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1、目录第1章前言2第2章函数发生器总体方案及原理框图32.1 电路设计原理框图32.2 函数发生器设计总方案3第3章各单元电路设计、参数计算及器件选择43.1 产生方波三角波正弦波的电路工作原理43.1.1 方波发生电路的工作原理43.1.2 方波三角波转换电路的工作原理43.1.3 三角波正弦波转换电路的工作原理53.2 电路的参数选择及计算63.2.1 方波三角波部分63.2.2 三角波正弦波部分73.3 总电路图8第4章电路波形仿真与数据分析94.1 仿真波形图94.2 数据分析11第5章电路的安装与测试125.1 电路的调试125.1.1 通电前的检查125.1.2 调试方法与原则125
2、.1.3 调试中注意的事项135.2 方波三角波发生电路的安装与调试145.2.1 安装方波三角波发生电路145.2.2 调试方波三角波发生电路145.3 三角波正弦波发生电路的安装与调试145.3.1 安装三角波正弦波发生电路145.3.2 调试三角波正弦波发生电路145.4 总电路的安装与调试145.5 调试中遇到的故障及诊断方法155.5.1 故障的产生原因155.5.2 故障的诊断办法15第6章电路的实验结果17参考文献18结束语.19附录I元器件清单21附录 整体电路图21第1章 前言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
3、，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)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，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。函数发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。现在我们通过对函数发生器的原理以及结构设计一个能够变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最合适本课题的方案。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。按照设计的方案选择具体的元件，运用仿真软
4、件对事物进行调试，观察效果是否与课题要求的性能指标作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。第2章 函数发生器总体方案及原理框图2.1 电路设计原理框图图2-1设计院路组成框图2.2 函数发生器设计总方案产生正弦波、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。本课题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，函数发生器电路组成框图如上所示。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，三角波到正弦波的变换电路主要
5、由差分放大器来完成。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，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。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3章 各单元电路设计、参数计算及器件选择3.1 产生方波三角波正弦波的电路工作原理3.1.1 方波发生电路的工作原理该电路可由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。-Vee+Vcca3.1.2 方波三角波转换电路的工作原理 图3-1 方波-三角波转换电路若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、R
6、P1组成同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。图3-2 比较器电压传输特性图3-3 方波-三角波变换波形图3-4 三角波-正弦波转换电路3.1.3 三角波正弦波转换电路的工作原理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，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦
7、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。图3-5 三角波正弦波变换波形为使输出波形更接近正弦波，由图可见：（1） 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；（2） 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。（3） 图为实现三角波正弦波变换的电路。其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。3.2 电路的参数选择及计算3.2.1 方波三角波部分实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出
8、波形。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。3.2.2 三角波正弦波部分比较器A1与积分器A2的元件计算如下。由式（2-2-8）得即取 ，取 ，RP1为100K的点位器。平衡电阻由式（2-2-9）即当时，取，则，取，为100K电位器。当时 ，取以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变，取平衡电阻。三角波-正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1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
9、大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R*确定。3.3 总电路图图3-6 方波三角波正弦波函数发生器实验电路第4章 电路波形仿真与数据分析4.1 仿真波形图图4-1 方波波形图4-2 三角形波形图4-3 正弦波波形图4-4 方波-三角波波形图4-5 三角波-正弦波波形4.2 数据分析方波-三角波发生电路的仿真结果：表4-1 方波-三角波实验数据表4-2 方波图形结果分析要求数据仿真结果 三角波-正弦波仿真测试结果：表4-3 三角波-正弦波实验数据第5章 电路的安装与测试5.1 电路的调试5.1.1 通电前的检查电路安装完成后，必须在没有通电的情况下，对电路进行认真仔细的检查
10、，以便发现并纠正电路在安装过程中的疏漏和错误，避免在通电后发生不必要的故障。检查的主要内容有： （1） 检查元器件 检查电路中每一个元器件的型号和参数是否符合设计要求，这是可以对照原理图逐一进行检查。在检查时还要注意各元器件引脚之间有无短路，连接处的接触是否良好。特别要注意集成电路的方向和引脚、三极管管脚、二极管的方向和电解电容的极性等是否接好。 （2） 检查连线 电路的连线的错误是造成电路故障的主要原因之一。因此在通电之前必须检查所有连线是否正确。在查线过程中还要注意连线的接触点是否良好。 （3） 检查电源进线 在检查电源进线时，线查看一下电源线的正负极性是否正确，然后用万用表检查电源线进线
11、之间有无短路现象。 5.1.2 调试方法与原则1、通电检查 在上述检查无误后，根据设计要求，将电压相符的电源接入电路。电源接通后不应急于测量数据或观察结果，而应首先观察电路中有无异常现象。如有无冒烟，是否闻到异常的气味，也可用手摸元器件有无异常的发热现象，电源是否有短路现象等。如果出现这些异常现象，应立即关断电源，重新检查电路并找出原因，等排除故障后方可接通电源。 2、静态调试 这是在电路接通电源而没有接入外加信号的情况下，对电路直流工作状态进行测量和调试。在模拟电路中，对各级晶体管的静态工作点进行测量。对集成运算放大器则测量各有关管脚的直流电位是否符合设计要求。 对于数字电路，在输入端加固定
12、电平时，测量电路中各点的电位值与设计值相比有无超出允许范围，各部分逻辑关系是否正确。通过静态调试可以判断电路的工作状态是否正常。如果工作状态不符合设计要求，则应及时调整电路参数，直至各测量值符合要求为止。 3、动态调试电路在经过静态调试并已达到设计要求后，便可在输入端接入信号进行动态调试。对于模拟电路一般应按照信号的流向，从输入级开始逐级向后进行调试。当输入端加入适当的频率和幅度的信号后，各级的输出端都应有相应的信号输出。这时应测出各相关点的输出信号的波形、幅度、频率和相位关系，并根据测量结果，估算电路的性能指标，凡达不到设计要求的，应对电路的有关参数进行调整，使之达到要求。经初步动态调试后，
13、如电路的性能已基本达到设计要求，便可进行电路性能指标的全面测试。对于数字电路的动态调试，一般先调整好振荡电路，以便为整个电路提供时钟信号。然后再分别调整控制电路、信号处理电路、输入输出电路及各种执行机构。在调试过程中要注意各部分的逻辑关系和时序关系，应对照设计时的时序图，检查各点的波形是否正常。 5.1.3 调试中注意的事项为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点：（1）正确使用测量仪器的接地端（2）测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。（3）仪器的带宽必须大于被测电路的带宽，
14、要正确选择测量点。（4）用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。（5）调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。（6）调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。我们应该认真检查.调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。5.2 方波三角波发生电路的安装与调试5.2.1 安装方波三角波发生电路1. 把两块741集成块插
15、入面包板，注意布局；2. 分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；3. 按图接线，注意直流源的正负及接地端。5.2.2 调试方波三角波发生电路1. 接入电源后，用示波器进行双踪观察；2. 调节RP1，使三角波的幅值满足指标要求；3. 调节RP2，微调波形的频率；4. 观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装。5.3 三角波正弦波发生电路的安装与调试5.3.1 安装三角波正弦波发生电路1. 在面包板上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线；2. 搭生成直流源电路，注意R*的阻值选取；3. 接入各电容及电位器，注意C6的选取；4. 按图接线，注意直流源的正负及接地端。5.3.2 调试
16、三角波正弦波发生电路1. 接入直流源后，把C4接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点；2. 测试V1、V2的电容值，当不相等时调节RP4使其相等；3. 测试V3、V4的电容值，使其满足实验要求；4. 在C4端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压；5.4 总电路的安装与调试1. 把两部分的电路接好，进行整体测试、观察2. 针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。5.5 调试中遇到的故障及诊断方法5.5.1 故障的产生原因（1）实际安装接线与设计的原理电路不符。主要表现在接线的错误、元器件使用的错误
17、或引脚接错等，致使电路工作不正常。（2）元器件、实验电路板损坏。（3）安装和布线不当。如安装时出现断线或走线不合理，集成电路方向插反或闲置端未作正确处理等，都将造成电路故障。（4）测试操作错误。如测试仪器的连接方法不当，测试点位置接错。测试线断线或接触不良等。此外，测试仪器本身的故障或使用不当等都会造成电路调试过程中的故障。5.5.2 故障的诊断办法（1）直接检查法 直接检查法是在电路不通电的情况下，通过目测，对照原理图，检查每一个元器件和集成电路的型号是否正确，极性有无接反，管脚有无损坏，连线有无错误等。 （2）信号寻迹法 对于自己设计或熟悉的电路，由于对电路的各部分的工作原理、工作波形、性
18、能指标比较了解。因此，可以按照信号的流向逐级寻找故障。一般在电路的输入端加入适当的信号，然后用示波器或万用表逐级检查信号在电路内部的传输情况。从而观察并判断其功能是否正常，找出故障点。 （3）分割测试法 对于一些有级间反馈的电路故障判断比较困难，如振荡器、带有各种类型反馈的放大器等，对于这种电路查找故障时需要把反馈环路断开，接入合适的信号，使电路成为开环系统，然后再逐级查找故障的发生部位。 （4）对半分割法 当电路由若干个串联块组成时，可将其分割成两个相等的部分，通过测试先判断这两部分中究竟是哪一部分有故障，然后把有故障的部分再分成两半来进行检查直到找出故障位置。（5）替代法把经过调试且工作正
19、常的单元电路，代替相同的但存在故障的或有疑问的相应电路，以便很块判断故障的位置。第6章 电路的实验结果模拟仿真Ic1=Ic2=0.5mA表6-1 波形转换电路的实验结果参考文献1、彭介华等著。电子技术课程设计指导.M北京：高等教育出版社，1997年。2、安冰菊等著。电子技术基础实验及课程设计.M北京：机械工业出版社，2006年。3、陈光明等著。电子技术课程设计与综合实训.M北京：北京航空航天大学大学出版社，2007年4、孙肖子、张启民著。模拟电子技术基础.M西安：西安电子科技大学出版社，2001年。结束语简易函数发生器能产生方波，三角波，正弦波。通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方
20、波变成三角波，再由差分放大电路将三角波转换成正弦波。波形的产生是由电压比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，电路自动产生方波三角波。通过改变电位器与C2的值可以使方波-三角波的输出频率。差分放大器作为三角波正弦波的变换电路，利用差分对管的饱和与截止特性进行变换。波形的仿真利用EWB软件对以上电路的变换的波形产生进行仿真与设计要求与任务校正。通过本次课程设计我总体掌握了电路设计实物的基本流程，把在书本知识运用在设计中，通过参考书与向学长和老师请教，在网上参考资料后我基本完成简易函数发生器的设计和制作。由于时间仓促，存在问题再所难免，请老师提出宝贵意见。致谢通过本次课程设计我总体掌握了电路设计实物
21、的基本流程，把在书本知识运用在设计中，通过参考书与向学长和老师请教，在网上参考资料后我基本完成简易函数发生器的设计和制作。简易函数发生器能产生方波，三角波，正弦波。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，再由差分放大电路将三角波转换成正弦波。波形的产生是由电压比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，电路自动产生方波三角波。通过改变电位器与C2的值可以使方波-三角波的输出频率。差分放大器作为三角波正弦波的变换电路，利用差分对管的饱和与截止特性进行变换。波形的仿真利用EWB软件对以上电路的变换的波形产生进行仿真与设计要求与任务校正。通过以上程序与原理计算最终确定实物参数得实验原
22、理图，通过本学期EDA技术的学习，用protel99软件画出PCB板，作出实物简易函数发生器，在这个过程中我们遇到了很多困难，但经过努力以及老师的帮助，基本完成本课程的设计。在此谢谢程风芹老师给与我的帮助，经过老师多次耐心的指导，方有了这篇论文的定稿。附录I元器件清单元器件清单名称标号规格运放A1、A2uA741电容C10.01uFC2、C6*0.1uFC3、C4、C5470uF三极管T1、T2、T3、T48050 电阻R116KR2、R3、R520KR410KRB1、RB26.8KRe2100RC1、RC210KRe3、Re42KR*1K电位器RP160KRP2、RP3、RP4100K附录 整体电路图方波-三角波转换电路：三角波-正弦波转换电路：方波-三角波-正弦波转换电路：
