函數(shù)信號發(fā)生器課程設計

1、湘潭大學課程設計說明書題 目： 函數(shù)信號發(fā)生器 課程名稱： 電子技術綜合設計 學 院： 信息工程學院 專 業(yè)： 自動化 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期： 2016年6月 課 程 設 計 任 務 書設計題目函數(shù)信號發(fā)生器設計時間2016年6月1號2016年6月21號學生姓名學號班級設計任務及要求：設計任務：設計、組裝、調(diào)試函數(shù)信號發(fā)生器，性能如下：(1) 能輸出波形包括：正弦波、三角波、方波；(2) 輸出電壓幅值要求：方波峰峰值V1PP<20V, 三角波峰峰值V2PP=6V, 正弦波峰峰值V3PP>1V; (3) 頻率范圍：10Hz-10kHz范圍內(nèi)可調(diào)。Ø基本要

2、求：(1) 系統(tǒng)總體方案的設計，分析比較各種設計方案的優(yōu)缺點，畫出系統(tǒng)框圖，并進行經(jīng)濟決策分析； (2) 單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇：要有電路參數(shù)設計的詳細分析過程，要提供各種參數(shù)的選擇依據(jù)，給出主要參數(shù)計算公式； (3) 應用Multisim軟件進行仿真，仿真不同參數(shù)下的電路仿真結(jié)果，并分析系統(tǒng)性能；(4) 要求進行系統(tǒng)硬件設計及制作； (5) 硬件調(diào)試及分析；要得到實際電路的測試結(jié)果（記錄波形），并對結(jié)果進行分析，并給出誤差產(chǎn)生原因； (6) 按要求撰寫設計說明書。目 錄摘 要：I1.設計背景11.1任務闡述11.2 任務分析11.3 課題項目管理計劃進度表12.設計方案32.1 系

3、統(tǒng)方案設計32.1.1.方案一32.1.2.方案二32.1.3.方案三42.1.4.方案比較42.2 單元電路設計及器件參數(shù)選擇52.2.1.方波產(chǎn)生電路52.2.2.三角波產(chǎn)生電路62.2.3.正弦波產(chǎn)生電路82.3 完整電路設計93.方案實施103.1 系統(tǒng)仿真及性能分析103.1.1.方波三角波產(chǎn)生電路103.1.2.正弦波產(chǎn)生電路113.2硬件制作與調(diào)試123.2.1.使用的主要儀器和儀表123.2.2.調(diào)試電路的方法和技巧123.2.3.測試的數(shù)據(jù)及誤差分析、波形133.2.4.調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法144.結(jié)果與結(jié)論154.1.設計電路和方案的優(yōu)缺點及建議154.2.課題

4、核心及實用價值155.收獲與致謝166.參考文獻177.附件17設計題目 函數(shù)信號發(fā)生器摘 要：函數(shù)信號發(fā)生器作為一種常用的信號源,它可以產(chǎn)生多種波形信號,如正弦波,三角波,方波等。因而此次實驗旨在運用模擬電子技術知識來制作一個能同時輸出正弦波、方波、三角波的函數(shù)信號發(fā)生器。產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波。本課題則采用先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法。關鍵詞：滯回比較器；積分電路；差分放大電路；波形；頻率I1.設計背景1.1任務闡述函數(shù)信號發(fā)生器作為一種常用的信號源,是現(xiàn)代測試領域內(nèi)

5、應用最為廣泛的通用儀器之一。它可以產(chǎn)生多種波形信號,如正弦波,三角波,方波等,因而此次實驗旨在運用模擬電子技術知識，并利用實驗室所提供的集成運放741、三極管9031、若干可調(diào)電阻、定值電阻以及電容等器件自行設計電路圖，完成仿真及實物制作，最終設計完成一個能同時輸出正弦波、方波、三角波的函數(shù)信號發(fā)生器。1.2 任務分析函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。因此本次課題設計的關鍵是設計能夠分別產(chǎn)生方波、三角波、正弦波的三個電路。在對任務進行初步分析之后，回顧所學模擬電子技術知識發(fā)現(xiàn)帶正反饋的遲滯比較器可以產(chǎn)生方波，積分電路在方波的輸入下可以生成三

6、角波，而射極耦合式差分放大電路可以在以三角波為輸入的情況下輸出正弦波。又結(jié)合實驗室所給器材及器材數(shù)量，以及查閱相關資料，最終可以將這三大電路模塊串聯(lián)構(gòu)成函數(shù)信號發(fā)生器。確定好電路初形后，在仿真軟件上進行仿真調(diào)試，最后去實驗室進行實物準備。1.3 課題項目管理計劃進度表序號各階段完成的內(nèi)容完成時間1查閱相關文獻資料、課題調(diào)研2016.6.12掌握設計軟件、制訂進度計劃2016.6.13系統(tǒng)方案的比較和選定，經(jīng)濟決策分析2016.6.24單元電路設計、參數(shù)計算及元器件選擇2016.6.2-2016.6.45系統(tǒng)仿真及性能分析2016.6.4-2016.6.56仿真結(jié)果檢查2016.6.67系統(tǒng)硬件

7、制作及調(diào)試2016.6.6-2016.6.138硬件制作結(jié)果檢查2016.6.149撰寫課程設計說明書2016.6.17-2016.6.212.設計方案2.1 系統(tǒng)方案設計產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波方波，再將方波變成正弦波或先將三角波變成正弦波，再將正弦波變成方波等。以下就三種實驗方案進行比較分析。1.2.2.1.2.1.1. 方案一由555定時器組成的多諧振蕩器在接通電源后產(chǎn)生方波，再通過積分電路將方波轉(zhuǎn)化成三角波，最后用低通濾波器將方波轉(zhuǎn)化成正弦波。該方案系統(tǒng)框圖如下：圖2-

8、 1 方案一系統(tǒng)框圖2.1.2. 方案二采用先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法。即先通過電壓比較器產(chǎn)生方波，然后通過積分電路形成三角波，最后由差分放大電路形成正弦波。該方案系統(tǒng)框圖如下：圖2- 2 方案二系統(tǒng)框圖2.1.3. 方案三該方案首先通過文氏電橋產(chǎn)生正弦波，然后通過過零比較器調(diào)出方波，最后通過RC積分電路產(chǎn)生三角波，三種信號頻率相同。該方案系統(tǒng)框圖如下： 文氏電橋RC積分電路過零比較器圖2- 3 方案三系統(tǒng)框圖2.1.4. 方案比較在性能方面，方案一的輸出將造成負載的輸出正弦波波形變形，因為負載的變動將拉動波形的畸變；方案三應用集成運放LM324，其芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是

9、由4個集成運放所組成的，其特點是振幅和頻率穩(wěn)定且方便調(diào)節(jié)能夠產(chǎn)生頻率很低的正弦信號，電路雖具有良好的正弦波和方波信號，但經(jīng)過積分電路產(chǎn)生的同步三角波信號，存在難度，原因是積分電路的積分時間常數(shù)是不變的，而隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時改變，而且通過仿真發(fā)現(xiàn)積分器極易產(chǎn)生失調(diào)；方案二電路則具有良好的正弦波和方波信號，穩(wěn)定性好，且UA741性能完善，如差模電壓范圍和共模電壓范圍寬，增益高，不需外加補償，功耗低，負載能力強，有輸出保護等。在價格方面，方案一中的555定時器每個售價大概需要2元，價格相對高一點，一個面包板需要5元，可調(diào)電位器兩只需要1元，各類電阻、電容、導線等需要

10、0.5元，共計大概需要9元；方案二中使用的UA741芯片價格低廉，每個售價僅在1元左右，共用了三個UA741芯片,面包板5元，各類可調(diào)電位器、電阻、電容、導線等大概需要2元左右，總計10元左右；方案三中用到芯片LM324，每個大概0.4元，可調(diào)電位器兩只需要1元，各類電阻、電容、導線等大概需要1元，加上面包板、各類電阻共計需要10元左右。經(jīng)過以上對各方案在性能和價格方面的比較，發(fā)現(xiàn)三個方案所用器件的價格差別不大，但是結(jié)合性能分析可得方案二更適合本次課程設計。因此本次課程設計使用方案二。2.2 單元電路設計及器件參數(shù)選擇1.2.2.1.2.2.2.2.2.2.1. 方波產(chǎn)生電路 圖2- 4 方波

11、產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生電路如圖2-4所示，它由反相遲滯比較器組成，在反向輸入單門限電壓比較器的基礎上引入了正反饋網(wǎng)絡。由于正反饋的作用，其門限電壓會隨著輸出電壓的變化而變化。它的靈敏度低一點，但是抗干擾能力較好。設電路上門限電壓為，下門限電壓為。從, ， 開始討論。當由零向正方向增加接近前，一直保持不變。當增加到略大于，則由下跳到，同時使下跳到，再增加，保持不變。若減小，只要大于,則將始終保持不變，只有當小于時，才由跳變到。設運放是理想的，可分別求得上門限電壓、下門限電壓分別為 (2-1)(2-2)則比較器的門限寬度(2-3)由以上公式可得到下圖所示的傳輸特性曲線:圖2- 5VO的傳輸特性曲線2.2

12、.2. 三角波產(chǎn)生電路在本設計中，三角波信號的產(chǎn)生是利用積分電路的原理進行設計的。遲滯比較器輸出的方波信號作為積分電路輸入端，積分電路對輸入的方波信號進行積分，輸出三角波信號。電路圖如下圖所示：圖2- 6 三角波產(chǎn)生電路該電路中運算放大器U2與電阻R8、電容C1以及變阻器R8組成積分電路，輸入電壓為遲滯比較器產(chǎn)生的方波。該積分電路的輸入電壓是遲滯比較器的輸出電壓，設為vo1，積分電路的輸出電壓為vo2。利用虛短虛斷的概念，電容C1以電流進行充電。則可得 (2-4) 上式表明，輸出電壓是輸入電壓的對時間的積分，負號表示它們在相位上是相反的。 當時，(2-5)當時， (2-6)頻率f的計算公式為(

13、2-7)可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波。圖中遲滯比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，可自動產(chǎn)生方波-三角波。該電路的器件參數(shù)選擇：由式及仿真發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)電阻R6可改變波形的頻率，調(diào)節(jié)電阻R4改變?nèi)遣ǖ姆宸逯?，且當電阻R4在47K內(nèi)變化時，三角波峰峰值可以滿足設計要求達到6V，因此將R6設置為較大的100K的變阻器。另外，圖中電容C1大小為1uF，在仿真和實物調(diào)節(jié)時，波形頻率都達不到要求的10kHz，因此，在實物焊接中，因調(diào)節(jié)頻率需要，先將C1接成1uF，后來改為兩個0.5uF和一個型號為223的電容串聯(lián)。2.2.3. 正弦波產(chǎn)生電路圖2- 7 正弦波產(chǎn)生電

14、路三角波正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效的抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。該電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C2、C3、C5要取得較大，因為輸出頻率很低，所以取C2= C3=C5=470uF。而為了使正弦波具有良好的對稱性，將可調(diào)變阻器R10調(diào)到50%位置. 2.3 完整電路設計完整的實驗原理圖如圖2-8。圖中運算放大器U1是滯回比較器電路，產(chǎn)生幅值小于20V的電壓；運算放大器U2是積分電路，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻的阻值，將方波轉(zhuǎn)

15、換為幅值等于6V的三角波；差分放大電路則將積分器產(chǎn)生的三角波轉(zhuǎn)化成正弦波，幅值大于1V。所用的器件大小如表2-1所示。表2- 1器件大小器件參數(shù)10k10k20k47k5.1k100k47k10k6.8k200器件參數(shù)10k10k6.8k8k2k2k1uF470uF470uF470uF圖2- 8 函數(shù)發(fā)生器仿真電路 1.2.3.方案實施3.1 系統(tǒng)仿真及性能分析3.3.1.3.3.1.3.1.1. 方波三角波產(chǎn)生電路方波三角波產(chǎn)生電路系統(tǒng)仿真如圖3-1所示。圖3- 1 方波三角波產(chǎn)生電路對于方波產(chǎn)生電路，調(diào)節(jié)電阻R4，當電阻R4=30K，R6 =68K時，系統(tǒng)仿真波形圖如圖3-2所示。觀察圖3

16、-2波形可知，方波的峰峰值為19.805V，滿足要求的VPP20V。方波的峰峰值與遲滯比較器中運算放大器的電壓VCC和VSS有關，除此之外，在后續(xù)調(diào)節(jié)頻率時，其值也有不明顯變化，但能夠達到設計要求。三角波產(chǎn)生電路，即積分電路的輸入電壓為方波，調(diào)節(jié)電阻R4，當R4=30K時，經(jīng)過積分電路產(chǎn)生如圖3-2的三角波波形，觀察可知，三角波的峰峰值為5.976V，在誤差允許范圍內(nèi)滿足三角波的VPP=6V的設計要求。圖3- 2 仿真方波三角波 3.1.2. 正弦波產(chǎn)生電路系統(tǒng)仿真正弦波產(chǎn)生電路如圖3-3所示。圖3- 3 正弦波產(chǎn)生電路調(diào)節(jié)電阻，當=10.3K時，產(chǎn)生的正弦波仿真波形如圖3-4所示。圖3- 4

17、 仿真正弦波1.1.11.1.11.1.2由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路則主要由差分放大器來完成。由圖3-6知，正弦波峰峰值為11.028V，滿足正弦波1V的設計要求，此時， =68k, =10.3k。3.2 硬件制作與調(diào)試3.2.3.2.1. 使用的主要儀器和儀表實驗時使用的主要儀器有焊鐵、示波器，使用焊鐵時應注意，停止使用時拔掉電源，避免燙傷人和損壞物品，示波器則用來檢測方波、三角波、正弦波能否正常產(chǎn)生。測量時使用的主要儀表有萬用表，用來檢測焊接電路是否短路或開路，以及測量可變電阻的阻值。3.2.2. 調(diào)試電路的方法和技

18、巧檢查所焊電路是否短路或開路時，將萬用表調(diào)到蜂鳴檔，將黑紅筆頭分別放在待測電路兩端，如果電路導通，則萬用表發(fā)出“嗡”的蜂鳴聲，如果萬用表沒有發(fā)出蜂鳴聲，則說明電路開路；在檢查通斷時，可先在一條較長的電路兩端測量，如果萬用表蜂鳴，說明該長電路導通，如果萬用表不響，再縮短電路長度，往中間縮短電路長度，更便于檢查。在調(diào)試電路時，因可變電阻有多個，所以采用控制變量法，即先改變其中一個變量，其他變量保持不變，依次增大或減小電阻值，觀察并記錄輸出電壓的幅值和頻率的變化情況，再依次調(diào)節(jié)各個電阻，觀察相應輸出電壓幅值和頻率變化，總結(jié)規(guī)律。3.2.3. 測試的數(shù)據(jù)及誤差分析、波形方波 實際頻率范圍10Hz-7k

19、Hz,要求范圍10Hz-10kHz 實際幅值范圍19.6V-21.1V,要求范圍20V三角波 實際頻率范圍 10Hz-7kHz,要求范圍10Hz-10kHz 實際幅值范圍6.0±0.2V，要求范圍6V正弦波 實際頻率范圍 10Hz-7kHz,要求范圍10Hz-10kHz 實際幅值范圍383mV-20.6V，要求范圍1V以上數(shù)據(jù)比較分析后易知，在誤差允許范圍內(nèi)，方波和三角波的實際幅值大小基本滿足要求幅值大小，而頻率則始終達不到要求的10kHz，并且在達到7kHz的時候波形已經(jīng)嚴重失真，并且正弦波的幅值也不再滿足要求幅值。通過實驗觀察知，頻率大小在10Hz-2kHz范圍內(nèi)時，波形基本不失

20、真。如圖3-5、圖3-6、圖3-7所示。圖3- 5 示波器方波圖3- 6 示波器三角波圖3- 7 示波器正弦波3.2.4. 調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法在實驗第一次調(diào)試時發(fā)現(xiàn)三個波形均不能正常出現(xiàn)，首先檢查電路，考慮到如果方波產(chǎn)生電路出現(xiàn)錯誤，那即使積分電路和差分放大電路都正確，三角波和正弦波也不能出現(xiàn)，所以先檢查方波產(chǎn)生電路，即遲滯比較器，檢查后發(fā)現(xiàn)電阻R1和R2位置焊接錯誤，改正二者位置后，再次通電，發(fā)現(xiàn)方波和三角波波形正常出現(xiàn)，但正弦波波形依舊不能正常出現(xiàn)，則差分放大電路出現(xiàn)錯誤，再次檢查焊接電路，發(fā)現(xiàn)輸出觸頭沒有接進差分放大電路，示波器沒有輸入信號，從而導致正弦波不能出現(xiàn)，將觸頭焊

21、接進電路后，方波、三角波、正弦波均能正常顯示。所以，檢查故障時主要是分段檢查，高效且節(jié)省時間。4.結(jié)果與結(jié)論4.1.設計電路和方案的優(yōu)缺點及建議設計電路具有良好的正弦波和方波信號，穩(wěn)定性好，且UA741性能完善，如差模電壓范圍和共模電壓范圍寬，增益高，不需外加補償，功耗低，負載能力強，有輸出保護等，并且價格低廉，方便經(jīng)濟。但也存在一定的缺陷，比如頻率的可調(diào)范圍較小，且難調(diào)，而且較難達到實驗要求。對我自己而言，在仿真時調(diào)節(jié)頻率相對比較簡單，而當電路焊接完成之后再通過改變電容值來調(diào)節(jié)頻率就比較困難，一方面實驗板的面積有限，另一方面，將焊好的電容拆下來換新的電容上去，會對實驗板上的焊盤有所損壞，從而

22、可能導致焊接失敗。所以，如果能夠在電容旁邊加一個開關，可以控制接近電路的電容大小，實驗會相對簡單一點。4.2課題核心及實用價值本次課程設計的核心是如何產(chǎn)生方波、三角波、正弦波信號，并且調(diào)節(jié)波形的頻率和幅值。這也是設計電路和方案的重中之重。函數(shù)信號發(fā)生器作為一種常用的信號源,是現(xiàn)代測試領域內(nèi)應用最為廣泛的通用儀器之一。它可以產(chǎn)生多種波形信號,如正弦波,三角波,方波等。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。函數(shù)信號發(fā)生器在現(xiàn)代社會中發(fā)展中是很有用的，因此，此次課程設計是很有價值的。5.收獲與致謝 本次課程設計的主要工作是設計一個函數(shù)信號發(fā)生器，并且親自動手焊接電路、調(diào)節(jié)電路。首先

23、我在Multisim軟件環(huán)境下進行電路原理圖的設計、繪制和仿真，然后對電路中的各個部分進行調(diào)整修改，然后在實驗室按照設計的電路原理圖完成實物的連接，連接后不斷地調(diào)試、修改，最后得到設計要求的輸出結(jié)果。在這個過程中，我不僅自學熟悉了Multisim軟件的使用，還通過回顧以前的知識，查閱相關資料學習了有關電壓比較器、積分電路、差分放大電路的知識，并且在翻看之前課本的時候，收獲了更多的知識，以前不懂的知識點也突然明白了。讓我深刻體會了“溫故而知新”這句話的含義。另外，在電路仿真的過程中總會出現(xiàn)一些問題，需要我們細心解決，所以這周下來，我對電路故障的排查能力有了很大的提高；此外，通過此次課程設計，我親

24、自動手焊接了電路，作為一個女生，動手能力相對較弱，焊接的時候需要更大的耐心和毅力，但是我堅持下來了，而且電路焊接基本無誤，動手能力得到了一定了得提高。因此我對設計所用到的軟件有了更加深刻地了解，這對我們以后的工作和學習的幫助都很有用處。當然，通過此次課程設計，我也發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，比如調(diào)節(jié)波形時觀察力較弱?？偠灾?，此次課程設計，我不僅學到了許多新的知識，還開闊了視野，提高了自己的設計能力；我通過動手動腦，既增加了知識，又在專業(yè)知識以及專業(yè)技能上得到了一定的提升，在以后的工作學習中，我也會更加努力，認真學習，爭取在以后的挑戰(zhàn)中做得更好！ 在這次課程設計中，我首先要感謝學校給我們提

25、供如此寶貴的機會，其次我要感謝我的指導老師在課程設計中提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次報告的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術上的難題，讓我能把設計做得更加完善，也讓我懂得很多事必須要去嘗試才能有結(jié)果。最后，我要感謝幫助過我的同學，課程設計時間很短，但是在此期間我們互相學習，互相監(jiān)督，在我遇到問題時，他們?yōu)槲医鉀Q了不少設計上的問題，也為我只出了我的不足和缺點，他們是我此次課程設計成功不可缺少的一群人。最后，再次感謝所有在此次課程設計中幫助過我的良師益友和伙伴！我將在未來更加努力學習！6.參考文獻1 康華光. 電子技術基礎模擬部分（第五版）；高等教育出版社. （教材）2 邱關源

26、 羅先覺. 電路（第五版）；高等教育出版社. （教材）457.附件附件1.問題回答記錄附件2.元器件清單附件3.設計圖紙（仿真圖）附件4.實物制作圖附件5.實物上電效果圖附件6.波形圖附件1 ：問題回答記錄表學號： 姓名： 專業(yè)、班級： 老師所提問題：1、 仿真檢查a) 方波的幅值怎么調(diào)？b) 正弦波產(chǎn)生電路是什么電路? c) 你是怎么調(diào)節(jié)三角波幅值的？頻率怎么調(diào)？2、硬件檢查a) C1用的電容是多大？ b) 最大不失真的頻率是多少？學生回答問題：1、仿真檢查a) 調(diào)節(jié)第一個運放U1的VCC。b) 差分放大電路，利用的是差分放大器傳輸特性曲線的非線性。c) 調(diào)節(jié)電阻R4(遲滯比較器反饋上的可調(diào)電阻)可以調(diào)節(jié)三角波幅值，可以通過調(diào)節(jié)R6來調(diào)節(jié)頻率，調(diào)節(jié)R4也會微調(diào)頻率，也可以改變電容C1的值來調(diào)節(jié)頻率。2、硬件檢查a) 實驗給的電容大小是1uF，但是1uF時頻率最大只能調(diào)到200Hz，達不到實驗要求，所以