模电课设函数发生器的设计.docx

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1、武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计报告课程设计任务书学生姓名： 叶枫 专业班级： 通信zy1201班 指导教师： 李瑞芳 工作单位： 信息工程学院 题 目: 函数发生器设计 初始条件： 示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表要求完成的主要任务: 1频率可调范围：10Hz10kHz2.输出电压：正弦波VPP=03V, 三角波VPP=05V, 方波VPP=015V3.输出电压幅度连续可调4.方波上升时间小于2微秒，三角波线性失真小于1%，正弦波失真度小于3%时间安排：1、 2013 年 12 月 18 日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。2、 2014 年 1 月 3 日至 201

2、4 年 1 月 6 日，方案选择和电路设计仿真。3、 2014 年 1 月 7 日至 2014 年 1 月 10 日，电路焊接调试和编写课程设计报告。4、 2014 年 1 月 12 日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘 要IAbstractII1 方案设计选择11.1 方案一11.2 方案二11.3 结论12 函数发生器电路设计及原理22.1函数发生器的总体原理22.2原理框图23 各组成部分的工作原理和电路设计33.1方波-三角波电路及工作原理33.2 三角波-正弦波转换电路的工作原理63.3电路的参数选择及计算8

3、3.4 总电路图94 电路的仿真104.1 方波电路的仿真104.2 三角波电路的仿真104.3 正弦波电路的仿真114.4仿真结果分析115 实物电路的安装与调试125.1电路的焊接125.2调试中遇到的问题及解决办法125.3实物展示136 心得体会147 参考文献15本科生课程设计成绩评定表16摘 要函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。函数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。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。其电路中使用的器件可以是分立器件（如低频函数信号发生

4、器S101全部采用晶体管），也可以是集成电路（如单片集成电路函数发生器ICL8038）。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，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换成三角波；也可以先产生方波-三角波，再将三角波变换成正弦波。本次课程设计是要求做一个能够产生方波-三角波-正弦波的函数发生器。众所周知，制作函数发生器的电路有很多种。本次设计采用的电路是基于运放和晶体三极管的试验电路。由理论分析知，电压比较器可以产生方波,积分电路可以产生三角波,三角波再经过差动放大器可以产生正弦波。向电压比较器输入三角波就可以产生方波，于是可以将积分电路的输出作为电压比较器的输入

5、。各种波形频率段的调整可以由外电路的改变来实现。例如，改变电容的值。电路的原理部分的设计，可以是先设计单元电路，然后用仿真软件模拟。等到各个单元都设计完成后，可以将各个单元结合到一起，由仿真软件模拟是否符合制作要求。本次试验中，就是先做方波发生电路：电压比较器，然后是积分电路，最后是差动放大电路。关键词：信号发生器 方波 三角波 正弦波AbstractFunction generator is usually referred to as can automatically generate sine wave, square, triangle spread sawtooth wave, t

6、he ladder wave etc of the voltage waveform circuit or device. Differ according to utility, have produced three or more wave function generator, the device used can be divided equipments (such as low frequency signal function generator S101 all adopt the transistor), also can use integrated circuits

7、(such as monolithic function generator module 8038). For further grasp the basic theory and experiment circuit debug technology, this subject adopts by integrated operational amplifier and transistor differential amplifiers composed of square wave - triangle wave - sine function generator design met

8、hod.The curriculum design is required to produce a Fang Bo - triangle wave - sine wave function generator. As everyone knows, making the circuit has many kinds of function generator. The design of the circuit is based on the operational amplifier and a crystal triode test circuit. By theoretical ana

9、lysis, the voltage comparator can produce square wave, integral circuit can generate triangular wave, triangular wave through the differential amplifier can produce sine wave. Voltage comparator input triangle wave can produce square wave, and can be integral circuit output as a voltage comparator i

10、nput. Various waveform frequency can be adjusted by the external circuit to realize the change. For example, changing the value of the capacitor. The principle of the circuit part of the design, can be the first unit circuit design, and then use the simulation software. Wait for the each unit after

11、the completion of the design, each unit can be combined together, the simulation software is consistent with the production requirements. In this trial, is to be a square wave generating circuit: voltage comparator, and is the integral circuit, and finally the differential amplifying circuit.Key wor

12、ds: signal generator Square wave Triangle wave Sine waveII1 方案设计选择1.1 方案一首先通过RC正弦波产生电路及选频网络产生频率可调的正弦信号，然后通过电压比较器将正弦信号转换成同频率的方波信号、通过积分器将方波信号转换成同频率的三角波。最后，接调幅网络后即可输出幅度、频率可调的正弦、方波、三角波信号。图1-1方案一原理框图1.2 方案二用迟滞比较器与反相积分器首尾相串联构成方波-三角波产生电路，然后，采用差分放大器，作为三角波正弦波变换电路利用差分对管的饱和与截止特性进行变换，此电路的输出频率就是就是方波-三角波产生电路的频率，将

13、正弦波用比较器进行比较产生方波，调节比较电位，使得方波的占空比可以改变。1.3 结论比较以上两种种方案的优缺点，方案二简洁精确性高，抗干扰能力强，能完全达到设计要求，同时符合本次课程设计的要求，故采用第二种方案。2 函数发生器电路设计及原理2.1函数发生器的总体原理函数发生器主要产生三种波，即正弦波、方波、三角波。首先产生方波三角波，再将三角波变成正弦波。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

14、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。2.2原理框图 函数发生器的总原理框图如图2-1所示。图2-13 各组成部分的工作原理和电路设计3.1方波-三角波电路及工作原理如图3.1.1所示，电路能自动产生方波、三角波。电路工作原理如下:运放与、与，组成电压比较器，称为平衡电阻，称为加速电容，可加速比较器的翻转。图3-1 实际方波-三角波仿真电路由可得比较器的两个门限电压：；由此可得电压比较器的传输特性，如图3.1.2所示 图3-2 电压比较器的电压传输特性曲线运放与、及组成反相积分器，其输入信号为方波时，则输出积分器的电压为当时，当时，可见，当积分器的输入

15、为方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形关系如图3.3所示： 图3-3 方波-三角波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，三角波的幅度为方波-三角波的频率为由上分析可知： 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。方波的输出幅度应等于电源电压。三角波的输出幅度应不超过电源电压。电位器RP1可实现幅度上午微调，但会影响波形的频率。当时，取；当时，取；当时，取。3.2 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（如图3-4所示）主要由差分放大电路来完成。图3-4三角波正弦波变换电路差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗

16、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；T三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，由图3-5可见：图3-5（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

17、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。图3-6三角波正弦波仿真电路3.3电路的参数选择及计算1.方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一）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，不容易在实际电路中实现。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（3-61）得即取 ，则，取 ，RP1为47K的电位器。区平衡电阻由式（3-62）即当时，取，则，取，为100K电位器。当时 ，取以实现频率波段的

18、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。3.4 总电路图图3-7 总仿真电路图4 电路的仿真4.1 方波电路的仿真如图4-1为方波仿真波形图4-14.2 三角波电路的仿真如图4-2为三角波仿真波形图4-24.3 正弦波电路的仿真如图4- 3为正弦波仿真波形图4-34.4

19、仿真结果分析 信号频率可通过电位器5来改变，起调节频率范围满足10Hz10kHz的范围要求。方波的幅值可通过电位器R18实现调节，调节范围0V15V，满足要求；三角波信号的幅值可通过R6实现调节，调节范围0V6.2V；正弦波信号幅值可通过R8和R14实现调节，调节范围0V3.7V；方波三角波波形稳定，不失真，正弦波波形易失真，需要耐心调节，主要有以下三种失真： a.钟形失真 ：传输特性曲线的 线性区太宽。 b.半波圆定或平顶失真：传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻. c.非线性失真 ：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

20、。5 实物电路的安装与调试5.1电路的焊接 按照电路图合理布局，将原件焊接在合适的位置，然后细心对照电路图画出焊接图开始走锡。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。对于接不通的线可以适当选择在实验板后面合理布线。 5.2调试中遇到的问题及解决办法刚开始，正弦波的图像总是失真。解决方法：将正弦波与三角波发生电路间的连接断开，接入信号源，产生，的三角波输入，调节电位器使正弦波发生电路的线性工作区对称。5.3实物展示图5-1图5-26 心得体会通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关模拟电子技术方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次

21、的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。由于没有任何经验，设计电路图时无从下手，只知道方案却对细节一无所知。于是开始看书，上网去图书馆书城查资料。慢慢的思路就清晰起来，设计了几个电路图开始仿真，第一次使用Multisim又遇到了同样的问题，面对界面上的所有英文工具栏菜单栏茫然不知所措，于是又开始查资料请教同学.第一次仿真是总是出现错误，对照电路图看了半天找不出问题，于是开始怀疑电路的设计有问题，甚至怀疑这个软件有问题！最后终于发现是连线出了问题。仿真入门之后开始对电路的参数进行调试，

22、不断的改变原件参数，计算分析使之符合要求。调试期间遇到很多问题，有的问题搞了一整天都没解决。期间种种问题在此不再一一赘述。通过对函数信号发生器的设计，我还深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过

23、观察效果来改变参数的数值以期达到最好。而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧！此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。7 参考文献1 吴友宇. 模拟电子技术基础M. 北京：清华大学出版社. 2009年5月2 铃木雅臣主编. 晶体管电路设计M. 科学出版社. 2004年9月3 邬玉波，张仁霖. 基于集成运算放大器和差分放大器的函数发生器设计与实现J. 安徽电子信息技术学院学报. 2009年第3期4 黄晓艳，赵小杰. 简易函数发生器电路分析与改进J. 丽水学院学报. 2010年10月5 童诗白. 模拟电子技术基础（第三版）M. 北京：高教出版社. 2001年15本科生课程设计成绩评定表姓 名 叶枫性 别男专业班级通信zy1201题 目： 函数发生器设计答辩或质疑记录： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：_ 年 月 日16