函数信号发生器汽运二班

1、电工与电子技术基础课程设计报告 题 目 函数信号发生器 学院（部） 汽车学院 专 业 汽车运用工程 班 级 学生姓名 学 号 2012220202 06 月 20 日至 06 月 27 日 共 1 周 指导教师（签字） 函数信号发生器一、任务和要求1、设计并制作能产生正弦波、矩形波（占空比可调）和锯齿波等多种信号的函数信号发生器。 2、主要技术指标和要求：（1） 能产生正弦波、矩形波（占空比可调）、锯齿波等多种波形；（2） 输出信号的工作频率范围10Hz10kHz，连续可调；（3） 输出信号波形幅值010V，连续可调。二、摘要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

2、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）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。通过分析课题要求，考虑多种因素影响，选定一个符合要求并且在经济与合理的前提下最优的方案。多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。555计时器是一种集成电路芯片，常被用于定时器、脉冲发

3、生器和振荡电路。555可被作为电路中的延时器件、触发器或起振元件。本方案即使用555定时器接成多谐振荡器使用信号产生功能，由555产生占空比可调的方波信号，方波经RC积分电路积分后即可得到三角波（锯齿波），再由三角波通过RC积分电路得到正弦波，这种方案经济合理，集成度高，且方法较为简便，易于实现。由上述三种发生电路产生的波形经控制电路和放大电路得到幅值可调的正弦波、矩形波和方波，频率的改变则由发生电路中的相关元件改变。三、总体设计方案选择及论证产生正弦波、方波与锯齿波的方案有许多种，如可以先产生正弦波，再由过零比较器将正弦波转换为矩形波，最后经积分电路将矩形波转换为三角波。除此之外，也可以先产

4、生三角波再转化为正弦波等等。具体方案有以下几种：方案一：由文氏电桥产生正弦波波形，然后经由过零比较器得到方波，最后通过积分电路将其转化为三角波（锯齿波）。文氏电桥电路正弦波比较器积分器方波三角波这一方案结构简单，易于实现电路，产生正弦波和方波的波形失真较小。但由于题目有较高的工作频率范围，而积分器的输入输出关系为显然对于较大频率变化会有积分时间dt的较大变化从而导致输出电压振幅的较大变化，而这是电路所不希望的。其幅度稳定性难以达到要求。 方案二：由RC正弦波发生电路产生正弦波，由555定时器组成的占空比可调的多谐振荡器产生矩形波，由锯齿波发生电路产生锯齿波（电压比较器构成矩形波发生电路输出矩形

5、波再转化为锯齿波），三种波形经过控制电路，最后经过运放形成幅值可调的函数信号。 该方案的最大优点在于其简单的可操作性，通过接入各个波形的发生电路从而实现三种波形的切换，再经由控制电路实现方案对频率与输出信号幅值的调整也易于实现。 方案三：由矩形波发生电路产生矩形波，在通过积分电路把矩形波转换为锯齿波，再经过差分放大电路将锯齿波转换为正弦波。通过对差分放大电路部分元器件的调节来改善正弦波产生的波形。 该方案线性良好、稳定性好、频率易调，而且频率改变时，幅度恒定不变。且三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。但该方案矩形波占空比不可调。具体步骤如下图：矩形波发生电路矩形波积分电路

6、三角波差分放大电路正弦波 锯齿波 方案四：采用集成电路实现，主要部件有运算放大器LM318、单片函数发生器模块5G8038、电阻和电容等。该方案可以通过调节函数发生器输出改变振荡频率大小、占空比、正弦波的失真，可产生精度较高的方波、三角波、正弦波，且具有较高的温度稳定性和频率特性。 方案四采用芯片虽然精度较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，但产生的波形频率和占空比不能单独调节，从而给使用带来很大不便。而且该方案操作不易，在短时间内要能熟练运用单片函数发生器模块8038有较大困难。 方案五：利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。鉴于此，美国马克西姆公司开发了新

7、一代函数信号发生器ICMAX038，它克服了方案二中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。 方案五的输出频率稳定性高，频率输出线形度好、频率分辨度高、波形正确，频率变换时间小，相位噪声小、人机界面好、易于控制等优点。但其结构相对复杂，需要有较高的电工学基础，在较短时间内实现起来比较困难。 方案六：利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。该方案能产生任意波形且达到很高的频率，但是成本较高

8、。 综上所述，我们在保证短时间内实现任务要求的前提下，考虑方案的经济与合理性及可操作性等多方面因素，选择方案二来实现函数信号发生器。四、设计方案的原理框图、总体电路图、接线图及说明原理框图总体电路图如图，由RC正弦波发生电路（右上）产生正弦波；由555定时器组成占空比可调多谐振荡器（左上）产生矩形波；三角波（锯齿波）发生电路（左下）先使用电压比较器构成矩形波发生电路，输出的矩形波经积分电路变换获得锯齿波。三种波形经过控制电路，最后经过运放形成幅值可调的函数信号。五. 单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算1.正弦波发生电路1).自激振荡在振荡电路中，如果在放大器的输入端不加输入信号，输出端

9、仍有一定的幅值和频率的输出信号，这种现象叫做自激振荡。无论在振荡电路还是反馈电路中，自激振荡都是正反馈的，而且反馈电路实现自激振荡要有足够的反馈量。电路中微小德尔起始扰动信号经选屏后，通过正反馈电路反馈到输入端，只要满足上述两个条件，反馈电压经放大电路放大后就会有更大的输出。经过多次循环，最后利用非线性元件的非线性，使输出电压幅度自动维持在一个稳定数值上。2). RC正弦波振荡RC振荡电路如下图所示。放大电路是同相比例运算电路，RC串并联电路既是正反馈电路，又是选频电路。输出电压经RC串并联电路分压后在RC并联电路上得出反馈电压，加在运算放大器的同相输入端，作为它的输入电压。由此得： RC振荡

10、电路图欲使i与。同相，则上式分母的虚数部分必须为零，即这时，而同相比例运算放大电路的电压放大倍数则为可见，当时，。在特定频率时，和同相，也就是RC串并联电路具有正反馈和选频作用。和都是正弦波电压。在起振时，应使，即。随着振荡幅度的增大，能自动减小，直到满足或时，振荡幅度达到稳定，以后并能自动稳幅。从到，这是自激振荡的建立过程。上图是利用二极管正向伏安特性的非线性来自动稳幅的。图中，分和两部分。在上正,反向并联两只二极管，它们在输出电压的正负半周内分别导通。在起振之初，由于幅度很小，尚不足以使二极管导通，正向二极管近于开路，此时时，振荡稳定。3).正弦波发生器的设计如图，根据双联电位器Rp调节正

11、弦波发生电路的输出波形，输出电压的幅值调节则由控制电路实现。4).主要元器件选择及参数计算，且10Hzf10KHz，C=0.2uf，代入中得到R+Rp的取值范围,即：79.6R+Rp79617.8取R=79.6则得出Rp取值范围为 0Rp79538.2+>取=20K =15K =28K集成运算放大器CF725；最大电源电压v，共模抑制比120dB，最大输入电压v。二极管D1，D2最大电流I=U0max/(+)=13.5/（15000+20000）=0.39mA取2CZ52B型二极管，最大整流电流100mA，反向工作峰值电压50V。3.锯齿波发生电路 锯齿波（Sawtooth Wave）是

12、常见的波形之一。标准锯齿波先呈直线上升，随后陡落，再上升，再陡落，如此反复。在三角波发生电路中，使积分电容充电和放电时间常数不同,则能在积分电路的输出端得到锯齿波。1 ) .三角波发生器三角波是指波形呈三角形，且在一周期内上升沿与下降沿所对应的时间间隔相等的波。自激振荡产生三角波的电路称为三角波发生电路。如下图：其中集成运算放大器A1组成迟滞比较器，其反相接地；A2组成的反相积分电路，积分器的作用是将迟滞比较器输出的矩形波转换为三角波，同时反馈给比较器的同相输入端。工作原理：电路的工作稳定后，当u01为- uz时，应用叠加原理求出A1同相输入端的点位：u1+= (- uz) + ( u0)式中

13、，第一项是A1的输出电压u01单独作用时（A2的输出端接“地”短路，即u0=0）的A1同相输入端电位；第二项是A2的输出电压u0单独作用时（A1的输出端接“地”短路，即u01=0）的A1同相输入的电位。比较器的参考电压uR=u1- =0。此时比较器的输入电压，即积分器的输出电压u0应是u0=+Uz。2 ) . 锯齿波发生电路 锯齿波发生器的电路与上述的三角波发生器电路基本相同，只是利用了二极管的单向导电性。如图，积分电路反向输入端的电阻R4分为两路，使正、负向积分的时间常数大小不等，故两者积分速率明显不同。 当u01=+UZ时，VD1导通、VD2截止，u01通过Rp、VD1、RW1对电容C正向

14、充电，当忽略二极管导通电阻时，则电容C正向充电时间常数为1=（RW1+Rp）C当u01=UZ时，VD2导通，VD1截止，u01通过Rp、VD2、RW2对电 容C反向充电，当忽略二极管导通电阻时，则反向充电时间常数为2（RW2+Rp）C 改变RW的中间活动头位置，使RW1RW2,则12，则u01、u0分别为矩形波和锯齿波。图中积分电路输出三角形电压u0的幅值为±Uom=±UT=±（R1/R2）UZ振荡周期计算： 设t=0的初始时刻，u01(0)=+UZ,u0(0)=+R1UZ/R2，uc(0)=+R1UZ/R2,经过t1=T1的时间间隔，即t1时刻，输出电压为u0=

15、-=-+=-所以 T1=2（Rp+Rw1）C同理分析可得T2=2（Rp+Rw2）C所以振荡周期为T=T1+T2=2（2Rp+Rw2）C振荡频率为 由上述内容可知，当稳压管选定后，调整Rp的阻值可以调整振荡周期和频率，调整滑动端位置可改变u01的占空比及锯齿波锯齿波上升和下降的斜率。3）.元件的选择与参数计算两个运算放大器选择CF725最大电源电压v，共模抑制比120dB，最大输入电压v。稳压管D1，D2选择2CW76，稳定电压为12v，稳定电流20mAUz=发生电路输出电压幅值Uom=Uz，取R1=R2=6K，则Uom=12V运放输出电压最高13.5V对运算放大器A1，i+=i-=0流过R1、

16、R2电流 流过限流电阻R3最大电流 则 ，取R3=1K，取c=0.1uF，10Hzf10KHz将R1，R2，C代入上式得5002Rp+Rw500K，取Rw=150，Rp175，为保证f=10KHz，且Rw=0时，二极管安全，取Rpmin=200，即 Rp=200250K ，R4=R1R2=3 K,R5=120K取2CZ55B型二极管，最大整流电流为1A，反向工作峰值电压50V。3.矩形波发生电路1).555定时器组成的多谐振荡器 多谐振荡器，即无稳态触发器。它没有稳定状态，同时无须外加触发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。因为矩形波含有丰富的谐波，故称为多谐振荡器。 如下图是一个由

17、555定时器接成的多谐振荡器,R1，R2和C是外接元件。555定时器的内部电路方框图如下图所示，该集成电路由四部分组成：电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、输出缓冲器和放电三极管。接通电源后，它经和对电容C充电，当上升略高于2/3时，比较器的输出为0,将触发器置0，为低电平电压（0）.这时放电管T导通，电容C通过和T放电，下降。 下降略低于1/3时，比较器的输出为0,将触发器置1。，又由低电平电压（0）变为高电平电压（1）。这时，放电管T截止，又经和对电容C充电。如此重复此过程，为连续的矩形波，如上图波形图所示。 第一个暂稳状态的脉冲宽度tp1，即电容C充电的时间： tp1(R1+R2)C

18、ln2=0.7(R1+R2)C 第二个暂稳状态的脉冲宽度tp2,即电容C充电的时间： tp2R2Cln2=0.7R2C振荡周期 T=tp1+tp20.7(R1+2R2)C 振荡频率 f=1/T=1.43/(R1+2R2)C由555定时器组成的振荡器，最高工作频率可达300kHz。输出波形的占空比 D=tp1/（tP1+tP2）=(R1+R2)/(R1+2R2) 2）.矩形波发生器的设计上图是占空比可调的多谐振荡器。图中用DI和D2两只二极管将电容C的充放电电路分开，并接一电位器RP。充电电路与放电电路可视为相互独立，调节占空比时，振荡频率和周期保持不变，不受到影响。具体如下： 充电电路： UC

19、CD1C“地” 放电电路： CD2T“地”充电和放电的时间分别为 tP10.7C, tp20.7C占空比为 振荡周期 T=tp1+tp20.7(R1+R2+Rp)C 振荡频率 f=1/T=1.43/(R1+R2+Rp)C3).电路元件的选择及参数选定,且10Hzf10KHz由此得出C=0.01uF10uF；=15K。为了使占空比有放大调节范围取Rp=12k，R1=R2=1.5K。占空比调节范围 取NE555定时器，电源电压2-18V。输出电平低于电源电压1-3V，取2V，Ucc=+15V即输出高电平电压二极管D1最大电流二极管D2最大电流取两个2AP3型二极管，最大整流电流为25mA，反向工作峰值电压为30V4.控制电路使用一个单刀三掷开关即可实现控制电路与各个波形的发生电路连接。幅值控制电路如下图：说明：如图，当滑动变阻器滑动头在最下面点时，输出uo=0；当滑动变阻器滑动头在中间时，输出 uo=(1+R1/R2)*ui；改变滑动头的位置,即可改变输出波形的幅值。最终总体波形如下：六.收获与体会及存在的问题