函数发生器设计报告模板

1、湖北民族学院信息工程学院课程设计报告书题目: 函数发生器 课 程：电子线路课程设计专 业：电子信息科学与技术班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 18 / 25文档可自由编辑信息工程学院课程设计任务书学 号学生姓名专业（班级）设计题目函数发生器设计技术参数频率范围： 1Hz10Hz, 10Hz100Hz。输出电压： 方波Vp-p24V，三角波Vp-p=8V，正弦波Vp-p1V。波形特性： 方波tr1s(1kHz，最大输出时)，三角波2%，正弦波5%设计要求输出波形： 正弦波、方波、三角波。频率范围： 1Hz10Hz, 10Hz100Hz。输出电压： 方波Vp-p24V，三角波Vp-p=8

2、V，正弦波Vp-p。 波形特性： 方波tr1s(1kHz，最大输出时)，三角波2%，正弦波5% 参考资料1康华光，陈大钦. 电子技术基础模拟部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，20052马建国. 电子技术基础模拟部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，20053童诗白模拟电子技术基础（第三版）M北京：高教出版社，20014李万臣模拟电子技术基础与课程设计 M.哈尔滨工程大学出版社，20035胡宴如模拟电子技术 M.北京：高等教育出版社，2000 学生姓名： 学号： 专业（班级）： 课程设计题目： 函数发生器 成绩： 指导教师： 年 月 日信息工程系课程设计成绩评定表摘 要函数发生器能自

3、动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，然后再通过整形电路将正弦波转换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以先产生三角波-方波，再将三角波变成正弦波或者将方波变成正弦波。此设计的函数发生器是本设计以运算放大器LM324为核心器件，从方波电路开始，再通过积分电路将方波变成三角波，然后再通过差分放大电路将三角波变为正弦波。由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时

4、，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。关键词： LM324，比较器，积分器，差分放大器目 录一、任务提出与方案论证11.1本课题的研究现状11.2 选题意义11.3信号发生器的分类21.4 任务的提出21.5 实验原理2二、总体设计52.1 总体设计思路52.2 总体原理框图5三、详细设计及仿真63.1方波发生器设计63.2 方波三角波转换电路73.3 三角波正弦波转换电路103.4 整体仿真电路及其结果11四、总结13参考文献14 一、任务提出与方案论证1.1本课题的研究现状函数发生器既可以构成独立的信号源，也可以

5、是高性能网络分析仪、频谱仪及其它自动测试设备的组成部分。函数发生器关键技术是多种高性能仪器的支撑技术，因为它能够提供高质量的精密信号源以及扫频源，可以使相应系统的检测过程大大简化，降低检测费用并极大地提高检测精度。美国安捷伦生产的33250A型函数，任意波形发生器可以产生稳定、精度和低失真的任意波形，其输出的频率范围为1uHz80MHz,而输出幅度为10mVpp10Vpp。该公司生产的8684D射频信号发生器的覆盖频率范围更可高达9kHz4GHz。国产SG1060数字合成信号发生器能够双通道同时输出高分辨率、高精度、高可靠性的各种波形，频率覆盖范围为1uHz60MHz；国产S1000型数字合成

6、扫频信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源，同时应用DDS和锁相技术，使频率范围从1MHz1024MHz能精确地分辨到100Hz，它既是一台高精度的扫频仪，同时也是一台高精度的标准信号发生器。还有其他很多类型的信号发生器，他们各有各的优点，但是函数发生器总的趋势将向着看频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途。自动化和智能化方向发展。目前，市场上的信号发生器多种多样，一般按频带分为以下几种超高频：频率范围1MHz以上，可达几十兆赫兹；高频：几百KHz到MHz；低频：频率范围为几十赫兹到几百赫兹；超低频：频率范围为零点几赫兹到几百赫兹。超高频信号发生器，产生波形一般用LC振荡电路

7、。高频、低频和超低频信号发生器，大多使用文氏桥振荡电路，也就是RC振荡电路，通过改变电容和电阻值来改变频率。1.2 选题意义信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如方波、锯齿波、三角波、正弦波的电路被称为函数信号发生器。信号发生器是一种经常使用的设备，由纯粹物理器件构成的传统的设计方法存在许多弊端，如：体积较大、重量较沉、移动不方便、信号失真较大、波形形状调节过于死板，无法满足用户对精度、便携性、稳定性等要求，研究设计出一种具有频率稳定、准确、波形质量好、输出频率范围宽、便携性好等特点的波形发生器具有较好

8、的市场前景。以满足工业领域对信号源的要求。本次试验实现利用LM324，比较器，积分器，差分放大器共同实现方波、三角波、正弦波这三种常用波形的发生。在通信、广播、电视系统，在工业、农业、生物医学领域内，函数信号发生器在实验室和设备检测中具有十分广泛的用途。1.3 信号发生器的分类信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。因其应用广泛，种类繁多，特性各异，分类也不尽一致。按信号波形可分为正弦信号、函数信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类；按频率覆盖范围分为低频信号发生器、高频信号发生器和微波信号发生器；按输出电平可调节范围和稳定度分为简易信号发生器、标准信号发生器和功率信号发生器；按频率改变

9、的方式分为调谐式信号发生器、扫频式信号发生器、程控式信号发生器和频率合成式信号发生器等。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。1.4 任务的提出 设计方波三角波正弦波发生器。 频率范围： 1Hz10Hz, 10Hz100Hz。 输出电压： 方波Vp-p24V，三角波Vp-p=8V，正弦波Vp-p1V。 波形特性： 方波tr30s(1kHz，最大输出时)，三角波2%，正弦波5%1.5 实验原理 用运算放大器直接构建比较器产生方波，简单的比较器电路如图1-2所示：图1-2-1 比较器电路图此电路为同相比较器，即当输入信号大于参考电压时，运放输出接近于正电源电压+Vcc

10、,当小于参考电压时，运放的输出接近于负电源电压-VEE。其中和起到限幅的作用。三角波在实际应用中常用的方案均是基于方波产生后利用积分电路产生，这里对积分电路进行介绍。积分是一种常见的数学运算，这里所讨论的是模拟积分。积分电路如图1-2-1所示，可以用来作为显示器的扫描电路、模数转换器或者是作为数学模拟运算器等。电容器C以电流形式进行充电。利用虚地和虚断的概念：。上式表明，输出电压VO为输入电压VI对时间的积分，负号表示它们在相位上是相反的。当输入信号vi为阶跃电压时，在它的作用下，电容器将以近似恒流方式进行充电，输出电压VO与时间t成近似线性关系。图1-2-1 积分电路图若为了提高输出电压，可

11、将电路改为图1-2-2所示反相比例积分电路，其输入输出特性如图1-2-4所示： 图1-2-3 反相比例积分电路 图1-2-4 输入输出特性图则输出的信号频率为：可见的大小可由进行调节。电压放大增益为：正输入端所接的为平衡电阻。 非线性有源电路形成法。利用差分放大电路的非线性传输特性可以实现三角波正弦波的变换。对于典型差分放大电路的差模传输特性，它的输出电流（电压）与差模输入电压之间的关系符合双曲正切函数的变化规律。当三角波的正负峰值正好对应于差分放大管的截止电压时，晶体管集电极电流接近于正弦波，从而实现了三角波正弦波的变换。需要注意，为了使输出波形更接近正弦波，差分放大电路的传输特性应尽可能对

12、称，且线性区越窄越好。同时输入三角波的幅度应满足上述要求。带恒流源的典型差分放大电路如图1-2-5所示： 图1-2-5 带恒流源的典型差分放大电路二、总体设计2.1 总体设计思路函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的

13、方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。2.2

14、 总原理框图图2-1 函数发生器总原理框图三、详细设计及仿真3.1方波发生器设计 此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-U

15、z；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。据我所知自激振荡的产生大致上由下列两方面产生： 一、产生自激振荡的原因是因为在负反馈过程中，由于电路内部电容的作用输入信号在被放大输出后，产生了180度的相移，使本来的负反馈变成了正反馈，如果电路增益与反馈系数之积又大于1，那么将会产生振荡。消除振荡的方法大致有：1.在电路的反馈支路上并接电容实现超前相位补偿，使得输出反馈回输入端信号的相位与输入信号相位的差尽量在135度以下（即相位裕量大于等于45度）。2.滞后相位补偿：通过在输入端并接电容，减小

16、电路的增益，使得增益与反馈系数的乘积小于1即可防止振荡产生。二、另外，由于电源内阻不为0，所以可能从输出端通过电源内阻反馈回输入端并且在相位合适的条件下产生自激。消除方法是在输入级的偏置电路与电源之间接上合适阻值的电阻，减小通过电源内阻的反馈信号，只要电阻足够大，就可以防止自激震荡的产生。 图3-1 方波产生仿真电路3.2 方波-三角波转换电路 图3-2 方波三角波产生仿真电路如上图所示的电路能够自动产生方波三角波，图中右边是积分器，左边是同相输入的迟滞电压比较器。 若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、Rv1组成电压比较器，C2为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，

17、即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+Vcc,则 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为。若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为：比较器的门限宽度由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-71所示。a点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为，时，时，

18、可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下图所示。a点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为。方波-三角波的频率f为：由以上两式可以得到以下结论：1. 电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。2. 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。3.3 三角波正弦波转换电路 图33三角波正弦波转换仿真电路差分放大器具有工作点稳定

19、，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。分析表明，传输特性曲线的表达式为：，式中差分放大器的恒定电流；温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mV。如果Uid为三角波，设表达式为式中Um三角波的幅度； T三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，由图可见：（1） 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；（2） 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。（3） 图为实现三角波正弦波变换的电路。其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路的对称性，其并联电阻R9用

20、来减小差分放大器的线性区。电容C2,C3,C4为隔直电容，C5为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。3.4 整体仿真电路仿真结果如下图： 四、总结通过对函数信号发生器的设计，我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。为期一个星期的课程设计已经结束，在这一星期的学习、设计中我感触颇深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了波形发生器的设计方法，对比较器，积分器，差分放大器有了深刻的认识和了解，对其相关电路有了熟练的掌握，以及清楚了如何提高电路的性能等等。 在实验过程中，我们遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。通过查阅资料