課程設(shè)計(jì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

1、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題目 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 系 別 物理與電子工程學(xué)院 年 級(jí) 11 專 業(yè) 光伏信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè) 班 級(jí) Y光伏111 學(xué)生姓名 劉存益 學(xué) 號(hào) Y05311112 指導(dǎo)教師 涂國(guó)輝 設(shè)計(jì)時(shí)間 2013.7.11-7.15 目 錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求12設(shè)計(jì)方案與論證12.1 方案一 12.2 方案二 12.3 各方案分析比較 23電路設(shè)計(jì)與仿真23.1RC橋式正弦波振蕩器23.1.1 模塊電路及功能說(shuō)明 23.1.2 參數(shù)計(jì)算 33.2三角波和方波發(fā)生器 33.2.1 模塊電路及功能說(shuō)明 33.2.2 參數(shù)計(jì)算 43.3 器件說(shuō)明 53.4 電路仿真63.4.1仿真軟件簡(jiǎn)介 63.4

2、.2仿真結(jié)果 64電路的制作與調(diào)試8 4.1電路安裝 84.2 電路調(diào)試 9 4.3顯示結(jié)果 95小結(jié)136參考文獻(xiàn)13附錄1：電路原理圖14附錄2：元器件清單15 1.設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1.1題目概述設(shè)計(jì)能夠方波/三角波/正弦波/鋸齒波函數(shù)發(fā)生器1.2設(shè)計(jì)任務(wù)和要求要求完成能產(chǎn)生方波、三角波及正弦波等多種波形信號(hào)輸出的波形發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)、仿真、制作和調(diào)試。（1）正弦波信號(hào)源：信號(hào)頻率范圍20Hz20kHz 連續(xù)可調(diào)；頻率穩(wěn)定度較高。信號(hào)幅度可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；（2）各種輸出波形幅值均連續(xù)可調(diào)，方波占空比可調(diào)；（3）設(shè)計(jì)完成后可以利用示波器測(cè)量出其輸出頻率的上限和下限，還可以進(jìn)一步測(cè)出其輸

3、出電壓的范圍。（4）利用仿真軟件Multisim仿真電路，并繪制電路的原理圖，要求圖紙繪制清晰，布線合理，符合繪圖規(guī)范；（5）制作電路，完成電路的調(diào)試、測(cè)試和分析（6）完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。2.設(shè)計(jì)方案與論證2.1 方案一由文氏電橋產(chǎn)生正弦振蕩，然后通過(guò)比較器得到方波，方波積分可得三角波。這一方案為一開(kāi)環(huán)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的正弦波和方波的波形失真較小。但是對(duì)于三角波的產(chǎn)生則有一定的麻煩，因?yàn)轭}目要求有1000倍的頻率覆蓋系數(shù)，顯然對(duì)于1000倍的頻率變化會(huì)有積分時(shí)間dt的1000倍變化從而導(dǎo)致輸出電壓振幅的1000倍變化。而這是電路所不希望的。幅度穩(wěn)定性難以達(dá)到要求。而且通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)積分器

4、極易產(chǎn)生失調(diào)。2.2方案二利用ICL8038芯片構(gòu)成8038集成函數(shù)發(fā)生器。8038集成函數(shù)發(fā)生器是一種多用途的波形發(fā)生器，可以用來(lái)產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波，其振蕩頻率可通過(guò)外加的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以是壓控集成信號(hào)產(chǎn)生器。由于外接電容C的充、放電電流由兩個(gè)電流源控制，所以電容C兩端電壓uc的變化與時(shí)間成線形關(guān)系，從而可以獲得理想的三角波輸出。8038電路中含有正弦波變換器，故可以直接將三角波變成正弦波輸出。另外還可以將三角波通過(guò)觸發(fā)器變成方波輸出。2.3各方案分析和比較第二種方案的特點(diǎn)是有穩(wěn)定性好，頻率易調(diào)等特點(diǎn)，但實(shí)驗(yàn)器材中缺少I(mǎi)CL8038芯片，所以我們選擇第一種方案，簡(jiǎn)單，易連

5、。 3. 電路設(shè)計(jì)與仿真 根據(jù)上面方案一，可以將電路分為兩部分，第一部分是由RC橋式正弦波振蕩器（文氏電橋振蕩器）來(lái)實(shí)現(xiàn)正弦波的輸出，第二部分由運(yùn)放組成的滯回電路和積分電路首尾相接形成正反饋閉環(huán)系統(tǒng)，輸出方波和三角波。3.1 RC橋式正弦波振蕩器3.1.1模塊電路以及功能說(shuō)明 圖1.RC橋式正弦波振蕩器電路圖圖1中RC串、并聯(lián)電路構(gòu)成正反饋支路，同時(shí)兼作選頻網(wǎng)絡(luò)；R4,R9,R5以及二極管等元器件構(gòu)成負(fù)反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R5，可以改變負(fù)反饋以滿足振幅條件，并改善波形。利于兩個(gè)反向二極管D3，D4，正向電阻的非線性特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。R3是為了削弱二極管非線性影響，以改善波形失真的狀況。3

6、.1.2參數(shù)計(jì)算電路的振蕩頻率 F=1/2RC 1.6KHz起振的幅值條件 Rf/R4>2式中，RF=R5+R9+(R8|rD)；rD是二極管正向?qū)娮?。根?jù)電路元件,Rf/R4在18.228.2。調(diào)節(jié)R5，使電路起振且波形失真最小。如果不能起振，說(shuō)明負(fù)反饋太強(qiáng)，適當(dāng)加大RF；如果波形失真嚴(yán)重，應(yīng)當(dāng)減小RF。改變選頻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)C或R，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般采用改變電容C作頻率量程切換，調(diào)節(jié)R作頻率量程內(nèi)的細(xì)調(diào)。3.2三角波和方波發(fā)生器3.2.1模塊電路以及功能說(shuō)明 圖2.三角波和方波發(fā)生器電路圖如圖2，利于滯回比較器和積分器首尾相接形成正反饋，滯回比較器輸出的方波經(jīng)積分器可得到三角波，三

7、角波又觸發(fā)比較器自動(dòng)轉(zhuǎn)形成方波，這樣就構(gòu)成三角波，方波發(fā)生器。由于采用運(yùn)放組成積分電路，因此可實(shí)現(xiàn)恒流充電，使三角波性大大改善。3.2.2參數(shù)計(jì)算電路的振蕩頻率 f=R2/4·R7(Rf+RW)C1 故f在4.38kHz25kHz 方波的幅值 U1=Uz(Uz為穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值)三角波的幅值 U2=R7·Uz/R2 3.3器件說(shuō)明在實(shí)踐過(guò)程中，我們用OP07CP來(lái)代替上面電路圖中的運(yùn)放。Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性（雙電源供電）運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25V），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零

8、措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放 大傳感器的微弱信號(hào)等方面。特點(diǎn)：超低偏移： 150V最大。 低輸入偏置電流： 1.8nA 。低失調(diào)電壓漂移： 0.5V/ 。 超穩(wěn)定，時(shí)間： 2V/month最大高電源電壓范圍： ±3V至±22V。 圖3.芯片OP07管腳圖 OP07功能引腳的說(shuō)明： 1和8為偏置平衡（調(diào)零端）； 2為反向輸入端； 3為正向輸入端； 4接地； 5空腳； 6為輸出； 7為電源。3.4電路的仿真3.4.

9、1仿真軟件的介紹 NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫(kù)的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級(jí)SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測(cè)量。3.4.2仿真結(jié)果正弦波仿真結(jié)果如下：在仿真過(guò)程中，由于R5默認(rèn)初始值在50，仿真中波形失真，調(diào)節(jié)R5，約在30的時(shí)候，波形開(kāi)始不失真。

10、此時(shí)，仿真波形的頻率f1.59KHz。起振的幅值Rf/R12.12>2，符合起振條件。當(dāng)R5小于或等于20時(shí)，Rf/R1<2,電路不能起振。 圖4.正弦波仿真結(jié)果圖三角波仿真結(jié)果如下： 根據(jù)仿真結(jié)果，可得此時(shí)三角波的頻率f=5kHz 因?yàn)槿遣ǖ姆?U=R7·Uz/R2，所以調(diào)節(jié)R7可改變?nèi)遣ǖ姆?當(dāng)R7為50時(shí)，此時(shí)R7的幅值為0.82V 圖5.三角波的仿真結(jié)果圖方波仿真結(jié)果如下：根據(jù)仿真結(jié)果，此時(shí)方波的頻率f=1KHz。因?yàn)榉讲ǖ姆禐榉€(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值，所以U=10.43V。RW為50時(shí)，電路的振蕩頻率為14.16KHz。此時(shí)占空比約為40。 圖6.方波的仿真

11、結(jié)果圖4. 電路的制作與調(diào)試4.1電路的安裝根據(jù)上面的原理圖，可以在面包板上進(jìn)行元器件的制作與調(diào)試。在對(duì)電路的制作時(shí)，先將核心元件芯片OP07插入槽中，對(duì)芯片的插入，兩邊管腳在凹槽的兩邊。根據(jù)原理圖從左到右的順序，將電阻，電容，滑動(dòng)變阻器依次插入面包板中。根據(jù)橫向短路，豎向不相關(guān)的原理，調(diào)整電路圖。對(duì)于接地線，將所有地線同時(shí)導(dǎo)入到最邊緣的插孔中，同時(shí)用導(dǎo)線連到電路箱的接地端。電源連接到電路箱的電源端。圖7.電路的安裝結(jié)果圖4.2電路調(diào)試在電路的的調(diào)試中，剛接入電源和示波器中時(shí)，正弦波失真。由于R5的初始值在50，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R5，達(dá)到一定數(shù)值時(shí)波形開(kāi)始不失真，再度調(diào)小時(shí)，正弦波慢慢變成一條直

12、線。在調(diào)試三角波和方波時(shí)，示波器顯示失真，利用萬(wàn)用表檢驗(yàn)元件實(shí)際值，如下。器件實(shí)測(cè)值R222.7KR31.8KR721.8kRw46.8kRf5.4k 表.1元器件的實(shí)測(cè)值 根據(jù)原理圖，Rf值應(yīng)為2.7k歐姆，重新選取電阻插入面包板。由于碳膜電阻沒(méi)有固定2.7k，利用兩個(gè)2K和0.5K的電阻串聯(lián)。4.3結(jié)果顯示方波波形根據(jù)示波器讀數(shù)，方波的頻率f=987Hz。方波的幅值為10.23V，調(diào)節(jié)Rw，可改變電路的振蕩頻率，方波的占空比。電路的振蕩頻率在5.2Hz24.4kHz之間 圖8.方波顯示圖三角波波形 根據(jù)示波器，可得此時(shí)三角波的頻率f=5.2kHz。因?yàn)槿遣ǖ姆?U=R7·Uz

13、/R2，所以調(diào)節(jié)R7可改變?nèi)遣ǖ姆怠7/R2在00.45之間，故可得三角波的幅值在00.522V之間。 圖9.三角波顯示圖正弦波波形根據(jù)示波器讀數(shù)，調(diào)節(jié)Rf，即調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R5達(dá)到一定值后，使起振的幅值Rf/R1>2，符合起振條件，電路開(kāi)始起振。電路的的頻率取決于RC，頻率f1.48KHz。為了可以改變電路的頻率，將R改成最大量程為20K的滑動(dòng)變阻器，此時(shí)可以調(diào)節(jié)電路的頻率。 圖10.正弦波顯示圖 5.小結(jié)一文氏電橋振蕩器，這種RC橋式振蕩器可以產(chǎn)生正弦波，在電路中，利于兩個(gè)反向并聯(lián)穩(wěn)壓二極管可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅，同時(shí)也可以再并聯(lián)個(gè)電阻，該電阻可以削弱穩(wěn)壓二極管的非線性影響，便于改善波形

14、失真的狀況。二利于滯回比較器和積分器構(gòu)成的方波和三角波發(fā)生器。把滯回比較器和積分器的首尾相連形成正反饋閉環(huán)系統(tǒng)。比較器可輸出方波，方波經(jīng)積分電路可產(chǎn)生三角波。同時(shí)可以將積分電路的輸出一支連到積分電容的輸入，這樣一樣可以實(shí)現(xiàn)恒流充電，使原本線性度較差的三角波得到改善。在電路的設(shè)計(jì)中，可重分利用閉環(huán)系統(tǒng)，改善原本較弱的一環(huán)。三在面包板連接電路的接地時(shí)，倘若是接地端連在一行然后導(dǎo)入接地，可能會(huì)導(dǎo)致線路之間的互相影響，使波形不夠穩(wěn)定。一般來(lái)說(shuō)，盡量將電路中接地端分別接地，以達(dá)電路的最佳狀態(tài)。 6.參考文獻(xiàn)1王港元 編 電工電子實(shí)踐指導(dǎo) 2006年2月 江西科學(xué)技術(shù)出版社2華成英 童詩(shī)白 編 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 2006年5月 高等教育出版社3王永洪 編 線性集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用 1989年2月 機(jī)械工業(yè)出