函数发生器 武汉理工大学

1、学 号： 0121309341420课 程 设 计题 目函数发生器的设计学 院信息工程学院专 业电子科学与技术班 级电子1303班姓 名涂飞指导教师韩屏2015年01月17日课程设计任务书学生姓名： 涂飞 专业班级： 电子1303班 指导教师： 韩屏 工作单位： 信息工程学院 题 目: 函数发生器的设计 初始条件： 可选元件：双运放A741两只，双三极管3DG130两对，电阻、电位器、电容若干，直流电源Vcc= +12V，VEE= -12V，或自备元器件。可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表要求完成的主要任务: （1）设计任务根据已知条件，完成对方波三角波正弦波发生器的设计、装配与调试

2、。（2）设计要求 频率范围10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；正弦波Upp3V，幅度连续可调，线性失真小。三角波Upp5V，幅度连续可调，线性失真小。方波Upp14V，幅度连续可调，线性失真小。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用PSPICE或EWB软件完成仿真） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。时间安排：1、 2015 年1月12日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。2、 2015 年1月13日 至2015年1月21日完成

3、资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。3、 2015 年1月21日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。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I1 绪论11.1设计目的及意义11.2设计任务及要求12 设计方案22.1方案一22.2方案二32.3方案三42.4最优方案设计43 硬件电路设计53.1方波-三角波产生电路及工作原理53.2三角波-正弦波转换电路及工作原理74元件的选择及主要参数95 仿真测试105.1 仿真电路图105.2 仿真波形115.3仿真数据126 制作实物126.1电路的安装与调试126.2实物图146.3实物测试147

4、收获及心得168元件清单189参考文献18武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计摘要函数信号发生器。能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫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，都需要射频发射，这里的射频波就是载波，把音频、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。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。关键字：函数发生器；方波；三角波；正弦波AbstractFunction generator can produce a variety

5、 of specific periodic time function waveform, such as the triangle wave, square wave, sine wave ASIC. When adjusting the external parameters, you can also get an adjustable duty cycle square wave and sawtooth. Frequency range from a few tens of micro-Hz to MHz. In addition to communications, instrum

6、entation and automatic control system testing, but also widely used in other non-electric measurement.Keywords: function generator, sine wave, square wave, triangle wave201 绪论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

7、8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术。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。 1.1设计目的及意义1、利用集成运算放大器和晶体管差分放大器等设计一个方波三角波正弦波函数发生器。 2、进一步掌握模拟电子技术的理论知识，培养工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力。 3、基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力。学会运用Multisim12仿真软件对所作出的理论设计进行仿真测试，并能进一步完善设计。 4、

8、掌握常用元器件的识别和测试，熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。1.2设计任务及要求 频率范围10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；正弦波Upp3V，幅度连续可调，线性失真小。三角波Upp5V，幅度连续可调，线性失真小。方波Upp14V，幅度连续可调，线性失真小。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用PSPICE或EWB软件完成仿真） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。2 设计方案函数信号发生器电路可分为三个部分，即：方波；三角波；正弦波。经查阅资料，确定以下三种方案。2.1 方案一

9、用单片集成函数发生器5G8038。 随着集成制造技术的不断发展，多功能信号发生器已被制作成专用集成电路。该集成电路使用方便，调试简单，性能稳定，它不仅能产生正弦波，同时能产生三角波和方波，5G8038就是其中一种，它与运算放大器LM318、电阻和电容等组合，就能实现一个多种波形输出的信号发生器。其工作原理为：  图2即为8038多功能函数发生器的原理框图。它由一个恒流充放电振荡电路和一个正弦波变换器组成，恒流充放电振荡器产生方波和三角波，三角波经正弦波变换器输出正弦波。图中两个比较器C1、C2组成一个参考电压分别设置在2/3VCC和1/3VCC上的窗口比较器。两比较器的输出分别控制R

10、-S触发器的位置端和复位端。两个恒流源I1、I2担任对定时电容C的充放电，而充电与放电的转换则为R-S触发器的输出通过电子开关S的通或断来进行控制。电路设计I2=2I1，当电子开关S断开，电路对外接电容C充电，当电子开关S接通时，电容C放电，所以在电容C上产生线性良好的三角波，经缓冲器由3脚输出。为了得到在比较宽的频率范围内由三角波到正弦波的转换，一个由电阻与晶体管组成的折线近似转换网络将三角波转换为正弦波，由2脚输出。而用于控制开关S的信号，及R-S触发器的输出，就是一方波，经缓冲器由9脚输出。恒流充放电振荡电路输出方波的振荡频率由下式决定：f0=1/T=I1/UHC(1-I1/I2)。其中

11、UH是窗口电压比较器的上、下限门槛电压之差。对于UH=1/3Vcc，若取I2=2I1，则函数发生器产生典型的方波、三角波、正弦波。其振荡频率变为:f0=3I/2VccC。 若由外部电路控制两恒流源的比值I1/I2，则可得到矩形波和锯齿波的输出。但此时不能获得正弦波输出。2.2 方案二如图3所示：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。图3当振荡电路与电源接通时，在电路中激起一个微小信号，这就是起始信号。它是一个非正弦信号，含有一系列不同

12、的正弦分量。振荡电路中含有放大和正反馈环节使其发展增长；电路中的选频环节能够得到单一频率的正弦输出信号；电路中的稳幅环节可使它逐渐趋于稳定。常用的正弦振荡电路有RC振荡电路与LC振荡电路，这里，对于频率要求不高，所以可以采用频率低的RC振荡电路组成一个双联电位器，从而产生符合要求的正弦波形。图4 555振荡电路555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器

13、C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。2.3方案三 首先产生三角波与方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波。 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，输出阻抗高，抗干扰能力较强等特点，可以有效地抑制零点漂移，因此可以将频率很低的三角波变成正弦波。也可以利用二极管折线近似电路实现

14、三角波变成正弦波的原理图，如图5：图52.4最优方案设计 方案一采用集成芯片使得电路大大简化，但是由于实验室条件和成本的限制，首先抛弃的是第一种方案，因为成本高昂带来的方便不适合我们。方案二和方案三难易程度相似，方波产生部分不同剩余部分基本相同，成本也可以承受，但是方案一中555芯片比集成运算放大器稍微复杂，综合各种因素，我们选择方案三，其简单便于理解、也容易购买材料。3 硬件电路设计3.1方波-三角波产生电路及工作原理 图6 方波三角波发生器图6所示的电路能自动产生方波-三角波。电路工作原理如下：运算放大器U1与R1、R2、RP1组成电压比较器，C1(C2、C3)为加速电容，可加速比较器的翻

15、转,运放的反向端接基准电压，即V-=0，同向输入端接输入电压Via；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V+=V-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平+VCC跳转到低电平-VEE，或从低电平跳到高电平。设Uo1=+VCC,则：，式中RP1指电位器的调整值，（下同），将上式整理，可知比较器下门限电位为：当Vo1=+VCC,则比较翻转器下门限电位为：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7所示：图7运放U2与R4、RP2、C2(C1、C3)及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1时，则输出

16、积分器的电压Uo2为当Uo1=+VCC时，输出积分器的电压Uo2为：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，如图8所示图8当比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，会自动产生方波-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：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，RP2实现频率微调。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。3.2三角波-正弦波转换电路及工作原理 图9

17、 三角波正弦波转换电路图9为三角波方波转换电路，三角波-正弦波的变换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、抗干扰能力强等优点。特别是做直流放大器时，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。图10为使输出波形更接近正弦波，由图10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

18、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，C5为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。 4元件的选择及主要参数采用图8、8所示的电路，要求方波上升时间要小于2微秒，根据运算放大器的Sr值查询相关数据后得知运放应选用Ua741双运放，差分放大器中T1与T2使用9013，恒流源中的T3与T4使用较大的8050。比较器的U1与积分器U2的元件参数计算如下： 取R3=10K，取R3=20K,RP1为47K电位器，取平衡电阻R1=R2/（R3+RP1）=10K，由公式：可知： 当1H

19、zf100Hz时，取C2=1F，则R4+RP2=（757.5）k，取5.1 k，RP2为100 k电位器。当 100Hzf1000Hz，取C2=0.1F以实现频率波段的转换，R4、RP2的值不变。当1000Hzf10000Hz时，取C2=0.01F，取平衡电阻R5=10 k。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要取得大，因为输出频率较低，取C3=C4=C5=470F，滤波电容C6的值视输出的波形而定，若含有高次谐波较多，则C6一般为几十皮法至0.1F。RE2=100与RP4=100，相并联，以减少差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整

20、电位器及电阻R确定。5 仿真测试5.1 仿真电路图图11 方波-三角波-正弦波仿真电路图5.2 仿真波形图12正弦波、方波仿真波形图13 正弦波仿真波形5.3仿真数据频率范围：C=0.01uffmin=3568HZfmax=8894HZC=0.1uffmin=204HZFmax=215HZC=1uffmin=16HZfmax=198HZ方波三角波正弦波电压（绝对值）范围：方波 0-15.691V 三角波 0-9.553V 正弦波 0-3.021V6 制作实物6.1电路的安装与调试方波-三角-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的，在装调多级电路时，通常按照单元电路的先后顺序进行分级装调与级

21、联。（1）方波-三角波发生器的装调由于比较器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，这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使RP1=10K，RP2取（2.570）内的任一阻值,否则电路可能会不起振.只要电路接线正确,上电后,U01的输出为方波,U02的输出为三角波,微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求,调节RP2,则输出频率在对应波段内连续可变.（2）三角波-正弦波变换电路的装调按照图2.2.2所示电路，装调三角波-正弦波变换电路，其中差分放大器可利用课题三设计完成的电路。电路的调试步骤如下

22、：1）经电容C4输入差模信号电压Uid=500mV，fi=100Hz的正弦波。调节RP4及电阻R*，使传输特性曲线对称。再逐渐增大Uid，直到传输特曲线形状如图3-73所示，记下此时对应的Uid，即Uidm值。移去信号源，再将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作点I0、Uc1、Uc2、Uc3、Uc4。2）将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出幅度经RP3后输出等于uidm值，这时U03的输出波形应接近正弦波，调整C6大小可以改善输出波形。如果U03的波形出现如图的几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的相应措施有：钟形失真如图14所示，传输特性曲线的线性区太宽，应

23、减小RE2。半波圆顶或平顶失真 如图14如示，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R*。 非线性失真 如图14所示，三角波的线性度较差引起的非线性失真，主要受运放性能的影响。可在输出端加滤波网络（如C6=0.1mF）改善输出波形。3）性能指标测量与误差分析1、方波输出电压UP-P2Vcc是因为运放输出级由NPN型与PNP型两种晶体管组成复补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出度小于电源电压值。2、方波的上升时间tr，主要受运算放大器转换速率的限制。如果输出频率较高，可接入加速电容C1，一般取C1为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量t

24、r。图146.2实物图图15 装配图图16焊接图6.3实物测试图17 方波波形图18 三角波波形图19 正弦波波形7收获及心得 经历了一周左右的时间，我们终于做完了这个让我们既头痛又快乐的模电课设。 刚刚拿到这个课设的题目，乍一看，毫无头绪，复习了一下课本才发现，原来不是课设题目难，而是自己上课的不认真听讲让自己很是害怕，怕做不出来，对基础知识掌握的不牢固，对各种期末考试席卷而来的恐惧，让我很头痛。 在静下心来之后，我开始仔细的琢磨课本，在网上查阅大量的资料，终于弄懂了所谓函数发生器的原理，在经过两天的参数计算和计算机仿真后，我开始到市场买元件，焊接电路，在这过程中又体验到了无比的快乐，看到一个个崭新的电子元器件被我固定在电路板上，最终完成之后，更是高兴。 焊好电路板之后，我到实验室调试，在调试过程中，一下就出现了方波、三角波、正弦波，大大的增添了我的信心，模电枯燥的知识让我点燃不了一丝的兴趣，这些设计让