模電課設(shè)函數(shù)發(fā)生器

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 通信 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì) 初始條件： 示波器，萬用表，直流穩(wěn)壓源，毫伏表，NE5532要求完成的主要任務(wù): 一 任務(wù)：利用集成運(yùn)算放大器和晶體管差分放大器等設(shè)計(jì)一個(gè)方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器。 二 要求：設(shè)計(jì)制作一個(gè)方波三角波正選波發(fā)生器，頻率范圍10100 Hz，100 Hz1 KHz，1KHz10 KHz；正弦波Upp3v，三角波Upp5v，方波Upp14v，幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真小。 時(shí)間安排：十八周：查找收集相關(guān)資料十九周：初步定下實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行理論計(jì)算，用Multisim仿真二十周：購買元器件，焊電路，

2、寫報(bào)告指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘 要3Abstract41函數(shù)發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)51.1方案選擇51.2器件選擇61.3單元電路的設(shè)計(jì)71.3.1 方波發(fā)生電路的工作原理7方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理9三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理111.4電路的參數(shù)選擇及計(jì)算131.5 總電路142 仿真結(jié)果及分析153電路的安裝與調(diào)試173.1焊接調(diào)試中的問題173.2性能指標(biāo)測量與誤差分析173.3實(shí)物圖184 收獲與體會(huì)195元器件清單21摘 要 函數(shù)信號發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實(shí)

3、驗(yàn)和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。通過對函數(shù)波形發(fā)生器的原理以及構(gòu)成分析，可設(shè)計(jì)一個(gè)能變換出三角波、正弦波、方波的函數(shù)波形發(fā)生器。其電路中使用的器件可以是分立器件（如低頻函數(shù)信號發(fā)生器S101全部采用晶體管），也可以是集成電路（如單片集成電路函數(shù)發(fā)生器ICL8038）。產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如先產(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換成三角波；也可以先產(chǎn)生方波-三角波，再將三角波變換成正弦波。本設(shè)計(jì)中依靠自激振蕩產(chǎn)生正弦波，利用施密特觸發(fā)器原理組成多諧振蕩器方波方波，將方波積分產(chǎn)生三角波。該電路能實(shí)現(xiàn)正弦波、三角波的幅值、頻率可調(diào)，方波頻率、占空比

4、可調(diào)。Abstract Function Generator is able to generate a variety of waveforms, such as the triangle wave, sawtooth, rectangular wave (including square), sine wave circuit. Function generator experiments and equipment testing at the circuit has a very wide range of uses. Through the principle of the func

5、tion waveform generator and the composition analysis, can be designed to be able to change out of a triangular wave, sine wave, square wave function waveform generator. The circuit used in the device can be discrete devices (such as the low-frequency signal generator S101 function used in all transi

6、stors), it can be integrated circuits (such as the monolithic integrated circuit function generator ICL8038). Generate sine, square, triangle wave a variety of programs, such as created in the first sine wave, and then shaping circuit will transform into a square wave sine wave, square wave by the i

7、ntegral circuit will be transformed into the triangle wave; also be created in the first square - - triangular wave, and then transform into a triangular-wave sine wave. The design of relying on self-oscillating sine wave generated using the principle of the composition of the Schmitt trigger multiv

8、ibrator square wave square wave triangle wave will produce square points. The circuit can achieve sine wave, triangle wave amplitude, frequency adjustable, square-wave frequency, duty cycle adjustable.1 函數(shù)發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)1.1方案選擇方案一:方波三角波正弦波 圖1-1 方波、三角波、正弦波、信號發(fā)生器的原理框圖首先由LM324多諧振蕩器產(chǎn)生方波，然后由積分電路將方波轉(zhuǎn)化為三角波，最后用低通濾

9、波器將方波轉(zhuǎn)化為正弦波，但這樣的輸出將造成負(fù)載的輸出正弦波波形變形，因?yàn)樨?fù)載的變動(dòng)將拉動(dòng)波形的崎變。系統(tǒng)采用雙電源供電，主體部分由LM324集成運(yùn)放芯片構(gòu)成的滯回比較器、積分器和二階有源低通濾波器電路組成。它由滯回比較器產(chǎn)生方波信號，方波信號經(jīng)過積分器后產(chǎn)生三角波信號。三角波信號一路反饋回滯回比較器，作為滯回比較器 ；另一路經(jīng)二階有源低通濾波器濾波以后產(chǎn)生正弦波信號。使用時(shí)可以在電路系統(tǒng)的不同輸出點(diǎn)得到不同的波形信號。方案二：正弦波方波三角波-原理框圖：積分電路電壓比較器RC正弦波振蕩電路圖1-2 正弦波、方波、三角波信號發(fā)生器的原理框圖RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波

10、方波三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，電路框圖如上。先通過RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成三角波。此電路具有良好的正弦波和方波信號。但經(jīng)過積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號，存在難度。原因是積分器電路的積分時(shí)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(shí)改變。若要保持三角波幅度不變，需同時(shí)改變積分時(shí)間常數(shù)的大小。函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)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。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)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。

11、方案一的電路結(jié)構(gòu)、思路簡單，運(yùn)行時(shí)性能穩(wěn)定且能較好的符合設(shè)計(jì)要求，且成本低廉、調(diào)整方便，關(guān)于輸出正弦波波形的變形，可以通過可變電阻的調(diào)節(jié)來調(diào)整。而方案二，關(guān)于三角波的缺陷，不是能很好的處理，且波形質(zhì)量不太理想，且頻率調(diào)節(jié)不如方案一簡單方便。綜上，我們選擇方案一。1.2器件選擇器件1：采用ICL8038集成函數(shù)信號發(fā)生器芯片外加電阻、電容元件，構(gòu)成波形發(fā)生電路。ICL8038集成函數(shù)信號發(fā)生器芯片是一種多用途的波形發(fā)生器芯片，它可以用來產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波。它的振蕩頻率可以通過外加的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，是一種壓控集成函數(shù)信號發(fā)生器。雖然ICL8038集成函數(shù)信號發(fā)生器的功能強(qiáng)大，但是它

12、的價(jià)格昂貴，而且市面上也較難買到。如果用ICL8038芯片來制作簡易波形發(fā)生器系統(tǒng)，則會(huì)大大增加系統(tǒng)的制作成本。器件2：采用LM324集成運(yùn)放芯片，外加電阻、電容等元器件調(diào)整、濾波，構(gòu)成簡易波形發(fā)生器。LM324是一種集成運(yùn)算放大器芯片，它的內(nèi)部有四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器。根據(jù)所學(xué)的知識(shí)，運(yùn)算放大器可以構(gòu)成滯回比較器、積分器和二階有源低通濾波器電路，可以分別產(chǎn)生方波、三角波和正弦波。依靠這些電路的組合，就可以制作成簡易波形發(fā)生器電路。該電路具有效率高、體積小、重量輕，輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)。而且LM324集成運(yùn)放芯片價(jià)格低廉，可以降低電路的制作成本?；谶@種考慮，器件2可被選用。 LM324芯片簡介：LM

13、324是由四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器組成的電路。它設(shè)計(jì)在較寬的電壓范圍內(nèi)單電源工作，但亦可在雙電源條件下工作。本電路在家用電器上和工業(yè)自動(dòng)化及光、機(jī)、電一體化領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。其特點(diǎn)如下：有寬的單電源或雙電源工作電壓范圍；內(nèi)含相位校正回路, 外圍元件少；電壓輸出范圍寬；共模輸入電壓范圍寬。LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝（DIP14），外形如圖3所示：圖1-3 LM324外型圖片它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖2所示的符號來表示：圖1-4 LM324內(nèi)部的運(yùn)放單元在電路中的符號它有5 個(gè)引出腳，其中“+”、“-

14、”為兩個(gè)信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo 的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖5： 圖1-5 LM324引腳圖由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。器件三：NE5532是一種雙運(yùn)放高性能低噪聲運(yùn)算放大器。 相比較大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，如1458，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅(qū)動(dòng)能力和相當(dāng)高的小信號和電源帶寬。該儀器是由兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放

15、大器組成的電路，本實(shí)驗(yàn)可與LM324替代使用。且價(jià)格低廉，易買到，也在選擇范圍內(nèi)。1.3單元電路的設(shè)計(jì)1.3.1 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(luò)，通過RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)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(shí)線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時(shí)間t的增長而逐漸增高，當(dāng)t趨于無窮時(shí)，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(shí)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。U

16、n隨時(shí)間逐漸增長而減低，當(dāng)t趨于無窮大時(shí)，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(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。 圖1-6 比較器電壓傳輸特性 圖1-7 方波產(chǎn)生原理圖1.3.2方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理C2圖1-8 方波三角波產(chǎn)生電路±UT=±(R2×Uo2m)(R3+Rp1) T=4R2(R4+Rp2)C1(R3+Rp1)工作原理如下：若R4與RP2交點(diǎn)斷開，運(yùn)算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C2為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)

17、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(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，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(shè)Uo1=+Vcc,則 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia-為若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)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1-6所示。交點(diǎn)斷開后，運(yùn)放A2與R4、RP2、C2及R17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(shí)，時(shí)，

18、可見積分器的輸入為方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關(guān)系下圖所示。圖1-9 方波產(chǎn)生三角波原理圖交點(diǎn)閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動(dòng)產(chǎn)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(jié)論：1. 電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時(shí)，不會(huì)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(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。2. 方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波-三角波的頻率。1.3.3三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理圖1-10 三角

19、波正弦波轉(zhuǎn)換電路圖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(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點(diǎn)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(dá)式為： 式中差分放大器的恒定電流；溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25oc時(shí)，UT26mV。如果 Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為式中Um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(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。（3） 圖為實(shí)現(xiàn)三

20、角波正弦波變換的電路。其中R13調(diào)節(jié)三角波的幅度，R7調(diào)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻R8用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C2,C3,C4為隔直電容，C1為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。圖1-11 三角波正弦波變換電路圖1-12方波三角波變換圖1.4電路的參數(shù)選擇及計(jì)算1）方波-三角波中電容C1變化（關(guān)鍵性變化之一）實(shí)物連線中，我們一開始很長時(shí)間出不來波形，后來將C2從10uf（理論時(shí)可出來波形）換成0.1uf時(shí)，順利得出波形。實(shí)際上，分析一下便知當(dāng)C2=10uf時(shí)，頻率很低，不容易在實(shí)際電路中實(shí)現(xiàn)。2）三角波-正弦波部分比較器A1與積分器A2的元件計(jì)算如下。由即取 ，則，取 ，RP1為

21、100K的電位器。區(qū)平衡電阻由式（3-62）即當(dāng)時(shí) ，取以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)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C2、C3、C4要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率很低，取，濾波電容C1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。R7=50歐與RP4=50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(diǎn)可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP3及電阻RP4確定.1.5 總電路圖1-12總電路圖先通過比較器產(chǎn)生方波，再通過積分器產(chǎn)生三角波，最后通過差分放大器形成正弦波。2 仿真結(jié)果及分析在Multiuse運(yùn)行本

22、電路圖得到的方波，三角波，正弦波如下圖所圖2-1方波仿真圖在仿真中，方波的幅值為14V，比要求中的高，但是在實(shí)際中加了一個(gè)電位器使方波幅度可調(diào)且范圍為0到14.1V，符合要求。在仿真中方波的上升時(shí)間較大，在實(shí)際焊接中，加了一個(gè)加速電容使仿真的上升時(shí)間得意控制，符合題目要求。 圖2-2 三角波仿真圖圖2-3正弦波仿真圖由方正波形可以看出，三角波，正弦波的線性失真小符合題目要求。且三角波正弦波幅度連續(xù)可調(diào)，符合題目要求。頻率在題目要求范圍內(nèi)可調(diào)。3電路的安裝與調(diào)試3.1焊接調(diào)試中的問題1、在實(shí)際焊板子的時(shí)候遇到了仿真中沒有的問題，如LM324使用中因?yàn)楹附邮д`導(dǎo)致燒毀，只能用于其相近的芯片NE55

23、32代替，但是Multisim仿真中沒有NE5532，因此仿真仍然用了LM324.第一塊實(shí)物焊接作品調(diào)試出現(xiàn)較大失真，達(dá)不到任務(wù)要求，因此綜合經(jīng)濟(jì)、時(shí)間等因素，就近尋找元件進(jìn)行了第二次焊接。2、方波的峰峰值過低或者過大，通過改變輸入電源的值，最終得到滿足要求的峰峰值。3、板子的焊接過程中做大的問題就是調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)。開始的時(shí)候靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)不好，導(dǎo)致產(chǎn)生的正弦波不對稱，后來又在鏡像恒流源加了一個(gè)電位器使靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)試成功，從而正弦波使上下對稱。3.2性能指標(biāo)測量與誤差分析1、方波輸出電壓Upp=14V，是因?yàn)檫\(yùn)放輸出極有PNP型兩種晶體組成復(fù)合互補(bǔ)對稱電路，輸出方波時(shí)，兩管輪流截止與導(dǎo)通，由于導(dǎo)

24、通時(shí)輸出電阻的影響，使方波輸出度小于電源電壓值。2、三角波的輸出電壓主要受比較器的門限寬度的限制 3、為使輸出波形更接近正弦波，要求傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好。三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管截止電壓。4、測得數(shù)據(jù)3.3實(shí)物圖圖3-1 調(diào)試成功的實(shí)物裝備面俯視圖圖3-2 調(diào)試失真較大的第一份焊接實(shí)物4 收獲與體會(huì) 模電課設(shè)一閃而過，回顧這幾天的辛苦摸索，心中不免感慨良多。最初的時(shí)候，multisim的學(xué)習(xí)也不是那么順利由于是全英文的界面，后來在各種找資料的幫助下組建有了些頭緒，知道了如何選擇元件，如何搭建電路，隨著一步一步深入的學(xué)習(xí)了解，越發(fā)的覺得multisim的強(qiáng)大與實(shí)用，也越發(fā)的覺得自身學(xué)習(xí)的不足，也越來越明白書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟的至理名言，然后我對multisim進(jìn)行更加深入的了解與應(yīng)用，也學(xué)到了很多。用仿真軟件修改元件參數(shù)，調(diào)試數(shù)據(jù)過程也很艱辛，在調(diào)試中也增進(jìn)了對元件作用的理解。通過本次設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了自己的理論水平，提高了自己的動(dòng)手能力，學(xué)到了許多課本上沒有的知識(shí)，得到了很大的鍛煉。 我們培養(yǎng)了動(dòng)手能力也為我們以后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和