

7、弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。设计差分放大器时，传输特性曲线要对称、线性区要窄，输入的三角波的的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。 第 - 5 - 页 共 18 页 湖南工学院课程设计 2. 各组成部分的工作原理 2.1 方波-三角波转换电路的工作原理 图2 方波-三角波转换电路 图2为方波-三角波转换电路，其中运算放大器用双运放uA741。 工作原理如下： 若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波

8、Uo1,则积分器的输出电压Uo2为 UO2=-1UO1dt (R4+RP2)C2 当UO1=+VCC时，UO2=-(+VCC)-VCCt=t (R4+RP2)C2(R4+RP2)C2VCC-(-VEE)t=t (R4+RP2)C2(R4+RP2)C2 当UO1=-VEE时，UO2=第 - 6 - 页 共 18 页 湖南工学院课程设计 由此可见积分器在输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如下图3所示图3 方波-三角波波形关系 若a点闭合，即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。 三角波的幅度为：UO2m=R2VCC R3+RP1R3+RP14

9、R2(R4+RP2)C2方波-三角波的频率f为： f= 由以上两式可以得到以下结论： 1. 电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。 2. 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。 第 - 7 - 页 共 18 页 湖南工学院课程设计 2.2 三角波正弦波转换电路工作原理 图4 三角波正弦波转换电路 图为实现三角波正弦波变换的电路。其中Rp3调节三角波的幅度，Rp4调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来

10、减小差分放大器的线性区。电容C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。 三角波-正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。差分放大器采用单入单出方式。三角波-正弦波波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。 第 - 8 - 页 共 18 页 湖南工学院课程设计 差分放大器传输特性曲线的非线性及三角波-正弦波变换原理如下图： 图5 三角波-正弦波变换原理 分析表明，传输特性曲线的表达式为： IC2=aIE2=aI0aI0I=aI= C1E1Uid/UT-Uid/UT1+e1+e上式中：a=IC/IE1；I0差分放大器的恒定电流； UT温度的电压当量，当室

11、温为25时，UT26mV。 如果Uid为三角波，设表达式为 UidT4UmT0tt-T42= -4Umt-3TTtT4T2式中：Um三角波的幅度；T三角波的周期。 为使输出波形更接近正弦波，由图5可知： 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好； 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。 第 - 9 - 页 共 18 页 湖南工学院课程设计 3.总电路图 整个设计电路如图6所示。图6 方波三角波正弦波函数信号发生器 第 - 10 - 页 共 18 页 湖南工学院课程设计 四、电路的参数选择与电路仿真 本课题采用Multisim 10.1作为仿真软件。 Multisim是Interactiv

12、e Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。 Multisim 10.1通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路；通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为；借助高级电路分析, 理解基本设计特征；本课题使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。 1.方波-三角波

13、部分 参数选择：在电容C1、C2处放置了选择开关，可以满足课设要求的两个频率范围110Hz、10100Hz： 当需要110Hz时，开关选择C2=10F，取R4=5.1kW，RP2为100电位器； 当需要10100Hz时，取C2=1F，以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。平衡电阻R5=10kW。 第 - 11 - 页 共 18 页 湖南工学院课程设计 方波-三角波电路的仿真： 在Multisim 10.1中按方波-三角波转换电路图接线。调节Rp1和Rp2到设定值，检查无误后，在正确位置接上示波器观察输出波形，即可得到如图7所示的波形： 图7 方波 图7 三角波 第 - 12 - 页 共

14、 18 页 湖南工学院课程设计 图8为双踪示波器显示的方波三角波波形图 图8 方波-三角波 微调Rp1，使三角波的输出幅度满足设计要求，调节Rp2，则输出频率在对应波段内连续可变。 第 - 13 - 页 共 18 页 湖南工学院课程设计 2.三角波-正弦波部分 参数选择：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取C3=C4=C5=470mF，滤波电容C6视输出的波形而定，C6可取得较小，C6一般为几十皮法至0.1若含高次斜波成分较多，微法。RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R7确定。

15、 三角波-正弦波电路的仿真： 在Multisim 10.1中按方波-三角波转换电路图接线。保证参数正确，检查无误后，在正确位置接上示波器观察输出波形，调整R7和C6的大小即可得到如图9所示的波形： 图9 正弦波 第 - 14 - 页 共 18 页 湖南工学院课程设计 五、实验结果分析 比较器与积分器组成正反馈闭环电路，方波、三角波同时输出。电位器Rp1与Rp2要事先调整到设定值，否则电路可能会不起振。只要接线正确，接通电源后便可输出方波、三角波。微调Rp1，使三角波的输出幅度满足设计要求，调节Rp2，则输出频率在对应波段内连续可变。 调整RP4及电阻R7，可以使传输特性曲线对称。调节Rp3使三

16、角波的输出幅度经Rp3输出等于Uidm值，这时输出波形应接近正弦波，调节C6的大小可改善波形。 因为运放输出级由PNP型与NPN型两种晶体管组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，导通时受输出电阻的影响，使方波输出值小于电源电压值，故方波输出电压Up-p2Vcc。方波的上升时间tr主要受运算放大器转换速率的限制。 实验中若波形幅值太小，可适当添加一个放大电路以达到课设要求。 第 - 15 - 页 共 18 页 湖南工学院课程设计 六、实验总结 本课题根据设计中要实现的功能，经过自己认真地分析、实践，确立方案，书写文档，设计出电路，在设计过程中翻阅了大量资料，通过对所得的各种资

17、料的综合分析，提炼出自己需要的信息，从而提高自己的分析能力；通过对主要技术指标的分析，认真体会了设计时的各项技术政策；通过对设计时出现的各种问题的分析与解决，锻炼了独立分析，进行工程设计的能力；通过对电路设计中的某些问题的较为深入的探索，培养了自己的科研工作能力；通过设计论文的书写，进一步锻炼了绘图技巧，文字表达能力和对工作的认真态度。 当然，在设计中遇到了一些实际困难，通过本人及同组同学多次查找参考资料，以及指导老师的悉心讲解，终于豁然开朗；通过这次设计不仅巩固了本专业的知识，加深了对课本知识的理解，为本人在这一学期所学专业知识做了一个系统的把握。 第 - 16 - 页 共 18 页 湖南工

18、学院课程设计 七、参考文献 1 童诗白主编模拟电子技术基础北京：高教出版社， 2001 2刘冰茹主编现代电子技术实践课程指导北京：机械工业出版社2003 3王玉凤主编电路设计与仿真北京：清华大学出版社2005 4谢自美主编电子线路设计.实验.测试武汉：华中科技大学出版社2000 5罗杰电子线路设计实验北京:电子工业出版社2008 6杨刚电子系统设计与实践北京：电子工业出版社2004 7于卫模拟电子技术实验及综合实训教程武汉：华中科技大学出版社2008 8陈兆仁电子技术基础实验研究与设计北京：电子工业出版社2000 第 - 17 - 页 共 18 页 湖南工学院课程设计 附录：元器件列表 双踪示波器 运放uA741 电位器47K 电位器100 电位器100K 电容470F 电容100F 电容10F 电容1F 选择开关 电阻20K 电阻10K 电阻6.8K 电阻5.1K 电阻2K 电阻1.05K 电阻100 1台 2片 2只 1只 1只 3只 1只 1只 1只 1只 3只 3只 2只 1只 2只 1只 1只 第 - 18 - 页 共 18 页