模电课程设计函数发生器的设计

1、第 一 部 分任务书模拟电子技术课程设计指导书课题：函数发生器的设计一个电子产品的设计、制作过程所涉及的知识面很广；加上电子技术的发展异常迅速，新的电子器件的功能在不断提升，新的设计方法不断发展，新的工艺手段层出不穷，它们对传统的设计、制作方法提出了新的挑战。但对于初次涉足电子产品的设计、制作来说，了解并实践一下电子产品的设计、制作的基本过程是很有必要的。由于所涉及的知识面很广，相应的具体内容请参考本文中提示的模拟电子技术基础实验与课程设计、电子技术实验等书的有关章节。一、函数发生器的简介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

2、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，一、函数发生器的工作原理本课题中函数发生器电路组成框

3、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。二、设计目的1掌握电子系统的一般设计方法2掌握模拟ic器件的应用3培养综合应用所学知识来指导实践的能力三、设计要求及技术指标1设计、组装、调试函数发生器2输出波形：正弦波、方波、三角波； 3频率范围 ：在1010000hz范围内可调 ；4输出电压：方波u24v，三角

4、波u8v，正弦波u1v；四、设计所用仪器及器件1直流稳压电源2双踪示波器3万用表4运放7415电阻、电容若干6三极管7面包板五、日程安排1布置任务、查阅资料，方案设计（一天）根据设计要求，查阅参考资料，进行方案设计及可行性论证，确定设计方案，画出详细的原理图。2上机在edb（或eda）对设计电路进行模拟仿真调试、画电路原理接线图 （半天）要求在虚拟仪器上观测到正确的波形并达到规定的技术指标。3电路的装配及调试（两天半）在面包板上对电路进行装配调试，使其全面达到规定的技术指标，最终通过验收。4总结报告 （一天）六、课程设计报告内容：总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：1课程设计

5、的目和设计的任务2课程设计的要求及技术指标3总方案的确定并画出原理框图。4各组成单元电路设计，及电路的原理、工作特性(结合设计图写) 5总原理图，工作原理、工作特性（结合框图及电路图讲解）。6电路安装、调试步骤及方法，调试中遇到的问题，及分析解决方法。7实验结果分析，改进意见及收获。8体会。七、电子电路设计的一般方法：1仔细分析产品的功能要求，利用互连网、图书、杂志查阅资料，从中提取相关和最有价值的信息、方法。（1）设计总体方案。（2）设计单元电路、选择元器件、根据需要调整总体方案（3）计算电路（元件）参数。（4）绘制总体电路初稿（5）上机在edb（或eda）电路实验仿真。（6）绘制总体电路。

6、2明确电路图设计的基本要求进行电路设计。并上机在edb（或eda）上进行电路实验仿真，电路图设计已有不少的计算机辅助设计软件，利用这些软件可显著减轻了人工绘图的压力，电路实验仿真大大减少人工重复劳动，并可帮助工程技术人员调整电路的整体布局，减少电路不同部分的相互干扰等等。3掌握常用元器件的识别和测试。电子元器件种类繁多，并且不断有新的功能、性能更好的元器件出现。需要通过互连网、图书、杂志查阅它们的识别和测试方法。对于常用元器件，不少手册有所介绍。4、熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。通过排除电路故障，提高电路性能的过程，巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。5、独立书写课程设计报告。 第

7、二 部 分课程设计报告目 录1设计的目的及任务（1）1.1 课程设计的目的（1）1.2 课程设计的任务与要求（1）1.3 课程设计的技术指标（1）2 电路设计总方案及原理框图（1） 2.1 电路设计原理框图 （1） 2.2 电路设计方案设计 （1）3 各部分电路设计（2）3.1 方波发生电路的工作原理（2）3.2 方波-三角波转换电路的工作原理（3）3.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理（4） 3.4电路的参数选择及计算（5）3.5 总电路图 （6）4电路的安装与调试 （7 ）4.1 方波-三角波发生电路的安装与调试（7 ）4.2 三角波-正弦波转换电路的安装与调试 (7)4.3 总电路的安

8、装与调试 （7）4.4 电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法 （7）5电路的实验结果 （7 ）5.1 方波-三角波发生电路的实验结果（7 ）5.2 三角波-正弦波转换电路的实验结果（7 ）5.3 实测电路波形、误差分析及改进方法 （8 ）设计总结 （9 ）仪器仪表明细清单 （10 ）参考文献（11 ） 一、设计的目的及任务（一）课程设计的目的1、掌握电子系统的一般设计方法2、掌握模拟ic器件的应用3、培养综合应用所学知识来指导实践的能力（二）课程设计的任务和要求1、设计、组装、调试函数信号发生器（三）课程设计的技术指标1、输出：方波、三角波、正弦波2、频率范围：110000hz3、输出电压

9、：方波up-p24v,三角波up-p=8v,正弦波up-p1v二、电路设计总方案及原理框图（一）电路设计原理框图 图2.1 原理框图 （二）电路设计方案设计 函数信号发生器能产生正弦波、方波、三角波等信号波形。其电路中可以使用的元器件可以是分立器件，也可以用相应的芯片来设计。这次的课程设计，使用的是以下这种方法来设计函数信号发生器：先由电压比较器产生方波，通过积分电路将方波转换为三角波，利用差分放大电路得到正弦波。三、各部分电路设计（一）方波发生电路的工作原理图3.1 方波发生电路 方波发生电路由滞回比较器和rc电路组成。设某一时刻输出电压uo=+uz，则同相输入端电位up=+ut。uo通过r

10、3对电容c正向充电。反相输入端电位un随时间t增长而逐渐升高，当t趋近于无穷时，un趋于+ut；但是，一旦un=+ut，再稍增大，uo就从+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，即放电。反向输入端电位un随时间t增长而逐渐降低，当t趋近于无穷时，un趋于-uz；但是，一旦un=-ut，再稍减小，uo就从-uz跃变为+uz，与此同时up从-ut跃变为+ut，电容又开始正向充电。上述过程周而复始，电路产生了自激震荡,即产生了方波。 （二）方波-三角波转换电路的工作原理 图3.2 方波-三角波转换电路对于虚线左边部分：ut=r2uo2m/（r3+r

11、p1）=r2vcc/（r3+rp1）对于虚线右边部分:(uo1u2-)(r4+rp2)=ic2,(1c2)ic2 dt=u2u2,将ic2表达式代入此积分中，且 u2-=u2+=0，当u1=+vcc时，u2=-vcc t（r4+rp2）c1；当u1=vee时，u2=vee t（r4+rp2）c1。可见，当积分器的输入为方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波。三角波的幅值为u2m=r2vcc（r3+rp1），方波-三角波的频率为f=（r3+rp1）/4r2c2（r4+rp2）。 （三）三角波-正弦波转换电路的工作原理图3.3 方波三角波波形 图3.4 三角波-正弦波转换电路 利用差分对

12、三极管变换电路的原理，波形转换的原理是利用差分对管的饱和与截止特性进行变换图3.5 三角波-正弦波转换的工作原理（四）电路的参数选择及计算1、因为方波的幅度接近电源电压，所以取电源电压+vcc=+12v，vee=12v。 2、比较器a1与积分器a2的元件参数计算如下：由公式 r2/（r3+rp1）=uo2m/vcc=4/12=1/3，取r2=10kohm，r3=20kohm，rp1=47kohm，r1=r2|（r3+rp1）10kohm。由输出频率表达式可得 r4+rp2=（r3+rp1）/（4r2c2f），当1hzf10hz时，取c2=10uf，r4=5.1k,rp2=100k；当10hzf

13、100hz时，取c2=1uf；当100hzf1000hz时，取c2=0.1uf；当1000hzf10000hz时，取c2=0.01uf；后三种情况r4和rp2值不变。取平衡电阻r5=10k。3、三角波到正弦波电路的参数选择原则是：耦合电容c3、c4、c5要取得较大，因为输出频率很低，取c3=c4=c5=470uf，滤波电容c6=0.1uf。re2=100ohm，rp4=100ohm，两者并联以减少差动放大器的线性区。（五）总电路图图3.4 总电路图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

14、，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四、电路的安装与调试（一）方波-三角波发生电路的安装和调试 由于比较器a1与积分器a2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，故这两个单元电路可以同时安装。用双踪示波器同时观察uo1与uo2的波形，通过调节rp1使得三角波的峰峰值为8v，方波的峰峰值小于24v；调节rp2可得到在用不同的电容c2时的频率段。（二）三角波-正弦波转换电路的安装和调试差动放大器传输特性曲线调试。将c4与rp3断开，在c4端输入100hz、50m

15、v的正弦波，用双踪示波器同时观察t1、t2两三极管的集电极对地的电压波形，通过调节rp4和r11，使传输特性曲线对称。再逐渐增大输入电压，用示波器观察输出波形，记下uidm。移去信号源，将c4接地，用数字万用表分别测量ic3q、uc1q、uc2q、uc3q、uc4q以及ue3q。（三）总电路的安装与调试三角波-正弦波转换电路的调试。将c4与rp3连接起来，调节rp3使得输入三角波的电压值为uidm，用示波器观察输出波形，可看到输出正弦波。（四）电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法1、最后的输出波形出现了非线形的失真，说明有干扰波，可接入c6来改善；出现平顶失真，则说明差分放大电路的对称性没

16、调好，可对r11（8k或15k）进行调整。2、调差分放大电路对称时，发现无论怎么调rp4，波形的变化不大，可用数字万用表来测t1、t2的集电极对地的电压，以此为依据来调节rp4。五、电路的实验结果（一）方波-三角波发生电路的实验结果1、方波的vp-p=21v，三角波的vp-p=8v。2、当c2=1uf时，调节rp2测得的频率范围是5.49hz131.58hz当c2=0.1uf时,调节rp2测得的频率范围是55.25hz1000hz（二）三角波-正弦波转换电路的实验结果1、uidm=74.9mv2、测得的四个三极管的集电极对地的电压分别为：u1=5.654v u2=5.767v u3=0.609

17、5v u4=9.770v3、t3管的发射极对地的电压为u5=10.366v,io=u5/re3=10.366/2k=5.183ma4、正弦波的幅度为5v左右，大于1v，满足设计需求(三) 实测电路波形、误差分析及改进方法1、图5.1 实测方波波形2、图5.2 实测三角波波形3、图5.3 实测正弦波波形4、图5.4 实测调节差分电路时的t1、t2两三极管的集电极对地的电压波形六、设计总结这次设计与其他组不同，我们是三个人共同完成的，但三个人都没闲着。因为之前的电路课程设计最后要焊接电路时，板上已有印刷电路，这样使得我们的电路连接和焊接都比较轻松。但这回得自己部线，没有任何参照，刚开始有点不知所措

18、，不过静下心来去做，感觉比以前的更能增强动手能力，每次下手焊接之前我们三人都要认真研究一下，在这之中最重要的是有了一个思考的过程，真的受益匪浅。虽然最终实物做出来了，但这并不是我一个人做出来的。通过这次课程设计，我明白了一个团队精神的重要性，因为从头到尾，都是大家集体出主意，来解决中间出现的各种问题。从原理图的最终敲定，到波形的仿真，到元器件的选择，到最后实物的焊接与调试，这都是大家分工合作的结果，正是因为大家配合得默契，每项工作都完成得很棒，衔接得很好，才使我们很快的完成了任务。 电路调试的时候遇到的一个问题就是在示波器上不显示方波，在我们几乎崩溃时，有人提醒我们一个电容选错了，于是又手忙脚乱的换电容，终于示波器上出现了我们想要的波形。在此，要非常感谢那位同学。通过这次课程设计我明白了动手做很重要，但如果能在动手的同时积极思考