揚州大學模電課程設計信號發(fā)生器

1、揚州大學能源與動力工程學院本科生課程設計題 目： 函數(shù)發(fā)生器的設計 課 程： 模擬電子技術基礎 專 業(yè)： 測控技術與儀器 班 級： 學 號： 姓 名： 指導教師： 紀曉華 蔣步軍 完成日期： 模擬電子技術課程設計第 一 部 分任務及指導書（含課程設計計劃安排）4模擬電子技術課程設計任務指導書課題：函數(shù)發(fā)生器的設計一個電子產品的設計、制作過程所涉及的知識面很廣；加上電子技術的發(fā)展異常迅速，新的電子器件的功能在不斷提升，新的設計方法不斷發(fā)展，新的工藝手段層出不窮，它們對傳統(tǒng)的設計、制作方法提出了新的挑戰(zhàn)。但對于初次涉足電子產品的設計、制作來說，了解并實踐一下電子產品的設計、制作的基本過程是很有必要

2、的。由于所涉及的知識面很廣，相應的具體內容請參考本文中提示的模擬電子技術基礎實驗與課程設計、電子技術實驗等書的有關章節(jié)。一、函數(shù)發(fā)生器的簡介函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調試技術，本課題采用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設計方法。產生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產生正弦波，然后通過

3、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；也可以首先產生三角波方波，再將三角波變成正弦波或將方波變成正弦波等等。本課題采用先產生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法，一、函數(shù)發(fā)生器的工作原理本課題中函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖如下所示：由比較器和積分器組成方波三角波產生電路，比較器輸出的方波經積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。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，可以有效地抑制零點漂移，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。二、設計目的1掌握電

4、子系統(tǒng)的一般設計方法2掌握模擬IC器件的應用3培養(yǎng)綜合應用所學知識來指導實踐的能力三、設計要求及技術指標1設計、組裝、調試函數(shù)發(fā)生器2輸出波形：正弦波、方波、三角波；3頻率范圍 ：在1010000Hz范圍內可調 ；4輸出電壓：方波U24V，三角波U8V，正弦波U>1V；四、設計所用儀器及器件1直流穩(wěn)壓電源2雙蹤示波器3萬用表4運放7415電阻、電容若干6三極管7面包板五、日程安排1布置任務、查閱資料，方案設計（一天）根據(jù)設計要求，查閱參考資料，進行方案設計及可行性論證，確定設計方案，畫出詳細的原理圖。2上機在EDB（或EDA）對設計電路進行模擬仿真調試、畫電路原理接線圖 （半天）要求在虛

5、擬儀器上觀測到正確的波形并達到規(guī)定的技術指標。3電路的裝配及調試（兩天半）在面包板上對電路進行裝配調試，使其全面達到規(guī)定的技術指標，最終通過驗收。4總結報告 （一天）六、課程設計報告內容：總結設計過程，寫出設計報告，設計報告具體內容要求如下：1課程設計的目和設計的任務2課程設計的要求及技術指標3總方案的確定并畫出原理框圖。4各組成單元電路設計，及電路的原理、工作特性(結合設計圖寫) 5總原理圖，工作原理、工作特性（結合框圖及電路圖講解）。6電路安裝、調試步驟及方法，調試中遇到的問題，及分析解決方法。7實驗結果分析，改進意見及收獲。8體會。七、電子電路設計的一般方法：1仔細分析產品的功能要求，利

6、用互連網(wǎng)、圖書、雜志查閱資料，從中提取相關和最有價值的信息、方法。（1）設計總體方案。（2）設計單元電路、選擇元器件、根據(jù)需要調整總體方案（3）計算電路（元件）參數(shù)。（4）繪制總體電路初稿（5）上機在EDB（或EDA）電路實驗仿真。（6）繪制總體電路。2明確電路圖設計的基本要求進行電路設計。并上機在EDB（或EDA）上進行電路實驗仿真，電路圖設計已有不少的計算機輔助設計軟件，利用這些軟件可顯著減輕了人工繪圖的壓力，電路實驗仿真大大減少人工重復勞動，并可幫助工程技術人員調整電路的整體布局，減少電路不同部分的相互干擾等等。3掌握常用元器件的識別和測試。電子元器件種類繁多，并且不斷有新的功能、性能更

7、好的元器件出現(xiàn)。需要通過互連網(wǎng)、圖書、雜志查閱它們的識別和測試方法。對于常用元器件，不少手冊有所介紹。4、熟悉常用儀表，了解電路調試的基本方法。通過排除電路故障，提高電路性能的過程，鞏固理論知識,提高解決實際問題的能力。5、獨立書寫課程設計報告。第 二 部 分課程設計報告目 錄1設計的目的及任務（1）1.1 課程設計的目的（1）1.2 課程設計的任務與要求（1）1.3 課程設計的技術指標（1）2 電路設計總方案及原理框圖（2） 2.1 電路設計原理框圖（2） 2.2 電路設計方案設計（2）3 各部分電路設計（3）3.1 方波發(fā)生電路的工作原理（3）3.2 方波-三角波轉換電路的工作原理（3）3

8、.3 三角波-正弦波轉換電路的工作原理（6） 3.4 電路的參數(shù)選擇及計算（8）3.5 總電路圖（9）4 電路仿真（10）4.1 方波-三角波發(fā)生電路的仿真（10）4.2 三角波-正弦波轉換電路的仿真（11）5 電路的安裝與調試（12）5.1 方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調試（12）5.2 三角波-正弦波轉換電路的安裝與調試（12）5.3 總電路的安裝與調試（12）5.4 電路安裝與調試中遇到的問題及分析解決方法（12）6電路的實驗結果（14）6.1 方波-三角波發(fā)生電路的實驗結果（14）6.2 三角波-正弦波轉換電路的實驗結果（15）6.3 實測電路波形、誤差分析及改進方法（16）7 收獲與

9、體會（17）8 儀器儀表明細清單（18）參考文獻（19）1一 設計的目的及任務1.1課程設計的目的1掌握電子系統(tǒng)的一般設計方法2掌握模擬IC器件的應用3培養(yǎng)綜合應用所學知識來指導實踐的能力4掌握常用元器件的識別和測試 5熟悉常用儀表，了解電路調試的基本方法1.2課程設計的任務與要求 設計方波三角波正弦波函數(shù)信號發(fā)生器1.3課程設計的要求及技術指標1設計、組裝、調試函數(shù)發(fā)生器2輸出波形：正弦波、方波、三角波；3頻率范圍 ：在1010000Hz范圍內可調 ；4輸出電壓：方波U24V，三角波U8V，正弦波U>1V；二 函數(shù)發(fā)生器總方案及原理框圖2.1電路設計原理框圖圖2-1 設計原理框圖2.2

10、電路設計方案設計 函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調試技術，本課題采用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設計方法。產生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產生正弦波，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；也可以首先產生三角波方波，再將三角波變成正弦波或將方波變成正弦波

11、等等。本課題采用先產生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法，本課題中函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖如下所示：由比較器和積分器組成方波三角波產生電路，比較器輸出的方波經積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。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，可以有效地抑制零點漂移，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。三 各組成部分的工作原理3.1 方波發(fā)生電路的工作原理 此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀

12、態(tài)的自動轉換。設某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當t趨于無窮時，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時間逐漸增長而減低，當t趨于無窮大時，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產生了自激振蕩。3.2 方波-三角波轉換電路的工作原理圖3-

13、1 方波三角波產生電路 圖3-2 比較器的電壓傳輸特性 圖3-3 方波-三角波變換 工作原理如下：若a點斷開，運算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉。運放的反相端接基準電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當比較器的U+=U-=0時，比較器翻轉，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設Uo1=+Vcc,則 將上式整理，得比較器翻轉的下門限單位Uia-為 若Uo1=-Vee

14、,則比較器翻轉的上門限電位Uia+為 比較器的門限寬度由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3-71所示。a點斷開后，運放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為時，時，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，其波形關系下圖所示。a點閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產生方波-三角波。三角波的幅度為方波-三角波的頻率f為由以上兩式可以得到以下結論：1. 電位器RP2在調整方波-三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實現(xiàn)頻率微調。2.

15、方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可實現(xiàn)幅度微調，但會影響方波-三角波的頻率。3.3 三角波-正弦波轉換電路的工作原理圖3-4 三角波正弦波變換電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，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。分析表明，傳輸特性曲線的表達式為： 式中差分放大器的恒定電流；溫度的電壓當量，當室溫為25oc時，UT26mV。如果Uid為三角波，設表達式為式中Um

16、三角波的幅度； T三角波的周期。為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：（1） 傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；（2） 三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。（3） 圖為實現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中Rp1調節(jié)三角波的幅度，Rp2調整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1,C2,C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。圖3-5 三角波-正弦波變換3.4電路的參數(shù)選擇及計算1.方波-三角波中電容C1變化（關鍵性變化之一）實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，后來將C2從10uf（理論時可出來波形）換成0.1uf時，順利得出波形。

17、實際上，分析一下便知當C2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現(xiàn)。2.三角波-正弦波部分比較器A1與積分器A2的元件計算如下。得即取 ，則，取 ，RP1為47K的點位器。區(qū)平衡電阻由式（3-62）即當時，取，則，取，為100K電位器。當時 ，取以實現(xiàn)頻率波段的轉換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻。三角波>正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點可通

18、過觀測傳輸特性曲線，調整RP4及電阻R*確定。3.5 總電路圖圖3-6 總設計圖四 電路仿真4.1 方波-三角波發(fā)生電路的仿真 圖4-1 方波 圖4-2 三角波圖4-3 方波三角波發(fā)生電路仿真4.2 三角波-正弦波轉換電路的仿真圖4-4 三角波正弦波發(fā)生電路仿真五 電路的安裝與調試5.1 方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調試1.按裝方波三角波產生電路1. 把兩塊741集成塊插入面包板，注意布局；2. 分別把各電阻放入適當位置，尤其注意電位器的接法；3. 按圖接線，注意直流源的正負及接地端。 2.調試方波三角波產生電路1. 接入電源后，用示波器進行雙蹤觀察；2. 調節(jié)RP1，使三角波的幅值滿足指標要

19、求；3. 調節(jié)RP2，微調波形的頻率；4. 觀察示波器，各指標達到要求后進行下一部按裝。5.2 三角波-正弦波轉換電路的安裝與調試1.安裝三角波正弦波變換電路1. 在面包板上接入差分放大電路，注意三極管的各管腳的接線；2. 搭生成直流源電路，注意R*的阻值選??；3. 接入各電容及電位器，注意C6的選??；4. 按圖接線，注意直流源的正負及接地端。2.調試三角波正弦波變換電路1. 接入直流源后，把C4接地，利用萬用表測試差分放大電路的靜態(tài)工作點；2. 測試V1、V2的電容值，當不相等時調節(jié)RP4使其相等；3. 測試V3、V4的電容值，使其滿足實驗要求；4. 在C4端接入信號源，利用示波器觀察，逐漸

20、增大輸入電壓，當輸出波形剛好不失真時記入其最大不失真電壓；5.3 總電路的安裝與調試1. 把兩部分的電路接好，進行整體測試、觀察2. 針對各階段出現(xiàn)的問題，逐各排查校驗，使其滿足實驗要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。5.4調試中遇到的問題及解決的方法方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級單元電路組成的,在裝調多級電路時通常按照單元電路的先后順序分級裝調與級聯(lián)。1 方波-三角波發(fā)生器的裝調由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時輸出方波與三角波，這兩個單元電路可以同時安裝。需要注意的是，安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調整到設計值，如設計舉例題中，應先使RP1=10K,RP2

21、取（2.5-70）K內的任一值,否則電路可能會不起振。只要電路接線正確，上電后，UO1的輸出為方波，UO2的輸出為三角波，微調RP1,使三角波的輸出幅度滿足設計指標要求有，調節(jié)RP2，則輸出頻率在對應波段內連續(xù)可變。2 三角波-正弦波變換電路的裝調 按照圖375所示電路，裝調三角波正弦波變換電路，其中差分發(fā)大電路可利用課題三設計完成的電路。電路的 調試步驟如下。(1)經電容C4輸入差摸信號電壓Uid=50v，F(xiàn)i =100Hz正弦波。調節(jié)Rp4及電阻R*,是傳輸特性曲線對稱。在逐漸增大Uid。直到傳輸特性曲線形狀入圖373所示，記 下次時對應的 Uid即Uidm值。移去信號源，再將C4左段接地

22、，測量差份放大器的 靜態(tài)工作點I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.(2) Rp3與C4連接，調節(jié)Rp3使三角波俄 輸出幅度經Rp3等于Uidm值，這時Uo3的 輸出波形應 接近 正弦波，調節(jié)C6大小可改善輸出波形。如果Uo3的 波形出現(xiàn)如圖376所示的 幾種正弦波失真，則應調節(jié)和改善參數(shù)，產生是真的 原因及采取的措施有；1）鐘形失真 如圖（a）所示，傳輸特性曲線的 線性區(qū)太寬，應減小Re2。2）半波圓定或平頂失真 如圖（b）所示，傳輸特性曲線對稱性差，工作點Q偏上或偏下，應調整電阻R*.3）非線性失真 如圖（C）所示，三角波傳輸特性區(qū)線性度 差引起的失真，主要是受到運放的影響?？稍谳敵龆思?/p>

23、濾波網(wǎng)絡改善輸出波形。(3) 性能指標測量與誤差分析 1）放波輸出電壓Upp=2Vcc是因為運放輸出極有PNP型兩種晶體組成復合互補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飲和導通，由于導通時輸出電阻的影響，使方波輸出度小于電源電壓值。2）方波的上升時間T，主要受預算放大器的限制。如果輸出頻率的 限制?？山佣砑铀匐娙軨1，一般取C1為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測量T 六 電路的實驗結果6.1 方波-三角波發(fā)生電路的實驗結果Multisim仿真結果：C=0.01uffmin=625HZfmax=5.1 KHZC=0.1uffmin=67HZfmax=1.01KHZC=1ufFmin=6.7HZf

24、max=114HZC=10ufFmin=0.67HZfmax=15HZ實際電路結果：C=0.01uffmin=1.5KHZfmax=17.8KHZC=0.1uffmin=158HZfmax=3.1KHZC=1uffmin=53HZfmax=370HZC=10uffmax=29HZ最大不失真電壓U=2.43V6.2三角波-正弦波轉換電路的實驗結果實際電路結果：(1)靜態(tài)工作點：R13=15KVc1=5.47 V Vc2=5.01VVb1=-0.012V Vb2=-0.014VVe1=-0.617V Ve2=-0.622V Ve3=-10.559 Ve4=-10.561 Ic1=0.3265 Ic

25、2=0.3459 Ie3=0.7205(2).最后波形：Uo3（正弦波） Uo2（三角波）測量值Uo3=0.43V Uo2=0.072V峰峰值Uo3=1.2162V Uo2=0.2036V6.3 實測電路波形、誤差分析及改進方法 圖6-1 失真波形將C6替換為由兩個.1uF串聯(lián)或直接拿掉, C1=0.1uF U=54mv Uo=2.7v >1vC1=0.01uF U=54mv Uo=2.8v>1v Xc=1/W*C,當輸出波形為高頻時，若電容C6較大，則Xc很小，高頻信號完全被吞并，無法顯示出來。七 收獲與體會經過一周的課程設計的學習，我已經成功的制作出自己的函數(shù)發(fā)生器，內心感到十分的愉悅。剛開始我對這個東西一竅不通，于是我借來了一份函數(shù)發(fā)生器電路原理圖準備抄抄了事，但在電腦驗證的時候漏洞百出，我就放棄抄襲別人構思的想法，后來到網(wǎng)上搜索了一下相關內容，順便到學校圖書館借相關書籍，經過和我的搭檔的研究和討論，最終確定了函數(shù)發(fā)生器的電路原理圖。第一天晚上在做電路仿真時，用我們已經畫好了電路原理圖，修改好參數(shù)后，結果總是出現(xiàn)問題無論我怎樣修改都不行。這個也太難修改