函數(shù)信號發(fā)生器

1、函數(shù)信號發(fā)生器電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計報告 題 目 函數(shù)信號發(fā)生器 學(xué)院（部） 汽車學(xué)院 專 業(yè) 車輛工程 班 級 學(xué)生姓名 學(xué) 號 6 月 24 日至 6 月 28 日 共 1 周目錄1、 技術(shù)要求·································&

2、#183;··········2、 摘要······································&#

3、183;·········3、 總體設(shè)計方案論證及選擇······························4、 方案原理框圖······

4、83;·································5、 單元電路設(shè)計、主要元器件選擇與電路參數(shù)計算··········6、 收獲與體會·&

5、#183;········································7、 參考文獻········

6、····································8、 附件·············&

7、#183;·································· 函數(shù)信號發(fā)生器1、 技術(shù)要求：（1）能產(chǎn)生正弦波、矩形波（占空比可調(diào)）、鋸齒波等多種波形；（2）輸出信號的工作頻率范圍10Hz10kHz，且連續(xù)可調(diào)；（3）輸出信號波形幅值010V

8、，且連續(xù)可調(diào)；2、 摘要： 函數(shù)信號發(fā)生器，即波形發(fā)生器，能產(chǎn)生某些特定的周期性時間函數(shù)波形（正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）信號，頻率范圍可從幾個微赫到幾十兆赫。除供通信、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領(lǐng)域。本次課程設(shè)計目的即產(chǎn)生題目所要求的三種波形，為此，我設(shè)計出三種方案以實現(xiàn)波形輸出，分別為：1、用模擬信號發(fā)生器來實現(xiàn)正弦波、矩形波（占空比可調(diào)）、鋸齒波等多種波形 ；2、用集成電路5G8038實現(xiàn)三種波形；3、用MAX308可以構(gòu)成高頻函數(shù)發(fā)生器來實現(xiàn)三種波形。最終經(jīng)過比較與分析，決定采用第一種方式?；驹頌椋豪肦C正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，利用555定時器

9、組成矩形波發(fā)生器來產(chǎn)生占空比可調(diào)的矩形波，利用鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波，再經(jīng)由控制電路，輸出波形，即可滿足題目要求。三、總體設(shè)計方案論證及選擇方案一：由RC正弦波發(fā)生電路產(chǎn)生正弦波，由555定時器組成矩形波發(fā)生電路產(chǎn)生矩形波，鋸齒波發(fā)生電路產(chǎn)生鋸齒波，三種波形經(jīng)過控制電路，最后經(jīng)過運放形成幅值可調(diào)的函數(shù)信號。原理方框圖：輸出波形正弦波發(fā)生器幅值調(diào)節(jié)電路控制器正弦波發(fā)生器正弦波發(fā)生器A正弦波形：uf=ui u0A圖中A是基本放大電路，F(xiàn)是反饋電路。當(dāng)振蕩電路與電源接通時，在電路中激起一個微小信號，這就是起始信號。它是一個非正弦信號，含有一系列不同的正弦分量。振蕩電路中含有放大和正反饋環(huán)節(jié)使其發(fā)展增

10、長；電路中的選頻環(huán)節(jié)能夠得到單一頻率的正弦輸出信號；電路中的穩(wěn)幅環(huán)節(jié)可使它逐漸趨于穩(wěn)定。常用的正弦振蕩電路有RC振蕩電路與LC振蕩電路，這里，對于頻率要求不高，所以可以采用頻率低的RC振蕩電路組成一個雙聯(lián)電位器，從而產(chǎn)生符合要求的正弦波形。矩形波形：555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的反相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的同相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT

11、=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。方案二：隨著集成制造技術(shù)的不斷發(fā)展，多功能信號發(fā)生器已被制作成專用集成電路。該集成電路使用方便，調(diào)試簡單，性能穩(wěn)定，它不僅能產(chǎn)生正弦波，同時能產(chǎn)生三角波和方波，5G8038就是其中一種，它與運算放大器LM318、電阻和電容等組合，就能實現(xiàn)一個多種波形輸出的信號發(fā)生器。8038函數(shù)發(fā)生器方框圖： 其工作原理為：上圖即為8038多功能函數(shù)發(fā)生器的原理框圖。它由一個恒流充放電振蕩電路和一個正弦波變換器組成，恒流充放電振蕩

12、器產(chǎn)生方波和三角波，三角波經(jīng)正弦波變換器輸出正弦波。圖中兩個比較器C1、C2組成一個參考電壓分別設(shè)置在2/3Vcc和1/3Vcc上的窗口比較器。兩比較器的輸出分別控制R-S觸發(fā)器的位置端和復(fù)位端。兩個恒流源I1、I2擔(dān)任對定時電容C的充放電，而充電與放電的轉(zhuǎn)換則為R-S觸發(fā)器的輸出通過電子開關(guān)S的通或斷來進行控制。電路設(shè)計I2=2I1，當(dāng)電子開關(guān)S斷開，電路對外接電容C充電，當(dāng)電子開關(guān)S接通時，電容C放電，所以在電容C上產(chǎn)生線性良好的三角波，經(jīng)緩沖器由3腳輸出。為了得到在比較寬的頻率范圍內(nèi)由三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換，一個由電阻與晶體管組成的折線近似轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)將三角波轉(zhuǎn)換為正弦波，由2腳輸出。而用于控

13、制開關(guān)S的信號，及R-S觸發(fā)器的輸出，就是一方波，經(jīng)緩沖器由9腳輸出。恒流充放電振蕩電路輸出方波的振蕩頻率由下式?jīng)Q定：f0=1/T=I1/UHC(1-I1/I2)。其中UH是窗口電壓比較器的上、下限門檻電壓之差。對于UH=1/3Vcc，若取I2=2I1，則函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生典型的方波、三角波、正弦波。其振蕩頻率變?yōu)?f0=3I/2VccC。若由外部電路控制兩恒流源的比值I1/I2，則可得到矩形波和鋸齒波的輸出。但此時不能獲得正弦波輸出。 方案三：MAX308可以構(gòu)成高頻函數(shù)發(fā)生器，能產(chǎn)生精度高達10MHZ的三角波/鋸齒波，正弦波和方波/脈沖波形。輸出頻率和工作周期可以通過調(diào)整相應(yīng)引腳的調(diào)整電位器輕

14、松調(diào)節(jié)?？梢酝ㄟ^調(diào)整波形設(shè)置引腳的電平，決定輸出波是正弦波、方波還是三角波。輸出端連接一個MAX442放大器緩沖，可以驅(qū)動一個50的同軸電纜。MAX038原理方框圖如下圖：其工作原理：下圖中主要包括主振器、主振蕩控制器、2.5V基準(zhǔn)電壓源、正弦波形成器、方波形成器、比較器、多電路選擇器，輸出級和相位檢測器。在COSC與GND(6)之間接上振蕩電容Cr利用恒定電流IIN向Cr充電和放電，即可形成振蕩，產(chǎn)生一個三角波和兩個矩形波。圖中，振蕩器輸出的三角波經(jīng)正弦波形成器變換成等幅、低失真的正弦波。多路模擬開關(guān)則從輸入的正弦波、三角波和矩形波中選擇一種，作為輸出。波形種類由地址A0、A1的邏輯電平來決

15、定。與此同時，三角波還經(jīng)過比較器從SYNC端輸出，可作為外部振蕩器的同步信號。方案一的優(yōu)點：1. 結(jié)構(gòu)簡單明了，各部分電路獨立清晰2. 各部分電路穩(wěn)定性好，互相之間影響小方案二的優(yōu)點：1. 使用方便，調(diào)試簡單2. 性能穩(wěn)定，溫度漂移小，正弦波輸出失真度小，輸出頻率范圍廣方案三的優(yōu)點：1. 占空比調(diào)節(jié)范圍寬，占空比和頻率均可單獨調(diào)節(jié)，二者互不影響2. 波形失真小上述三種方案各有優(yōu)點，都能夠滿足設(shè)計要求，但是方案二，三均超出了我們電工學(xué)習(xí)的范圍，操作復(fù)雜，方案一各部分電路圖都處于課本，源于我們所學(xué)知識，能夠通過查找資料，閱讀課本，結(jié)合所學(xué)設(shè)計出來，且便于操作。四、設(shè)計方案的原理框圖、總體電路原理圖

16、及說明1、原理框圖： 正弦波發(fā)生器控制器幅值調(diào)節(jié)電路輸出理想波形占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器2、總體電路原理圖： 說明：上圖即為函數(shù)信號發(fā)生器的工作原理圖。他由RC正弦波發(fā)生器、555定時器組成的矩形波發(fā)生器、鋸齒波發(fā)生器，幅值控制電路及開關(guān)五部分構(gòu)成，其中前三部分電路分別產(chǎn)生正弦波，占空比可調(diào)的矩形波，鋸齒波，經(jīng)幅值控制電路輸出波形幅值可控制在010V之間。五、單元電路設(shè)計、主要元器件選擇與電路參數(shù)計算一、正弦波產(chǎn)生電路1、RC振蕩電路如下圖所示放大電路是同相比例運算電路，RC串并聯(lián)電路既是正反饋電路，又是選頻電路。輸出電壓。經(jīng)RC串并聯(lián)電路分壓后在RC并聯(lián)電路上得出反饋電壓，加在運

17、算放大器的同相輸入端，作為它的輸入電壓。由此得欲使i與。同相，則上式分母的虛數(shù)部分必須為零，即這時，而同相比例運算放大電路的電壓放大倍數(shù)則為可見，當(dāng)時，。在特定頻率時，和同相，也就是RC串并聯(lián)電路具有正反饋和選頻作用。和都是正弦波電壓。在起振時，應(yīng)使，即。隨著振蕩幅度的增大，能自動減小，直到滿足或時，振蕩幅度達到穩(wěn)定，以后并能自動穩(wěn)幅。從到，這是自激振蕩的建立過程。在圖一中，是利用二極管正向伏安特性的非線性來自動穩(wěn)幅的。圖中，分和兩部分。在上正,反向并聯(lián)兩只二極管，它們在輸出電壓的正負半周內(nèi)分別導(dǎo)通。在起振之初，由于幅度很小，尚不足以使二極管導(dǎo)通，正向二極管近于開路，此時時，振蕩穩(wěn)定。振蕩頻率

18、的改變，可通過調(diào)節(jié)R或C或同時調(diào)節(jié)R和C的數(shù)值來實現(xiàn)。由集成運算放大器的RC振蕩電路的振蕩頻率一般不超過1MHz。圖一RC振蕩電路2、正弦波發(fā)生器的設(shè)計通過雙聯(lián)電位器Rp改變正弦波發(fā)生電路的輸出波形，輸出電壓幅值由幅值控制電路調(diào)節(jié)。3、主要元器件選擇及參數(shù)計算，且10Hzf10KHz，C=0.2uf，代入中得到R+Rp的取值范圍即：79.6R+Rp79617.8，取R=79.6則得出Rp取值范圍為0Rp79538.2。+>取=20K =15K =28K集成運算放大器CF725；最大電源電壓v，共模抑制比120dB，最大輸入電壓v。二極管D1，D2最大電流I=U0max/(+)=13.5/

19、（15000+20000）=0.39mA取2CZ52B型二極管，最大整流電流100mA，反向工作峰值電壓50V。2、 矩形波產(chǎn)生電路由555定時器組成的多諧振蕩器圖是由CB555定時器組成的多諧振蕩器。R1，R2和C是外接元件。555定時器的內(nèi)部電路方框圖上圖所示，該集成電路由四部分組成：電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、輸出緩沖器和放電三極管。   比較器的參考電壓由三只5 k的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為2Vcc3和Vcc3。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號輸入并超過

20、2Vcc3時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于Vcc3時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時充電，開關(guān)管截止。MR是復(fù)位端，當(dāng)其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接Vcc。  CO是控制電壓端(5腳)，平時輸出2Vcc3作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個001F的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。   T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。接通電

21、源后，它經(jīng)和對電容C充電，當(dāng)上升略高于2/3時，比較器的輸出為0,將觸發(fā)器置0，為0.這時放電管T導(dǎo)通，電容C通過和T放電，下降略低于1/3時，比較器的輸出為0,將觸發(fā)器置1。，又由0變?yōu)?。這時，放電管T截止，又經(jīng)和對電容C充電。如此重復(fù)此過程，為連續(xù)的矩形波。 第一個暫穩(wěn)狀態(tài)的脈沖寬度tp1，即電容C充電的時間： tp1(R1+R2)Cln2=0.7R2C 第二個暫穩(wěn)狀態(tài)的脈沖寬度tp2,即電容C充電的時間： tp2R2Cln2=0.7R2C振蕩周期 T=tp1+tp20.7(RI+2R2)C 振蕩頻率 f=1/T=1.43/(R1+2R2)C由555定時器組成的振蕩器，最高工作頻率可達3

22、00kHz。輸出波形的占空比 D=tp1/（tP1+tP2）=(R1+R2)/(RI+2R2)矩形波發(fā)生器的設(shè)計圖是占空比可調(diào)的多諧振蕩器。圖中用DI和D2兩只二極管將電容C的充放電電路分開，并接一電位器RP。 充電電路：UCCD1C“地” 放電電路：CD2T“地”充電和放電的時間分別為 tP10.7C, tp20.7C占空比為 電路元件的選擇及參數(shù)設(shè)計,且10Hzf10KHz由此得出C=0.01uF10uF；=15K。為了使占空比有放大調(diào)節(jié)范圍取Rp=12k，R1=R2=1.5K。占空比調(diào)節(jié)范圍 取NE555定時器，電源電壓2-18V。輸出電平低于電源電壓1-3V，取2V，Ucc=+15V即

23、輸出高電平電壓二極管D1最大電流二極管D2最大電流取兩個2AP3型二極管，最大整流電流為25mA，反向工作峰值電壓為30V三、鋸齒波產(chǎn)生電路如果在三角波產(chǎn)生電路中，使積分電容充電和放電時間常數(shù)不同，而且相差懸殊，則在積分電路的輸出端即可得到鋸齒波信號1) 三角波發(fā)生器的原理所謂三角波是指波形呈三角形、且在一周期內(nèi)上升沿與下降沿所對應(yīng)的時間間隔相等的波。自激產(chǎn)生三角波的電路稱為三角波發(fā)生電路。其中集成運放A1組成的遲滯比較器，其反相接地；A2組成的反相積分電路，積分器的作用是將遲滯比較器輸出的矩形波轉(zhuǎn)換為三角波，同時反饋給比較器的同相輸入端，是比較器產(chǎn)生隨三角波變化而翻轉(zhuǎn)的矩形波。工作原理：圖中

24、，集成運放A1同相輸入端的電壓由uo和u01共同決定，根據(jù)疊加原理 u+=u01+u0當(dāng)uo>0時，u01=+Uz；當(dāng)u+<0時，u01= -Uz；即遲滯比較器的翻轉(zhuǎn)發(fā)生在u+=0的時刻，此時比較器的輸入電壓，即積分器的輸出電壓u0應(yīng)是u0=+Uz，也就是比較器的上下門限電壓。經(jīng)計算，T=。2）鋸齒波發(fā)生電路設(shè)計圖中，利用了二極管的單向?qū)щ娦?。通過A1輸出電壓u01= ±UZ 去自動控制二極管VD1和VD2交替的導(dǎo)通、截止、改變Rw的中間活動頭位置，就改變了RW1和下半部RW2的阻值，也就改變了積分電路中對電容C的充放回路的時間常數(shù)，從而改變u01占空比和改變鋸齒波u0上

25、升沿和下降沿的時間。.工作原理分析圖中，當(dāng)u01=+UZ時，VD1導(dǎo)通、VD2截止，u01通過Rp、VD1、RW1對電容C正向充電，當(dāng)忽略二極管導(dǎo)通電阻時，則電容C正向充電時間常數(shù)為 1=（RW1+Rp）C當(dāng)u01=UZ時，VD2導(dǎo)通，VD1截止，u01通過Rp、VD2、RW2對電容C反向充電，當(dāng)忽略二極管導(dǎo)通電阻時，則反向充電時間常數(shù)為 2（RW2+Rp）C改變RW的中間活動頭位置，使RW1RW2,則12，則u01、u0分別為矩形波和鋸齒波。 圖中積分電路輸出三角形電壓u0的幅值為 ±Uom=±UT=±（R1/R2）UZ.震蕩周期計算 設(shè)t=0的初始時刻，u01

26、(0)=+UZ,u0(0)=+R1UZ/R2，uc(0)=+R1UZ/R2,經(jīng)過t1=T1的時間間隔，即t1時刻，輸出電壓為 u0=-=-+=- 所以 T1=2（Rp+Rw1）C 同理分析可得 T2=2（Rp+Rw2）C 所以震蕩周期為 T=T1+T2=2（2Rp+Rw2）C 震蕩頻率為 綜上所述可知：穩(wěn)壓管選定后，調(diào)整Rp阻值，可改變電路的震蕩周期和頻率；調(diào)整滑動端的位置，可改變u01的占空比及鋸齒波形狀（鋸齒波上升和下降的斜率）。3）元件的選擇與參數(shù)計算兩個運算放大器選擇CF725最大電源電壓v，共模抑制比120dB，最大輸入電壓v。穩(wěn)壓管D1，D2選擇2CW76，穩(wěn)定電壓為12v，穩(wěn)定電

27、流20mAUz=發(fā)生電路輸出電壓幅值Uom=Uz，取R1=R2=6K，則Uom=12V運放輸出電壓最高13.5V對運放A1，i+=i-=0流過R1.R2電流,流過限流電阻R3最大電流,則，取R3=1K，取c=0.1uF，10Hzf10KHz，將R1，R2，C代入上式得5002Rp+Rw500K，取Rw=150，Rp175，為保證f=10KHz，且Rw=0時，二極管安全，取Rpmin=200即Rp=200-250K，R4=R1R2=3K,R5=120K取2CZ55B型二極管，最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓50V4.控制電路用一個單刀三擲開關(guān)S即可5幅值控制電路當(dāng)滑動變阻器滑動頭在最下面點時，輸出uo=0；當(dāng)滑動變阻器滑動頭在中間時 ，輸出 uo=(1+R1/R2)*ui改變滑動頭的位置,即改變輸出波形的幅值六、 收獲與體會通過這次電工課程設(shè)計，我了解了很多書本上未曾有過的東西，明白了電工在我們社會生活中的重要作用。多次掌握陷入困境的時候，我沒有放棄，通過不懈努力，找到了出路，完成了本次設(shè)計