函数发生器设计-孟娜娜

1、课程设计任务书学生姓名： 孟娜娜 专业班级： 通信0905 指导教师： 王晟 工作单位： 信息工程学院 题 目: 函数发生器设计 初始条件： 1.高频电子线路基础知识，比较器积分器和差分放大器部分。 2.电路板焊接知识。要求完成的主要任务: 1.根据理论知识书写课程设计报告。 2.按照要求焊接实物，并调试电路功能。设计任务：1.频率可调范围：10Hz10kHz； 2.输出电压：正弦波VPP=03V,三角波VPP=05V,方波VPP=015V； 3.输出电压幅度连续可调 4.方波上升时间小于2微秒，三角波线性失真小于1%，正弦波失真度小于3%时间安排：第18周：理论讲解第19周：理论设计及实验室

2、安装调试；地点：鉴主15通信工程实验室（1），鉴主13通信工程专业实验室；撰写设计报告及答辩；地点：鉴主17楼研究室。指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要11总体电路方案设计与选择1 1.1设计要求11.2设计的基本方案11.3选择的最终设计方案12 电源的设计33 函数发生器的实现43.1原理图的设计43.2元件参数的计算93.3电路仿真104 函数发生器的调试114.1调试过程与结果分析114.2调试结果的分析及结论125元器件清单136 课设总结147 心得体会15参考文献16摘 要本次课程设计是要求做一个能够产生方波-三角波-正弦波的函数发生器.众

3、所周知,制作函数发生器的电路有很多种.本次设计采用的电路是基于运放和晶体三极管的试验电路。各种波形频率段的调整可以由外电路的改变来实现,例如,改变电容的值.改变放电的周期从而改变输出波形的失真。另外也可以做先产生正弦波的电路,其次经过比较器产生方波,再经过积分电路,产生三角波。获得正弦波时,可以做一个RC正弦波整荡电路。电路的原理部分的设计,可以是先设计单元电路，然后将各输入输出连接起来。本次试验中,就是先做方波发生电路，电压比较器，然后是积分电路,最后是差动放大电路。关键字：正弦波、RC正弦波整荡电路、积分电路等1 总体电路方案设计与选择1.1设计要求（1）频率可调范围：10Hz10kHz；

4、(2) 输出电压：正弦波VPP=03V, 三角波VPP=05V, 方波VPP=015V；（3）输出电压幅度连续可调；（4）方波上升时间小于2微秒，三角波线性失真小于1%，正弦波失真度小于3%；1.2设计的基本方案方案一：由RC桥式电路振荡产生正弦波，再经整形积分产生方波和三角波。方案二：用ICL8038集成函数信号发生器所需信号。接入外部电路后ICL8038的9、3、2引脚就可分别产生方波、三角波、 正弦波，频率调节部分通过其它的引脚接外电路来完成 .然后从ICL8038出来经过选择开关选择所需波形进入LM31D8进行放大和幅度调节，最后从LM31D8出来的波即为频率和幅度可调的方波，三角波和

5、正弦波 。 方案三：采用DDS作为信号发生核心器件的全数控函数信号发生器设计方案，根据输出信号波形类型可设置、输出信号幅度和频率可数控、输出频率宽等要求，选用了AD9850芯片，并通过单片机程序控制和处理AD9850的32位频率控制字，再经放大后加至以数字电位器为核心的数字衰减网络，从而实现了信号幅度、频率、类型以及输出等选项的全数字控制。方案四：利用比较器产生方波，后用积分器产生三角波，经过擦、差分放大器产生正弦波。图1-1 原理框图可行性分析：在以上四种方案，方案一：用RC桥式电路及整形积分电路构成的函数发生器所产生的信号难控制，不易调试，可调范围小；方案二中，应用芯片，由运放，电位器等组

6、成的多功能函数信号发生器，精确度高，但过于复杂；方案三，知识所限，复杂；方案四，产生信号相对简单。所以选择第四种方案。 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。1.3选择的最终设计方案各个方案的原理图：1 由运算放大器进行设计,如图1-2所示： 图1-2函数发生器原理图1采用振荡电路获得正弦波,再由比较器获得方波,最

7、后通过积分电路获得三角波。2 采用集成片ICL8038做函数信号发生器，如图1-3所示：图1-3 函数发生器原理图2这是一种集成度很高的芯片，只要外加上电源，就能得到很完美的波形。3 采用比较器和积分器分别获得方波和三角波,再用晶体三极管组成的差分放大电路做三角波到正弦波的转换，如图1-4所示： 图1-4 函数发生器原理图34各个方案的比较：以上的三种方案, 方案一是使用RC桥式正弦波振荡器作为整个电路的基础,考虑到正弦振荡电路的稳定性，放弃了第一种方案。方案二十分的简单,只需要购买一片ICL8038和少量电阻和电容即可，但价格昂贵，并且不能充分利用我们所学的知识，并不能达到我们电路设计的初衷

8、。方案三，充分运用到了所学知识的，同时所购元器件的价格合理，并且电路的性能稳定，能很好的达到实验的预期，因此选择方案三做为最终的方案。2电源设计找个32伏50瓦的变压器， 找个大于1.5安耐压大于300伏的电桥。 把电桥标有“”或“AC”的脚接变压器32伏那边。 找个LM317，从左向右数： 1脚到电桥标有“-”那边接个4700微法50伏电容。 3脚到电桥标有“-”那边接个470微法50伏电容。 2脚到电桥标有“-”那边接个4.7微法50伏电容。 2脚到电桥标有“-”那边接个2.2K的可调电阻。 1脚接电桥标有“+”的那个脚。 在电桥标有“-”的脚与LM317的3脚拉一个电压表0-36伏的。

9、输出是LM317的3脚正极. 与电桥标有“-”的脚负极。另外还要在LM317上安一个大散热器。图2-1 LM317电源电路图3 函数发生器的实现3.1原理图的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

10、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-Uz；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。方波-三角波转换工作原理如图3-1所示：图3-1方波-三角波转换工作原理图方波-三角波转换工作原理分析图如图3-2，3-3所示：图3-2方波-三角波转换工作原理分析图1图3-3方波-三角波转换工作原理分析图2此电路的工作原理： 若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1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，即U-=0，同相

11、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。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，可见积分器的输入为方波时，输出是一个

12、上升速度与下降速度相等的三角波。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-三角波的幅度为方波-三角波的频率f为结论：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。若要求通频率的范围较宽，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。三角波-正弦波转换工作原理如图3-4所示：图3-4三角波-正弦波转换工作原理图三角波正弦波的变换电路主要由差分放大电路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

13、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：传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区；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RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C1,C2,C3为隔直电容

14、，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。三角波-正弦波转换工作原理分析图如图3-5所示：图3-5 三角波-正弦波转换工作原理分析图总电路图设计如图3-6所示： 图3-6方波-三角波-正弦波函数发生电路总的设计思路是首先通过比较器产生方波，然后经过积分电路产生三角波，最后通过差分放大器产生正弦波。3.2元件参数的计算比较器和积分器的元件参数计算如下：由理论分析知道比较器的输出电压即约等于电源电压,为了输出峰峰值为16v的方波电压,因此选择电源电压为8v和-8v.要求输出的三角波峰峰值为4v,即是要求 R2/(R3+RP1)=2/8=1/4,则可以取R2=10K,R3=20K,RP1=47

15、K.平衡电阻R1=R2/(R3+RP1)约等于10k。由频率输出的表达式 R4+RP2=R3+RP1/(4R2C2f) 知道：当1Hzf10Hz时,取电容C1=10uf,R4=5.1K,RP2=100k。当10Hzf100Hz时,取电容C2=1uf,来实现频率波段的转换,R4和RP2的值不变.取平衡电阻R5=10K。三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通

16、过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R*确定。3.3电路仿真3.3.1 方波三角波发生电路的仿真 图3-7 产生方波的波形图3-8 由方波变为三角波的波形3.3.2三角波正弦波转换电路仿真图3 -9 仿真得到的三角波转换正弦波 4 函数发生器的调试4.1 调试过程与调试结果1 安装方波三角波产生电路：把两块741集成块插入面包板，注意布局；分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；按图接线，注意直流源的正负及接地端。2 调试方波三角波产生电路：接入电源后，用示波器进行双踪观察；调节RP1使三角波的幅值满足指标要求；调节RP2，微调波形的频率；观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装。3

17、 安装三角波正弦波变换电路：在面包板上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线；搭生成直流源电路，注意R*的阻值选取；接入各电容及电位器，注意C6的选取；按图接线，注意直流源的正负及接地端。4 调试三角波正弦波变换电路：接入直流源后，把C4接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点；测试V1、V2的电容值，当不相等时调节RP4使其相等；测试V3、V4的电容值，使其满足实验要求；在C4端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好；不失真时记入其最大不失真电压。调试结果表明，各项指标基本达到最初设计的目标。4.2调试结果分析及结论1 方波输出的峰峰值小于2Vcc,因为运放输出

18、级是由NPN或PNP两种晶体管组成的符合互补对称电路,输出方波时,两管截止或饱和导通,导通时受输出电阻的影响,是方波输出幅度小于电压值。2当比较器与积分器首尾相连,形成比环电路时,三角波的幅度为Vo2m=R2*Vcc/R3+RP1，为了使输出的三角波的峰峰值为4v,可以调整RP1的值。3 电位器RP2在调整方波-三角不波的输出频率时,一般不会影响输出波形的幅度.若要求输出频率范围较宽,可用C1和C2改变频率的范围,RP2实现频率微调4 调节电位器RP3即可以获得符合要求的正弦波输。5元器件清单序号名称规格数量备注1电阻10k82电阻20k13电阻5.1k14电阻6.8k25电阻2k26电阻8k

19、17电阻100k18电解电容470uf316v9电解电容10uf125v10电解电容1uf111磁片电容0.1uf112电位器047K213电位器0100K114电位器0100K115三极管NPNC9019416运算放大器741217电源18电源19电源820电源86 课设总结 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

20、。通过此次设计，我知道了函数信号发生器的设计原理，也大致知道了各个信号的发出原理和各个波形的特性。7 心得体会为期一个星期的课程设计已经结束，通过这一个星期的学习，我知道了自己的知识是多么的匮乏。在这一个星期的学习、设计、焊接过程中我有了很深的感触。通过这次课程设计让我懂得了专业基础知识的重要性，没有好的理论基础就不可能有实践的正确性，当自己边看书边做设计，通过分析总结，上网及图书馆的资料查阅，与老师同学的探讨，更加掌握技术的支撑靠严谨的科学逻辑与实践的检验。通过模仿，及与同学探讨，明白了函数发生器的机理，学到了好多东西，Multisim仿真软件，我安装安了几遍才安上，原因是搞不清软件安装的程

21、序，进入界面后添加器件，设置参数，画电路图，并仿真，到了输出正弦波，无论如何修改元件，还是失真严重，后来找到一位学长才帮我解决，换了两个电容，加了两个电阻，使得接近正弦波，当自己一个人研究这个电路的结构，对参数，正负极的分析时，就明白了作为一个工科生，首先明白道理，在科学的指引下，一步一步向实践迈近。通过这次的课程设计实验，让我知道了要设计出一个电路必须对电路的原理要了若指掌，然后在设计过程中才能游刃有余，也让我知道了电容，电感，以及电阻在各个部位所起的各个不同的作用。设计电路还要考虑到它的前因后果，什么功能需要什么样的电路来实现以及各个不同的运算放大器在电路中所起的具体作用，和它们之间是否可以互换等等。另外还有考虑到它的实用性及可行性等等。这样也变向提高了我们分析问题和解决问题的能力。这次课程设计是对电工实习以来对我们的电器知识的又一次补充和熟悉。还有就是在焊接过程中，有好多同学被电烙铁烫伤了，也有同学不小心把电烙铁放在了电线上，导致电路烧坏或者短路等等。这不得不让我想到了安全问题，所以在以后的实验过程中我们要着重注意自己的安全问题，让不必要的伤害减少到最低。另外大电容的电容也比较容易损坏，甚至造成安全事故，比如损坏等等。我们在设计实验过程重要特别之一具有安全隐患的电器器件。虽然这次的课设时值期末，同学们都需要复习，但是我们最终安定下来做它，为它而东奔西走，但是我们最后还是