函数信号发生器课程设计

1、湘潭大学课程设计说明书题 目： 函数信号发生器 课程名称： 电子技术综合设计 学 院： 信息工程学院 专 业： 自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2016年6月 课 程 设 计 任 务 书设计题目函数信号发生器设计时间2016年6月1号2016年6月21号学生姓名学号班级设计任务及要求：设计任务：设计、组装、调试函数信号发生器，性能如下：(1) 能输出波形包括：正弦波、三角波、方波；(2) 输出电压幅值要求：方波峰峰值V1PP<20V, 三角波峰峰值V2PP=6V, 正弦波峰峰值V3PP>1V; (3) 频率范围：10Hz-10kHz范围内可调。Ø基本要

2、求：(1) 系统总体方案的设计，分析比较各种设计方案的优缺点，画出系统框图，并进行经济决策分析； (2) 单元电路设计、参数计算和器件选择：要有电路参数设计的详细分析过程，要提供各种参数的选择依据，给出主要参数计算公式； (3) 应用Multisim软件进行仿真，仿真不同参数下的电路仿真结果，并分析系统性能；(4) 要求进行系统硬件设计及制作； (5) 硬件调试及分析；要得到实际电路的测试结果（记录波形），并对结果进行分析，并给出误差产生原因； (6) 按要求撰写设计说明书。目 录摘 要：I1.设计背景11.1任务阐述11.2 任务分析11.3 课题项目管理计划进度表12.设计方案32.1 系

3、统方案设计32.1.1.方案一32.1.2.方案二32.1.3.方案三42.1.4.方案比较42.2 单元电路设计及器件参数选择52.2.1.方波产生电路52.2.2.三角波产生电路62.2.3.正弦波产生电路82.3 完整电路设计93.方案实施103.1 系统仿真及性能分析103.1.1.方波三角波产生电路103.1.2.正弦波产生电路113.2硬件制作与调试123.2.1.使用的主要仪器和仪表123.2.2.调试电路的方法和技巧123.2.3.测试的数据及误差分析、波形133.2.4.调试中出现的故障、原因及排除方法144.结果与结论154.1.设计电路和方案的优缺点及建议154.2.课题

4、核心及实用价值155.收获与致谢166.参考文献177.附件17设计题目 函数信号发生器摘 要：函数信号发生器作为一种常用的信号源,它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等。因而此次实验旨在运用模拟电子技术知识来制作一个能同时输出正弦波、方波、三角波的函数信号发生器。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。本课题则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。关键词：滞回比较器；积分电路；差分放大电路；波形；频率I1.设计背景1.1任务阐述函数信号发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内

5、应用最为广泛的通用仪器之一。它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而此次实验旨在运用模拟电子技术知识，并利用实验室所提供的集成运放741、三极管9031、若干可调电阻、定值电阻以及电容等器件自行设计电路图，完成仿真及实物制作，最终设计完成一个能同时输出正弦波、方波、三角波的函数信号发生器。1.2 任务分析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。因此本次课题设计的关键是设计能够分别产生方波、三角波、正弦波的三个电路。在对任务进行初步分析之后，回顾所学模拟电子技术知识发现带正反馈的迟滞比较器可以产生方波，积分电路在方波的输入下可以生成三

6、角波，而射极耦合式差分放大电路可以在以三角波为输入的情况下输出正弦波。又结合实验室所给器材及器材数量，以及查阅相关资料，最终可以将这三大电路模块串联构成函数信号发生器。确定好电路初形后，在仿真软件上进行仿真调试，最后去实验室进行实物准备。1.3 课题项目管理计划进度表序号各阶段完成的内容完成时间1查阅相关文献资料、课题调研2016.6.12掌握设计软件、制订进度计划2016.6.13系统方案的比较和选定，经济决策分析2016.6.24单元电路设计、参数计算及元器件选择2016.6.2-2016.6.45系统仿真及性能分析2016.6.4-2016.6.56仿真结果检查2016.6.67系统硬件

7、制作及调试2016.6.6-2016.6.138硬件制作结果检查2016.6.149撰写课程设计说明书2016.6.17-2016.6.212.设计方案2.1 系统方案设计产生正弦波、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，再将方波变成正弦波或先将三角波变成正弦波，再将正弦波变成方波等。以下就三种实验方案进行比较分析。1.2.2.1.2.1.1. 方案一由555定时器组成的多谐振荡器在接通电源后产生方波，再通过积分电路将方波转化成三角波，最后用低通滤波器将方波转化成正弦波。该方案系统框图如下：图2-

8、 1 方案一系统框图2.1.2. 方案二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。即先通过电压比较器产生方波，然后通过积分电路形成三角波，最后由差分放大电路形成正弦波。该方案系统框图如下：图2- 2 方案二系统框图2.1.3. 方案三该方案首先通过文氏电桥产生正弦波，然后通过过零比较器调出方波，最后通过RC积分电路产生三角波，三种信号频率相同。该方案系统框图如下： 文氏电桥RC积分电路过零比较器图2- 3 方案三系统框图2.1.4. 方案比较在性能方面，方案一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畸变；方案三应用集成运放LM324，其芯片的内部结构是

9、由4个集成运放所组成的，其特点是振幅和频率稳定且方便调节能够产生频率很低的正弦信号，电路虽具有良好的正弦波和方波信号，但经过积分电路产生的同步三角波信号，存在难度，原因是积分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，而且通过仿真发现积分器极易产生失调；方案二电路则具有良好的正弦波和方波信号，稳定性好，且UA741性能完善，如差模电压范围和共模电压范围宽，增益高，不需外加补偿，功耗低，负载能力强，有输出保护等。在价格方面，方案一中的555定时器每个售价大概需要2元，价格相对高一点，一个面包板需要5元，可调电位器两只需要1元，各类电阻、电容、导线等需要

10、0.5元，共计大概需要9元；方案二中使用的UA741芯片价格低廉，每个售价仅在1元左右，共用了三个UA741芯片,面包板5元，各类可调电位器、电阻、电容、导线等大概需要2元左右，总计10元左右；方案三中用到芯片LM324，每个大概0.4元，可调电位器两只需要1元，各类电阻、电容、导线等大概需要1元，加上面包板、各类电阻共计需要10元左右。经过以上对各方案在性能和价格方面的比较，发现三个方案所用器件的价格差别不大，但是结合性能分析可得方案二更适合本次课程设计。因此本次课程设计使用方案二。2.2 单元电路设计及器件参数选择1.2.2.1.2.2.2.2.2.2.1. 方波产生电路 图2- 4 方波

11、产生电路方波产生电路如图2-4所示，它由反相迟滞比较器组成，在反向输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络。由于正反馈的作用，其门限电压会随着输出电压的变化而变化。它的灵敏度低一点，但是抗干扰能力较好。设电路上门限电压为，下门限电压为。从, ， 开始讨论。当由零向正方向增加接近前，一直保持不变。当增加到略大于，则由下跳到，同时使下跳到，再增加，保持不变。若减小，只要大于,则将始终保持不变，只有当小于时，才由跳变到。设运放是理想的，可分别求得上门限电压、下门限电压分别为 (2-1)(2-2)则比较器的门限宽度(2-3)由以上公式可得到下图所示的传输特性曲线:图2- 5VO的传输特性曲线2.2

12、.2. 三角波产生电路在本设计中，三角波信号的产生是利用积分电路的原理进行设计的。迟滞比较器输出的方波信号作为积分电路输入端，积分电路对输入的方波信号进行积分，输出三角波信号。电路图如下图所示：图2- 6 三角波产生电路该电路中运算放大器U2与电阻R8、电容C1以及变阻器R8组成积分电路，输入电压为迟滞比较器产生的方波。该积分电路的输入电压是迟滞比较器的输出电压，设为vo1，积分电路的输出电压为vo2。利用虚短虚断的概念，电容C1以电流进行充电。则可得 (2-4) 上式表明，输出电压是输入电压的对时间的积分，负号表示它们在相位上是相反的。 当时，(2-5)当时， (2-6)频率f的计算公式为(

13、2-7)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。图中迟滞比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，可自动产生方波-三角波。该电路的器件参数选择：由式及仿真发现，调节电阻R6可改变波形的频率，调节电阻R4改变三角波的峰峰值，且当电阻R4在47K内变化时，三角波峰峰值可以满足设计要求达到6V，因此将R6设置为较大的100K的变阻器。另外，图中电容C1大小为1uF，在仿真和实物调节时，波形频率都达不到要求的10kHz，因此，在实物焊接中，因调节频率需要，先将C1接成1uF，后来改为两个0.5uF和一个型号为223的电容串联。2.2.3. 正弦波产生电路图2- 7 正弦波产生电

14、路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点。特别是作为直流放大器时，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曲线的非线性。该电路的参数选择原则是：隔直电容C2、C3、C5要取得较大，因为输出频率很低，所以取C2= C3=C5=470uF。而为了使正弦波具有良好的对称性，将可调变阻器R10调到50%位置. 2.3 完整电路设计完整的实验原理图如图2-8。图中运算放大器U1是滞回比较器电路，产生幅值小于20V的电压；运算放大器U2是积分电路，通过调节可调电阻的阻值，将方波转

15、换为幅值等于6V的三角波；差分放大电路则将积分器产生的三角波转化成正弦波，幅值大于1V。所用的器件大小如表2-1所示。表2- 1器件大小器件参数10k10k20k47k5.1k100k47k10k6.8k200器件参数10k10k6.8k8k2k2k1uF470uF470uF470uF图2- 8 函数发生器仿真电路 1.2.3.方案实施3.1 系统仿真及性能分析3.3.1.3.3.1.3.1.1. 方波三角波产生电路方波三角波产生电路系统仿真如图3-1所示。图3- 1 方波三角波产生电路对于方波产生电路，调节电阻R4，当电阻R4=30K，R6 =68K时，系统仿真波形图如图3-2所示。观察图3

16、-2波形可知，方波的峰峰值为19.805V，满足要求的VPP20V。方波的峰峰值与迟滞比较器中运算放大器的电压VCC和VSS有关，除此之外，在后续调节频率时，其值也有不明显变化，但能够达到设计要求。三角波产生电路，即积分电路的输入电压为方波，调节电阻R4，当R4=30K时，经过积分电路产生如图3-2的三角波波形，观察可知，三角波的峰峰值为5.976V，在误差允许范围内满足三角波的VPP=6V的设计要求。图3- 2 仿真方波三角波 3.1.2. 正弦波产生电路系统仿真正弦波产生电路如图3-3所示。图3- 3 正弦波产生电路调节电阻，当=10.3K时，产生的正弦波仿真波形如图3-4所示。图3- 4

17、 仿真正弦波1.1.11.1.11.1.2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则主要由差分放大器来完成。由图3-6知，正弦波峰峰值为11.028V，满足正弦波1V的设计要求，此时， =68k, =10.3k。3.2 硬件制作与调试3.2.3.2.1. 使用的主要仪器和仪表实验时使用的主要仪器有焊铁、示波器，使用焊铁时应注意，停止使用时拔掉电源，避免烫伤人和损坏物品，示波器则用来检测方波、三角波、正弦波能否正常产生。测量时使用的主要仪表有万用表，用来检测焊接电路是否短路或开路，以及测量可变电阻的阻值。3.2.2. 调试电路的方法和技

18、巧检查所焊电路是否短路或开路时，将万用表调到蜂鸣档，将黑红笔头分别放在待测电路两端，如果电路导通，则万用表发出“嗡”的蜂鸣声，如果万用表没有发出蜂鸣声，则说明电路开路；在检查通断时，可先在一条较长的电路两端测量，如果万用表蜂鸣，说明该长电路导通，如果万用表不响，再缩短电路长度，往中间缩短电路长度，更便于检查。在调试电路时，因可变电阻有多个，所以采用控制变量法，即先改变其中一个变量，其他变量保持不变，依次增大或减小电阻值，观察并记录输出电压的幅值和频率的变化情况，再依次调节各个电阻，观察相应输出电压幅值和频率变化，总结规律。3.2.3. 测试的数据及误差分析、波形方波 实际频率范围10Hz-7k

19、Hz,要求范围10Hz-10kHz 实际幅值范围19.6V-21.1V,要求范围20V三角波 实际频率范围 10Hz-7kHz,要求范围10Hz-10kHz 实际幅值范围6.0±0.2V，要求范围6V正弦波 实际频率范围 10Hz-7kHz,要求范围10Hz-10kHz 实际幅值范围383mV-20.6V，要求范围1V以上数据比较分析后易知，在误差允许范围内，方波和三角波的实际幅值大小基本满足要求幅值大小，而频率则始终达不到要求的10kHz，并且在达到7kHz的时候波形已经严重失真，并且正弦波的幅值也不再满足要求幅值。通过实验观察知，频率大小在10Hz-2kHz范围内时，波形基本不失

20、真。如图3-5、图3-6、图3-7所示。图3- 5 示波器方波图3- 6 示波器三角波图3- 7 示波器正弦波3.2.4. 调试中出现的故障、原因及排除方法在实验第一次调试时发现三个波形均不能正常出现，首先检查电路，考虑到如果方波产生电路出现错误，那即使积分电路和差分放大电路都正确，三角波和正弦波也不能出现，所以先检查方波产生电路，即迟滞比较器，检查后发现电阻R1和R2位置焊接错误，改正二者位置后，再次通电，发现方波和三角波波形正常出现，但正弦波波形依旧不能正常出现，则差分放大电路出现错误，再次检查焊接电路，发现输出触头没有接进差分放大电路，示波器没有输入信号，从而导致正弦波不能出现，将触头焊

21、接进电路后，方波、三角波、正弦波均能正常显示。所以，检查故障时主要是分段检查，高效且节省时间。4.结果与结论4.1.设计电路和方案的优缺点及建议设计电路具有良好的正弦波和方波信号，稳定性好，且UA741性能完善，如差模电压范围和共模电压范围宽，增益高，不需外加补偿，功耗低，负载能力强，有输出保护等，并且价格低廉，方便经济。但也存在一定的缺陷，比如频率的可调范围较小，且难调，而且较难达到实验要求。对我自己而言，在仿真时调节频率相对比较简单，而当电路焊接完成之后再通过改变电容值来调节频率就比较困难，一方面实验板的面积有限，另一方面，将焊好的电容拆下来换新的电容上去，会对实验板上的焊盘有所损坏，从而

22、可能导致焊接失败。所以，如果能够在电容旁边加一个开关，可以控制接近电路的电容大小，实验会相对简单一点。4.2课题核心及实用价值本次课程设计的核心是如何产生方波、三角波、正弦波信号，并且调节波形的频率和幅值。这也是设计电路和方案的重中之重。函数信号发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等。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。函数信号发生器在现代社会中发展中是很有用的，因此，此次课程设计是很有价值的。5.收获与致谢 本次课程设计的主要工作是设计一个函数信号发生器，并且亲自动手焊接电路、调节电路。首先

23、我在Multisim软件环境下进行电路原理图的设计、绘制和仿真，然后对电路中的各个部分进行调整修改，然后在实验室按照设计的电路原理图完成实物的连接，连接后不断地调试、修改，最后得到设计要求的输出结果。在这个过程中，我不仅自学熟悉了Multisim软件的使用，还通过回顾以前的知识，查阅相关资料学习了有关电压比较器、积分电路、差分放大电路的知识，并且在翻看之前课本的时候，收获了更多的知识，以前不懂的知识点也突然明白了。让我深刻体会了“温故而知新”这句话的含义。另外，在电路仿真的过程中总会出现一些问题，需要我们细心解决，所以这周下来，我对电路故障的排查能力有了很大的提高；此外，通过此次课程设计，我亲

24、自动手焊接了电路，作为一个女生，动手能力相对较弱，焊接的时候需要更大的耐心和毅力，但是我坚持下来了，而且电路焊接基本无误，动手能力得到了一定了得提高。因此我对设计所用到的软件有了更加深刻地了解，这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处。当然，通过此次课程设计，我也发现了自己的很多不足，比如调节波形时观察力较弱。总而言之，此次课程设计，我不仅学到了许多新的知识，还开阔了视野，提高了自己的设计能力；我通过动手动脑，既增加了知识，又在专业知识以及专业技能上得到了一定的提升，在以后的工作学习中，我也会更加努力，认真学习，争取在以后的挑战中做得更好！ 在这次课程设计中，我首先要感谢学校给我们提

25、供如此宝贵的机会，其次我要感谢我的指导老师在课程设计中提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把设计做得更加完善，也让我懂得很多事必须要去尝试才能有结果。最后，我要感谢帮助过我的同学，课程设计时间很短，但是在此期间我们互相学习，互相监督，在我遇到问题时，他们为我解决了不少设计上的问题，也为我只出了我的不足和缺点，他们是我此次课程设计成功不可缺少的一群人。最后，再次感谢所有在此次课程设计中帮助过我的良师益友和伙伴！我将在未来更加努力学习！6.参考文献1 康华光. 电子技术基础模拟部分（第五版）；高等教育出版社. （教材）2 邱关源

26、 罗先觉. 电路（第五版）；高等教育出版社. （教材）457.附件附件1.问题回答记录附件2.元器件清单附件3.设计图纸（仿真图）附件4.实物制作图附件5.实物上电效果图附件6.波形图附件1 ：问题回答记录表学号： 姓名： 专业、班级： 老师所提问题：1、 仿真检查a) 方波的幅值怎么调？b) 正弦波产生电路是什么电路? c) 你是怎么调节三角波幅值的？频率怎么调？2、硬件检查a) C1用的电容是多大？ b) 最大不失真的频率是多少？学生回答问题：1、仿真检查a) 调节第一个运放U1的VCC。b) 差分放大电路，利用的是差分放大器传输特性曲线的非线性。c) 调节电阻R4(迟滞比较器反馈上的可调电阻)可以调节三角波幅值，可以通过调节R6来调节频率，调节R4也会微调频率，也可以改变电容C1的值来调节频率。2、硬件检查a) 实验给的电容大小是1uF，但是1uF时频率最大只能调到200Hz，达不到实验要求，所以