課程設(shè)計函數(shù)信號發(fā)生器

1、 課程設(shè)計報告 題目 函數(shù)信號發(fā)生器 系 別 物理與電子工程學(xué)院 年 級 11 專 業(yè) 光伏信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè) 班 級 Y光伏111 學(xué)生姓名 劉存益 學(xué) 號 Y05311112 指導(dǎo)教師 涂國輝 設(shè)計時間 2013.7.11-7.15 目 錄1 設(shè)計任務(wù)和要求12設(shè)計方案與論證12.1 方案一 12.2 方案二 12.3 各方案分析比較 23電路設(shè)計與仿真23.1RC橋式正弦波振蕩器23.1.1 模塊電路及功能說明 23.1.2 參數(shù)計算 33.2三角波和方波發(fā)生器 33.2.1 模塊電路及功能說明 33.2.2 參數(shù)計算 43.3 器件說明 53.4 電路仿真63.4.1仿真軟件簡介 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13附錄1：電路原理圖14附錄2：元器件清單15 1.設(shè)計任務(wù)和要求1.1題目概述設(shè)計能夠方波/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輸出的波形發(fā)生器電路的設(shè)計、仿真、制作和調(diào)試。（1）正弦波信號源：信號頻率范圍20Hz20kHz 連續(xù)可調(diào)；頻率穩(wěn)定度較高。信號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)計完成后可以利用示波器測量出其輸出頻率的上限和下限，還可以進一步測出其輸

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、測試和分析（6）完成課程設(shè)計報告。2.設(shè)計方案與論證2.1 方案一由文氏電橋產(chǎn)生正弦振蕩，然后通過比較器得到方波，方波積分可得三角波。這一方案為一開環(huán)電路，結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)生的正弦波和方波的波形失真較小。但是對于三角波的產(chǎn)生則有一定的麻煩，因為題目要求有1000倍的頻率覆蓋系數(shù)，顯然對于1000倍的頻率變化會有積分時間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)定性難以達到要求。而且通過仿真實驗會發(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，可以用來產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波，其振蕩頻率可通過外加的直流電壓進行調(diào)節(jié)，所以是壓控集成信號產(chǎn)生器。由于外接電容C的充、放電電流由兩個電流源控制，所以電容C兩端電壓uc的變化與時間成線形關(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是有穩(wěn)定性好，頻率易調(diào)等特點，但實驗器材中缺少ICL8038芯片，所以我們選擇第一種方案，簡單，易連

5、。 3. 電路設(shè)計與仿真 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）來實現(xiàn)正弦波的輸出，第二部分由運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。利于兩個反向二極管D3，D4，正向電阻的非線性特性實現(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)娮琛８鶕?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，說明負(fù)反饋太強，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。由于采用運放組成積分電路，因此可實現(xiàn)恒流充電，使三角波性大大改善。3.2.2參數(shù)計算電路的振蕩頻率 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器件說明在實踐過程中，我們用OP07CP來代替上面電路圖中的運放。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（對于OP07A最大為25V），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零

8、措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放 大傳感器的微弱信號等方面。特點：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大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設(shè)計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，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SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術(shù)的設(shè)計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。3.4.2仿真結(jié)果正弦波仿真結(jié)果如下：在仿真過程中，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的時候，波形開始不失真。

10、此時，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，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，可得此時三角波的頻率f=5kHz 因為三角波的幅值 U=R7·Uz/R2，所以調(diào)節(jié)R7可改變?nèi)遣ǖ姆?當(dāng)R7為50時，此時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，此時方波的頻率f=1KHz。因為方波的幅值為穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值，所以U=10.43V。RW為50時，電路的振蕩頻率為14.16KHz。此時占空比約為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，可以在面包板上進行元器件的制作與調(diào)試。在對電路的制作時，先將核心元件芯片OP07插入槽中，對芯片的插入，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。對于接地線，將所有地線同時導(dǎo)入到最邊緣的插孔中，同時用導(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，正弦波失真。由于R5的初始值在50，調(diào)節(jié)滑動變阻器R5，達到一定數(shù)值時波形開始不失真，再度調(diào)小時，正弦波慢慢變成一條直

12、線。在調(diào)試三角波和方波時，示波器顯示失真，利用萬用表檢驗元件實際值，如下。器件實測值R222.7KR31.8KR721.8kRw46.8kRf5.4k 表.1元器件的實測值 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。由于碳膜電阻沒有固定2.7k，利用兩個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，可得此時三角波的頻率f=5.2kHz。因為三角波的幅值 U=R7·Uz

13、/R2，所以調(diào)節(jié)R7可改變?nèi)遣ǖ姆?。R7/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)滑動變阻器R5達到一定值后，使起振的幅值Rf/R1>2，符合起振條件，電路開始起振。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的滑動變阻器，此時可以調(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，利于兩個反向并聯(lián)穩(wěn)壓二極管可以實現(xiàn)穩(wěn)幅，同時也可以再并聯(lián)個電阻，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，倘若是接地端連在一行然后導(dǎo)入接地，可能會導(dǎo)致線路之間的互相影響，使波形不夠穩(wěn)定。一般來說，盡量將電路中接地端分別接地，以達電路的最佳狀態(tài)。 6.參考文獻1王港元 編 電工電子實踐指導(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 線性集成運算放大器及其應(yīng)用 1989年2月 機械工業(yè)出