函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計報告

1、目 錄1設(shè)計的目的及任務(wù)1.1 課程設(shè)計的目的1.2 課程設(shè)計的任務(wù)與要求2函數(shù)信號發(fā)生器的總方案及原理圖 2.1 電路設(shè)計原理框圖 2.2 電路設(shè)計方案設(shè)計3 各部分電路設(shè)計及選擇3.1 方波發(fā)生電路的工作原理3.2 方波、三角波發(fā)生電路的選擇3.3三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的選擇3.4總電路圖4 電路仿真與調(diào)試4.1 方波-三角波發(fā)生電路、三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真與調(diào)試 4.2方波-三角波發(fā)生電路、三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實驗結(jié)果5 PCB制版 6 設(shè)計總結(jié)7儀器儀表明細(xì)清單8 參考文獻(xiàn)1課程設(shè)計的目的和設(shè)計的任務(wù)1.1 設(shè)計目的1掌握用集成運算放大器構(gòu)成正弦波、方波和三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)

2、計方法。2.學(xué)會安裝、調(diào)試與仿真由分立器件、調(diào)試與仿真由分立器件與集成電路組成的多級電子電路小系統(tǒng)。2.2設(shè)計任務(wù)與要求： 設(shè)計一臺波形信號發(fā)生器，具體要求如下：輸出波形：方波、三角波、正弦波。頻率范圍 ：在1 Hz10Hz，10 Hz -100 Hz,100 Hz -1000 Hz等三個波段。3.頻率控制方式：通過改變RC時間常數(shù)手控信號頻率。4輸出電壓：方波U24V，三角波U8V，正弦波U1V。5.合理的設(shè)計硬件電路，說明工作原理及設(shè)計過程，畫出相關(guān)的電路原理圖。6.選用常用的電器元件（說明電器元件選擇過程和依據(jù)）。7.畫出設(shè)計的原理電路圖，作出電路的仿真。8.提交課程設(shè)計報告書一份，A3

3、圖紙兩張，完成相應(yīng)答辯。2函數(shù)發(fā)生器總方案及原理框圖2.1 原理框圖 三角波發(fā)生器（積分器）方波發(fā)生器（比較器）正弦波發(fā)生器（比例放大器）圖1-1 整體原理框圖2.2 函數(shù)發(fā)生器的總方案 函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(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。產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(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成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊?。本課題采用先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)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

4、角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路的基本結(jié)構(gòu)是比例放大器，對不同區(qū)段內(nèi)比例系數(shù)的切換，是通過二級管網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。如輸出信號的正半周內(nèi)由D1D3控制切換，負(fù)半周由D4D6控制切換。電阻Rb1Rb3與Ra1Ra3分別組成分壓器，控制著各二極管的動作電平。3各組成部分的工作原理及選擇3.1 方波發(fā)生電路的工作原理假設(shè)t=0時電容C上的電壓Uc=0,而滯回比較器的輸出端為高電平,即Uo=+Uz.則集成運放同相輸入端的電壓為輸出電壓在電阻R1,R2上分壓的結(jié)果,即： U+=R1*Uz/(R1+R2)此時輸出電壓+Uz將通過電阻R向電容C充電,使電容兩端的電壓Uc升

5、高,而此電容兩端的電壓接到集成運放的反向輸入端,即Uc=U_.當(dāng)電容上的電壓上升到U-=U+時,滯回比較器的輸出端將發(fā)生跳轉(zhuǎn),由高電平跳變?yōu)榈碗娖?使Uo=-Uz,于是集成運放同相輸入端的電壓也立即變?yōu)閁+=-R1*Uz/(R1+R2),然后又重復(fù)剛才過程.如此電容反復(fù)地進(jìn)行充電放電,滯比較器的輸出端將再次發(fā)生跳轉(zhuǎn),于是 產(chǎn)生了正負(fù)交替矩形波.3.2 方波-三角波發(fā)生電路的選擇方案一：方波三角波產(chǎn)生電路 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(zhuǎn)。運放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平

6、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，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。由計算可以得到以下結(jié)論：電位器RP2在調(diào)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C1改變頻率的范圍，PR2實現(xiàn)頻率微調(diào)。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可實現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波-三角波的頻率。方案二：此電路可以產(chǎn)生較好的方波和三角波，頻率基本符合要求，但是在調(diào)

7、試的過程中，發(fā)現(xiàn)頻率不能太大，既不能有高頻的信號，那時會失真。3.3三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理方案一：三角波正弦波的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)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。圖為實現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中Rp1調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp2調(diào)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

8、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。方案二： 三角波轉(zhuǎn)換正弦波電路折線法是一種使用最為普遍且實現(xiàn)也較簡單的正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換方法。折線法的轉(zhuǎn)換原理是：根據(jù)輸入三角波的電壓幅度，不斷改變函數(shù)轉(zhuǎn)換電路的的傳輸比率，也就是用多段折線組成的電壓傳輸特性，實現(xiàn)三角函數(shù)到正弦函數(shù)的逼近，我采用了有源正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換電路除二極管、電阻網(wǎng)絡(luò)外，還包括放大環(huán)節(jié)，也是根據(jù)三角波電壓的幅度，不斷增加或減少網(wǎng)絡(luò)通路以改變改變轉(zhuǎn)換電路的放大倍數(shù)，輸出近似的正弦電壓波形。在T/2時間內(nèi)均勻地設(shè)置六個斷點，以作為七段逼近或校正，每段按時間均勻的分布為T/14。若設(shè)正弦波在過零處的斜率

9、與三角波的相同，即d(VoSin2t/T)/dt在t=0時為4Vim/T則有Vom=2Vim/0.64Vim；由此，可推斷出各斷點上應(yīng)校正到的電平值：Vo1、Vo2和Vo3。Vim=8v,所以Vom=2/;Vim=5.12v;Vo1=Vomsin(2/TT/14)=2.22V Vo2=Vomsin(2/TT/7)=4.01V Vo3=Vomsin(2/T3/14)=4.98V電路方案：它的基本結(jié)構(gòu)是比例放大器，對于不同區(qū)段的比例系數(shù)的切換是通過二極管網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。如輸出信號的正半周內(nèi)由D1-D2控制切換，負(fù)半周內(nèi)由D4-D6控制切換，電阻Rb1-Rb3與Ra1-Ra3分別組成分壓器，控制著各二

10、極管的動作電在0- T/14區(qū)段內(nèi)，要求D1-D6均不導(dǎo)通，此時V0與VI的比例關(guān)系為：V01/T/14=Rf/Ri（Vim/T/14）由Vo1=2.22V,Vim=8V,可得Rf/Ri=0.97，若取Ri=10k，則Rf=9.7 k在T/14- T/7區(qū)段，要求D1導(dǎo)通，D2-D6均截Ro，此時Vo與VI的比例關(guān)系應(yīng)為：（Vo2-Vo1）/ T/14=（RfRa1）/Ri（Vim / T/14） （RfRa1）/Ri=0.78Ra1=35.5 k同理（Vo3-Vo2）/ T/14=（RfRa2）/Ri（Vim / T/14） （RfRa2）/Ri=0.42 Ra2=7.2 k （Vom-Vo

11、3）/ T/14=（RfRa3）/Ri（Vim / T/14）（RfRa3）Ri=0.06 Ra3=0.06k同時，為控制D1的動作電平，要求1點上的電平U滿足下列關(guān)系：Vo1-Ra1/（Ra1+Rb1）（Vo1+V）=Vd1或Rb1/（Ra1+Rb1）Vo1=VD1+Ra1（Ra1+Ra2）V設(shè)計時，為避免Rb1對放大器比例關(guān)系的影響要求Rb1Ra1所以，上式又可簡化為：Uo1VD1+Ra1/Rb1V 取VD=0.6V則有Rb1=VRa1/0.78=151 k Vo2VD+Ra2/Rb3V Rb2=25.3 k Vo3VD+Ra3/Rb3V則 Rb3=0.164k3.4總電路圖4 電路仿真與

12、調(diào)試4.1 方波-三角波發(fā)生電路的仿真與調(diào)試1.安裝方波三角波產(chǎn)生電路2. 把兩塊741集成塊插入面包板，注意布局；3. 分別把各電阻放入適當(dāng)位置，尤其注意電位器的接法；4. 按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。首先我接入了47k的滑動變阻器，接入電源后，用示波器進(jìn)行雙蹤觀察；發(fā)現(xiàn)波形正常，但是通過頻率計的測試，發(fā)現(xiàn)頻率較低，并且可調(diào)范圍較窄，故不能符合要求，因此我嘗試了45k、100k、250k、500k以及其以上的電阻，發(fā)現(xiàn)滑動變阻器太大也不會有較大變化，因此我選用了后兩種，但是后來調(diào)電容的時候，發(fā)現(xiàn)500k的比較適合！同理，電容也經(jīng)過這個過程，我從0.01uf開始以一定的寬度調(diào)節(jié)，最終發(fā)

13、現(xiàn)，頻率太小或太大都會導(dǎo)致波形失真，經(jīng)過反復(fù)比較，最終選定了1uf、10nf、100nf這個范圍最為合適！且波形較好。在調(diào)好頻率之后，想到調(diào)整幅度，通過反復(fù)更換R2、R3、R4發(fā)現(xiàn)沒有顯著的變化，故而改變穩(wěn)壓管以及直流電源，最終使幅度達(dá)到要求！ 第一：我們使用滯回比較器和積分器組合電路，他們互為輸入，故而只需要調(diào)整滑動變阻器就可以調(diào)整出相應(yīng)的波形，頻段的調(diào)節(jié)由電容決定，我們要求做三個頻段的頻率，因此每要求一個頻段，就選擇相應(yīng)的電容，打下相應(yīng)的開關(guān)，結(jié)果如下表所示。方波發(fā)生器的波形三角波發(fā)生器波形這個波形是方波和三角波同時發(fā)生并顯示在同一示波器上，兩個發(fā)生器是互相互為輸入的故而他們的波也是相互影

14、響的，調(diào)整效果時，只需調(diào)示波器即可。效果如圖： 方波三角波發(fā)生器波形第二：三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真與調(diào)試1.繪制三角波正弦波變換電路在面包板上接入比例放大電路，注意各電阻對應(yīng)和接線；由于此電路來源于現(xiàn)學(xué)課本，因此只要根據(jù)要求的幅度計算各電阻值即可。2.調(diào)試三角波正弦波變換電路由于計算值有小數(shù)，故而要對數(shù)值進(jìn)行近似，可能近似的當(dāng)，在電阻方面，沒有太多的調(diào)整。 我們使用的是折線法，因此正弦波會不很光滑，這也是正常的，因為輸入的三角波并不是如同發(fā)生器中的波形那么標(biāo)準(zhǔn)，故而會有些平滑，另一個原因是我采用的是七點折線計算，選點不多會有不少誤差。在選定好相應(yīng)的電容之后，要想調(diào)多大的頻率，只需要調(diào)整滑動

15、變阻器就可以了。至于波形美觀性，我們可以調(diào)整示波器的水平比例 與豎直比例，原理就是改變加在示波器中的電壓，從而使相應(yīng)的掃描變寬。如果波形有些失真，可以通過改變相應(yīng)的比例放大器中各電阻的比率，從而改變效果。此波圖是三角波與正弦波同時在一個示波器中顯示，即三角波轉(zhuǎn)換成正弦波的效果圖。三角波轉(zhuǎn)換成正弦波圖 第三：總電路的安裝與調(diào)試把兩部分的電路接好，進(jìn)行整體測試、觀察。因為三角波轉(zhuǎn)換成正弦波時電壓有一定的要求，所以在整體調(diào)整的過程中，只對穩(wěn)壓管進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)即可，最終就是測試各頻段的效果，結(jié)果表明滿足要求。調(diào)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,在調(diào)試多

16、級電路時通常按照單元電路的先后順序分級裝調(diào)與級聯(lián)。各調(diào)試過程如上所述。42 電路的實驗結(jié)果C=1uffmin=1HZfmax=13HZC=100nffmin=7HZfmax=135HZC=10nffmin=97HZfmax=1.2kHZ每當(dāng)一個電容工作時，其他電容的開關(guān)是處于閉合狀態(tài)，無論是測什么數(shù)據(jù)都是通過那三個點來測量，表格中顯示的是測試時實測的頻率范圍，由于他大于要求范圍，所以是滿足的。R=250KVc1=22.317V（方波）Vc2=7.787V（三角波）Vc3=6.297V（正弦波） 至于電壓幅值，誤差在允許的范圍之內(nèi)。當(dāng)調(diào)整頻率的時候，可變的電壓會發(fā)生變化，想要那個值只需調(diào)滑動變阻

17、器即可。方波的電壓由穩(wěn)壓管決定，所以他是基本不變的，三角波的會因為滑動變阻器的變化會有變化，進(jìn)而影響正弦波的電壓幅值。5 PCB制版首先，我們開啟protdl軟件，建立新的文件，在其上繪制原理圖，并與multisim中仿真的一樣，完成連線，注意連線要到位，否則會無法制版。線連接好后，對每一個元件進(jìn)行封裝，在PCB界面中找好相對應(yīng)的原件，在原理圖中，將原件一一封裝，然后將其導(dǎo)入到制圖界面，手工調(diào)整好整體布局后，要與原理圖一致，自動布線就完成了！如果對效果不滿意，還可以進(jìn)行手工布線！制圖如下：在制作過程中，需要注意個元器件的布置，特別是原理圖，由于他沒有自動節(jié)點連接，故而很容易造成PCB無法制版，

18、其次是要對各個集成運放的接口進(jìn)行標(biāo)號，在接線時要一一對應(yīng)否則無法制版。再次是個元器件的標(biāo)號要清晰，在布圖時，我們要對應(yīng)于原理圖進(jìn)行布局，沒有好的標(biāo)號會導(dǎo)致一些錯誤。最后是在手工繪制PCB線時，盡量避免各線相交叉，我們通常通過讓線從元器件上通過的辦法來解決這個問題。最后一個問題是打印，由于我們的板子是雙層的，再加上底色是黑色的，打印出來的效果不好，很多連線都不能看清，所以在這方面的設(shè)置要注意。6實驗總結(jié)通過對此課程的設(shè)計，我不但知道了以前不知道的理論知識，而且也鞏固了以前知道的知識。最重要的是在實踐中理解了書本上的知識，明白了學(xué)以致用的真諦。也明白老師為什么要求我們做好這個課程設(shè)計的原因。他是為

19、了教會我們?nèi)绾芜\用所學(xué)的知識去解決實際的問題，提高我們的動手能力。 這次課程設(shè)計讓我認(rèn)識到設(shè)計是讓我們提升動手能力的絕好機(jī)會，這也能讓我們可以把以前學(xué)到的理論知識在實踐中得到認(rèn)證，我期盼在今后的課程中能得到更多像這樣的機(jī)會讓同學(xué)們得到鍛煉。同時通過這次對函數(shù)波形發(fā)生器的設(shè)計與制作，讓我更加了解了一些設(shè)計電路的程序，也讓我了解了關(guān)于函數(shù)波形發(fā)生器的原理與設(shè)計理念，設(shè)計一個電路時只有先通過仿真，仿真成功之后再實際接線使我了解了Protel，multisim等軟件及其運用，這次設(shè)計還使我認(rèn)識到，電路設(shè)計需要耐心，需要一種整體的思維，而且遇到點問題很正常，關(guān)鍵要學(xué)會分析問題，善于解決問題，很多東西要弄懂弄透，不斷積累經(jīng)驗。所以說，坐而言不如立而行，對于這些電路還是應(yīng)該自己動手實際操作才會有深刻理解。 通過這段時間不懈的努力與切實追求，我