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1、武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级：电子科学与技术0801班指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 函数发生器的设计 初始条件： 可选元件：双运放A741两只，双三极管3DG130两对，电阻、电位器、电容若干，直流电源Vcc= +12V，VEE= -12V，或自备元器件。可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表要求完成的主要任务: （1）设计任务根据已知条件，完成对方波三角波正弦波发生器的设计、装配与调试。（2）设计要求 频率范围10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；正弦波Upp3V，幅度连续可调，线性失真小。三角波
2、Upp5V，幅度连续可调，线性失真小。方波Upp14V，幅度连续可调，线性失真小。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用PSPICE或EWB软件完成仿真） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。时间安排：1、 2010年1月12日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。2、 2010 年1月13日 至2007年1月19日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。3、 2010 年1月19日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。指导教师签名： 年
3、月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘要.II 绪论.IIIAbstract.IV1 函数发生器的总方案及原理框图.11.1 电路设计原理框图.1 1.2 路设计方案设计.12设计的目的及任务.2 2.1 课程设计的目的.22.2 课程设计的任务与要求.2 2.3 课程设计的技术指标.23单元电路设计、参数计算及器件选择.3 3.1 方波发生电路的工作原理.33.2方波-三角波转换电路的工作原理.3 3.3三角波-正弦波转换电路的作原理.6 3.4电路的参数选择及计算.7 3.5总电路图.84 电路仿真. 94.1 方波-三角波发生电路的仿真.9 4.2 三角波-正弦波转换电路的
4、仿真.105电路的安装与调试.11 5.1 方波-三角波发生电路的安装与调试.115.2 三角波-正弦波转换电路的安装与调试.11 5.3 总电路的安装与调试.11 5.4 电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法.116电路的实验结果.136.1 方波-三角波发生电路的实验结果.136.2 三角波-正弦波转换电路的实验结果.136.3 实测电路波形、误差分析及改进方法.137 实验总结. 15参考文献.16附录 元件清单.17附录 整体电路图.18摘 要函数（波形）信号发生器。能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫函数
5、信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。 通过对模拟电子基础的学习，我运用运放741制作了一个能产生方波，三角波以及正弦波的函数型号发生器。关键字：运放741；方波；三角波；正弦波；函数型号发生器。Abstract Function (waveform) signal generator. It can produce certain periodic function
6、of time waveforms (sine, square, triangle wave, sawtooth wave and pulse wave, etc.) signal, the frequency can range from a few micro-Hz to a few tens MHz.Function Generator circuit experiments and detection equipment with a very wide range of uses. For example, in telecommunications, broadcasting, t
7、elevision systems, the need to radio-frequency (HF) emission, where the radio waves is the carrier, the audio (low frequency), video signal or pulse signal carried out, it is necessary to produce high-frequency oscillator. In addition to communications, instrumentation and automatic control system t
8、esting, but also widely used in other non-electric measurement. Through analog electronics-based learning, I used the op amp can produce 741 produce a square wave, triangle wave and sine wave function generator model. Keywords: Op-Amp 741; square; triangular wave; sine wave; function model generator
9、. 1绪 论随着我国科学技术势力不段提高，以及世界科学水平也在飞速发展。大规模集成电路再不同的领域也越来越被利用，不论在工业，还是在其他方面都起着举足轻重的作用。现代电子技术的快速发展,信号的产生运用于各领域中。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)。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
10、计方法。1函数发生器总方案及原理框图1.1 原理框图1.2 函数发生器的总方案 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，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
11、正弦波。波形变换的原理是利用差分放大性非线性。2课程设计的目的和要求2.1 设计目的1掌握电子系统的一般设计方法2掌握模拟IC器件的应用3培养综合应用所学知识来指导实践的能力4掌握常用元器件的识别和测试5熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法2.2设计任务 设计方波三角波正弦波函数信号发生器2.3课程设计的要求及技术指标1.频率范围10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；2.正弦波Upp3V，幅度连续可调，线性失真小。3.三角波Upp5V，幅度连续可调，线性失真小。4.方波Upp14V，幅度连续可调，线性失真小。3各组成部分的工作原理3.1 方波发生电路的工作原理 此电路由
12、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。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，
13、电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。3.2 方波-三角波转换电路的工作原理方波三角波产生电路工作原理如下：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。运放的反相端接基准电压，即U-=0，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。设Uo1=+Vcc,则 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位
14、Uia-为若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为比较器的门限宽度由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-71所示。a点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为时，时，可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下图所示。a点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波的幅度为方波-三角波的频率f为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
15、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。3.3 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。分析表明，传输特性曲线的表达式为：式中差分放大器的恒定电流；温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mV。如果Uid为三角波，设表达式为式中Um三角波的幅度；
16、 T三角波的周期。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。3.4电路的参数选择及计算1.方波-三角波中电容C1变化（4） 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，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不
17、容易在实际电路中实现。2. 三角波-正弦波（5） 比较器A1与积分器A2的元件计算如下。（6） 由式（3-61）得（7） 即（8） 取 ，则，取 ，RP1为47K的点位器。区平衡电阻（9） 由式（3-62）（10） 即（11） 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。（12） 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
18、放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。3.5 总电路图4 电路仿真4.1 方波-三角波发生电路的仿真4.2 三角波-正弦波转换电路的仿真5 电路的安装与调试5.1 方波-三角波发生电路的安装与调试1.安装方波三角波产生电路1. 把两块741集成块插入电路板板，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。 2.调试方波三角波产生电路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.
19、2 三角波-正弦波转换电路的安装与调试1.按装三角波正弦波变换电路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。2.调试三角波正弦波变换电路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 5.3总电路的安装与调试1. 把两部分的电路接好，进行整
20、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。5.4调试中遇到的问题及解决的方法方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。1 方波-三角波发生器的装调由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使RP1=10K,RP2取（2.5-70）K内的任一值,否则电路可能会不起振。只要电路接线正确，上电后，UO1的输出为方波，UO2的输出为三
21、角波，微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求有，调节RP2，则输出频率在对应波段内连续可变。2三角波-正弦波变换电路的装调 按照图375所示电路，装调三角波正弦波变换电路，其中差分发大电路可利用课题三设计完成的电路。电路的 调试步骤如下。（1）经电容C4输入差摸信号电压Uid=50v，Fi =100Hz正弦波。调节Rp4及电阻R*,是传输特性曲线对称。在逐渐增大Uid。直到传输特性曲线形状入图373所示，记 下次时对应的 Uid即Uidm值。移去信号源，再将C4左段接地，测量差份放大器的 静态工作点I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.(2) Rp3与C4连接，调节Rp3使三角波俄
22、输出幅度经Rp3等于Uidm值，这时Uo3的 输出波形应 接近 正弦波，调节C6大小可改善输出波形。如果Uo3的 波形出现如图376所示的 几种正弦波失真，则应调节和改善参数，产生是真的 原因及采取的措施有；1）钟形失真 如图（a）所示，传输特性曲线的 线性区太宽，应减小Re2。2）半波圆定或平顶失真 如图（b）所示，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R*.3）非线性失真 如图（C）所示，三角波传输特性区线性度 差引起的失真，主要是受到运放的影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形。（3）性能指标测量与误差分析 1）放波输出电压Upp=2Vcc是因为运放输出极有PNP型两种晶体
23、组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饮和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出度小于电源电压值。2）方波的上升时间T，主要受预算放大器的限制。如果输出频率的 限制。可接俄加速电容C1，一般取C1为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量T 6电路的实验结果6.1 方波-三角波发生电路的实验结果基本产生方波与三角波，其参数为C=0.1uffmin=198HZfmax=1800HZC=1uffmin=28HZfmax=207HZ方波0Vpp113;三角波0Vpp28,并且均可调6.2 三角波-正弦波转换电路的实验结果 基本产生正弦波且0Vpp35，并且连续可调6.3 实测电路波形、误差分
24、析及改进方法正弦波有些失真改进方法将：C6替换为由两个；1 uf替换成0.01 uf .改进后电路图：7实验总结 从拿到题目到具体设计，从学习到实践，在一个多星期的日子里，通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，平常模电学习时只是空洞的书本理论，缺乏实际操作，往往让人产生厌倦。而课程设计正是跳出纯粹的理论知识在实践中检验我们各项学习和动手能力。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，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现
25、了自己的不足之处，如对multisim软件的应用还不够熟悉，以及其中很多功能应用还未有深刻理解，要通过不断的实用和查找资料来完善自己此方面的能力。此设计由于我们的学业不精和时间等客观问题，未能使设计达到完善，还有很多缺点和错误，希望老师能提出改进意见，谢谢老师对我们的辛勤栽培。参考文献童诗白主编模拟电子技术基础（第三版）北京：高教出版社， 2001李万臣主编模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，2001.3胡宴如主编. 模拟电子技术. 北京. 高等教育出版社，2000谢自美主编. 电子线路设计实验测试（第三版）华中科技大学出版社, 2006 年08 月吴有宇主编.模拟电子技术基础.
26、清华大学出版社出版社，2009.5附录 元件清单名称序号型号参数数量 电容 C110nF1C2100nF1C347uF1C4470uF1C5100nF1C6470uF1电阻R110K1R220K1R310K1R55.1K1R710K1R8100nF1R96.8K1 R10100K3可变电阻R450K1R6100K1R85K1R11100K1三极管Q12N2222A1Q22N2222A1Q32N2222A1Q42N2222A1 运算放大器U17411U27411附录 整体电路图ut2ApOdfXXc02GyBKsKCWw97MrqqWhoj5TL15Zt6jIPYytYCummtARp3v1N5
27、luizi3xh3BhWYreKO8d9g7nmZQoWPJeTLDrw08gVS8DsDQQYGC3cE7moO2tLF0Jf1gK74IUXyBmtIVR97CkrfVqULT5fn2t6MpJR6rbzVPSortZvIj5NB5ndVvSr4iWr1TwLFKgLSPzuhRjQ3CmZU98eUOuijdLSZqPmvrw9zKupxf8WFUG9l2G9277g2rTipa1YpCZEuqxpKBhtVDCooQOzxUz3vJrZmOcijyM62zchmeooTYes8EBMm932tbz2Yo09RtsZEYS8Zrd2Yktj8l6jEAzVAjnfbtryLvsm6oFb
28、fToXVRFFn7OwIYgJlamkUNXJYbz5Rrb7r4VsuR9zpfZFMfsjhcfCA37lNW2VVLRKN7R8psz1BN6oRic5hU5Z6HCxAYqyNPOG8duYbAwqSl20CSg06Dh2sM8HLtgPkIcSkrgOPDpuHBj1LmPk7lYdvC6NNMwL3fwhZFTFVYAARY7lHSSxJ10V3pH3Y19BxYR77Ib7CpZSu2tijqe3hKqkKAu9KSkCpHKXUIKvvyJZpg2YijRkqfbGgOvyqKuxNWI9oMnJtt6QilZxtyrF7d20FbmabcfiixrQKUsVNXBPPFUX
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