简易函数信号发生器

1、郑州科技学院模拟电子技术课程设计题 目 简易函数信号发生器 学生姓名 王锋 专业班级 12级通信工程3班 学 号 201251011 院 （系） 信息工程学院 指导教师 李瑞贤 完成时间 2014年5月10日 目 录1 函数信号发生器11.1 信号发生器的应用领域11.2 函数信号发生器的发展趋势22 课程设计的目的23 课程设计的任务与要求33.1 设计任务33.2 设计要求34 函数信号发生器设计方案与论证34.1 方案选择与论证34.2 函数信号发生器原理电路图74.2.1 正弦波发生电路的工作原理74.2.2 正弦波方波转换电路的工作原理84.2.3 方波三角波转换电路的工作原理104

2、.2.4 电路参数的计算及选择115 总原理图126 电路的仿真136.1正弦波发生电路的仿真136.2方波三角波转换电路的仿真147 电路的安装与调试147.1正弦波发生电路的安装与调试147.2正弦波方波转换电路的安装与调试157.3方波三角波转换电路的安装与调试157.4总电路的调试158 元器件列表169 课设小结1610 参考文献181 函数信号发生器1.1 信号发生器的应用领域 信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。按照频率范围分类可以分为：超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。按照输出波形分类可以分

3、为：正弦信号发生器和非正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：脉冲信号发生器，信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。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，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波

4、的电路被称为函数信号发生器。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，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器1.2 函数信号发生器的发展趋势现在各高校理

5、工科都涉及相关函数信号发生器。我国信号发生器行业运行目前发展形势良好，该行业企业正逐步向产业化、规模化发展，随着我国信号发生器行业运行需求市场的不断扩大以及出口增长，我国信号发生器行业运行将会迎来一个新的发展机遇,同时伴随着我国信号发生器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。了解国内外信号发生器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。2 课程设计的目的通过对函数信号发生器的设计过程、设计要求、设计内容、设计方法，能根据用户的要求及工艺需要进行电子芯片设计并制定有关技术文件。培养学生综合运用已学知识解

6、决实际工程技术问题的能力、查阅图书资料和各种工具书的能力、工程绘图能力、撰 写技术报告和编制技术资料的能力，受到一次电子课程设计方面的基本训练。培养学生利用模电技术知识，解决电子设计中常见实际问题的能力，使学生积累实际模电技术。通过本课程设计的学习，学生将复习所学的专业知识，使课堂学习的理论知识应用于实践，通过本课程设计的实践使学生具有一定的实践操作能力。掌握常用模拟电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。1.熟悉集成运放的工作原理及接法；2.掌握振荡电路工作原理；3.掌握三极管的开关作用；4.掌握稳压管的作用；5.函数信号发生器可以

7、很方便的解决需要多种波形的电路的设计，有助于了解到电路从设计到焊接调试等过程，加强对电路的了解，熟悉各个元件的操作及其的资料，并学会应用。3 课程设计的任务与要求3.1 设计任务设计一个函数信号发生器,并测出波形。3.2 设计要求1、 频率范围三段：10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；2、 2、正弦波Uopp3V，三角波Uopp5V，方波Uopp14V；3、幅度连续可调，线性失真小；达到测试效果。供电电源执行电路4 函数信号发生器设计方案与论证4.1 方案选择与论证 方案一：先产生正弦波，再由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。 三角波方波正弦波

8、RC正弦波振荡电路积分电路电压比较器图 4-1-1正弦波变方波三角波RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波方波三角波函数发生器的设计方法，电路框图如上。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。方案二：先产生方波，再将方波变成三角波，再将三角波通过差分放大器产生正弦波。正弦波三角波方波555多谐振

9、荡器积分电路低通滤波器图4-1-2方波变三角波正弦波 图4-1-3 方波发生电路原理：首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。 利用555与外围元件构成多谐振荡器，来产生方波的原理。用555定时器组成的多谐振荡器如图3所示。接通电源后，电容C2被充电，当电容C2上端电压Vc升到2Vcc/3时使555第3脚V0为低电平，同时555内放电三极管T导通，此时电容C2通过R3、Rp放电，Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，V0翻转为高电平。电容器C2放电

10、所需的时间为tpL= ( R3 +Rp) C2ln2 (3-1) 当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R3、Rp 向电容器C2充电，Vc由Vcc/3 上升到2Vcc/3所需的时间为tpH= (R1+R3+ Rp) C2ln2=0.7( R1+R3+ Rp) C2 (3-2) 当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图4，其震荡频率为f=1/（tpL+tpH）=1.43/(R1+2R3+2Rp) C2 图4-1-4由555定时器组成的多谐振荡器工作波形三角波-正弦波转换电路的工作原理 图4-1-5 三角波产生

11、正弦波原理原理：采用低通滤波的方法将三角波变换为正弦波。本次设计采用方案一，即由集成运算放大器组成的正弦波方波三角波函数发生器的设计方法。4.2 函数信号发生器原理电路图4.2.1 正弦波发生电路的工作原理 图4-2-1正弦波发生电路原理如下：如图2所示，正弦波电路由放大电路、正反馈网络和选频率网络组成。RC串联臂阻抗为Z1，RC并联臂阻抗为Z2，通常要满足R1=R2，C1=C2，其频率特性分析如下：，反馈网络的反馈系数因s=jw，令w0=1/RC，则反馈系数为幅频特性表达式为当w=w0=1/RC时，幅频响应有最大值Fvmax=1/3。此时相频响应为。这样RC串并联选频网络送到运算放大器同相输

12、入端的信号电压与输出电压同相，即，RC反馈为正反馈，满足相位平衡，可能产生振荡。调节RC的参数时可实现频率谐振，在频率谐振过程中，电路不会停止振荡，也不会使输出幅度改变。因此该选频网络决定信号发生器的输出信号频率。本次采用RC正弦波振荡器，可产生7Hz至16KHz的低频信号，满足设计要求。4.2.2 正弦波方波转换电路的工作原理图4-2-2 正弦波方波转换电路原理如下R6、D3、D4为输入保护电路，R6为限流电阻，防止R6过大时损坏运放器；D3、D4为输入保护二极管，限制输入电压幅度。输出回路R7为限流电阻，D6 D7稳压二极管，完成输出电压双向限幅，当输入电压Vi为正弦波信号时，经比较器变换

13、，输出Vo为方波信号，如图所示 图4-2-3 方波信号坐标系4.2.3 方波三角波转换电路的工作原理积分电路图 4-2-4方波三角波转换电路原理如下：如图5，利用虚短和虚断两条法则求Vo和Vi的关系，有： （R为R8 C为C3）有节点电流法可知，表明v0与vi为积分关系。因此，若积分器输入为方波，其输出波形即为三角波，如图所示 图4-2-5 三角波坐标系但在实际电路中，通常在积分电容C3L两端并联反馈电阻Rf即积分电路中的R10用作直流负反馈，目的是减少集成运算放大器输出端的直流漂移。但是RfCR8C.C太小，会加剧积分漂移，若C增大，电容漏电也随之增大。通常取Rf10R8 ,C1uF(涤纶电

14、容或聚苯乙烯电容)。4.2.4 电路参数的计算及选择（1）对正弦波发生电路：振荡频率，10Hz<f0<10KHz,取C=1uF，则R取值为15.9至15.9K，R可取20K电位器。起振幅值条件,即，R8取6k，仿真时实际取R4=3.3k稳幅部分采用常见的1N4001反向并联连接，输出端用1k电阻限流。（2）对正弦波方波转换电路：输入端保护限流电阻R3选择1K，限制电压输入幅度同样采用二极管1N4001反向并接，输出端限流电阻选用20K电位器，Dz选用RD15稳压管反向串联，电压幅度限制在±Vz。（3）对方波-三角波转换电路：C3采用1uF，R10采用1K，=9005 总原

15、理图图5-1总原理图6 电路的仿真本次设计采用Multisim软件进行仿真，在Multisim中按照设计原理图画出仿真图后，查看输出曲线。6.1正弦波发生电路的仿真图6-1 正弦波发生电路 6.2方波三角波转换电路的仿真图6-2产生的方波三角波曲线7 电路的安装与调试7.1正弦波发生电路的安装与调试（1）安装正弦波产生电路首先将运放芯片LM324插入通用电路板；再分别把各电阻、电容放入适当位置，电位器管脚不要接错；最后按设计原理图接线。 （2）调试正弦波产生电路首先接入正负直流电源后，用示波器进行正弦波单踪观察；然后调节R11、R12使正弦波的幅值及频率满足指标要求；根据示波器的显示，各指标达

16、到要求后进行下一步安装。7.2正弦波方波转换电路的安装与调试（1）安装正弦波方波变换电路首先将LM324插入电路板；再分别把电阻放入适当位置；按图接线，注意直流源的正负及接地端。（2）调试正弦波方波变换电路首先接入正负直流电源后，用示波器进行正弦波方波双踪观察；然后调节波的幅值及频率满足指标要求；根据示波器的显示，指标符合要求后进行下一步安装。7.3方波三角波转换电路的安装与调试首先将LM324放入电路板，再分别把电容、电阻放入适当位置；按图接线，注意正负极。接入正负直流电源后，用示波器进行方波三角波双踪观察。7.4总电路的调试把三部分的电路接好，进行整体测试、观察示波器波形。针对各部分出现的

17、问题，逐各排查校验，使其满足实验要求。（1）电路仿真时，最初用PSpice软件进行，测试后发现，相同的参数在Multisim中能产生波形，在PSpice中却不能满足，但实物电路也验证了该参数下波形的产生，为取得最佳仿真效果，改用Multisim仿真。（2）实物电路中方波及三角波调幅不能很好的实现。可能是前后电路时间常数配合有误差，导致积分器饱和。（3）实际电路中增加了几个开关，便于测量输出不同的波形。8 元器件列表表4 元器件清单元器件数量多孔通用板1块导线及排插若干LM3243个1K欧电阻3个1000欧电阻1个3.3K欧电阻1个6K欧电阻1个100K欧电位器3个1uF电容3个1N4001二极

18、管4个稳压二极管RD152个示波器1台直流稳压源1台万用表1块9 课设小结 刚开始上手我感觉好陌生，对于电路图的焊接，总感觉心有余而力不足。经过这段时间的不懈努力，完成了信号发生器的设计。通过这次设计，我了解了信号发生器的用途及工作原理，熟悉了信号发生器的设计步骤，锻炼了自己实践能力，培养了独立设计能力。同时，学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的绘图能力，磨炼了自己的心理素质。 此业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，所以出现不知该做什么，该怎样做的问题，对于论文格式的

19、书写不了解，对于所设计的东西不太理解其工作原理，因此出现了很多问题，自己也觉得很苦恼，通过不断的查资料，询问老师，一步一步将问题解决，过程很辛苦，但是很欣慰。十天的课程设计时间结束了，我已经成功完成课程设计，制作出一个函数信号发生器，此次课程设计让我收获到其中的制作调试的艰辛以及制作成功后的愉悦心情。首先进行电路图的选择，确定好想制作一个什么东西，于是便在网上搜索和去图书馆查询，最终确定出总电路原理图，原理图确定后，用Multisim软件进行仿真，进一步确定各元件的参数，仿真结果，符合性能指标后，再按照电路图焊接电路板。焊接过程相对比较顺利，但焊接完成后，令我失望的事出现了-失败，不成功。便开始焦虑起来，冷静下来，按照电路原理图进行核对，检查电路，看看是否有漏焊、虚焊、短路、错焊的地方，检查第一遍后，发现错误真不少，开始发觉做事必须要细心，有些地方完全可以避免，由于自己粗心导致。便对着电路原理图反复检查了几遍，把一些显而易见的地方改正