多功能函数信号发生器

1、湖南科技大学本科生毕业设计（论文）湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题目多功能函数信号发生器作者毛龙学院物理与电子科学学院专业电子信息科学与技术学号0908020104指导教师吴彾锡二 年 月 日湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书 院 系（教研室）系（教研室）主任: （签名） 年 月 日学生姓名: 学号: 专业: 1 设计（论文）题目及专题： 2 学生设计（论文）时间：自 年 月 日开始至 年 月 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：4 设计（论文）应完成的主要内容：5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：6 发题时间： 年 月 日指导教师： （

2、签名）学 生： （签名）湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人： （签名）年 月 日 指导人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人： （签名）年 月 日 评阅人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列

3、材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图 纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名） 答辩成绩： 总评成绩： 20多功能函数信号发生器摘 要本方案主要用集成运放LM324N和三极管2N2925等元器件设计组成一个简易函数信号发生器。该函数信号发生器主要由电压比较器、积分运算电路、差分放大电路三个部分组成。电压比较器生成方波，积分运算电路将方波转换成三角波，差分放大电路将三角波转

4、换成正弦波。由此，构成一个简易的函数信号发生器。在方波转三角波的过程中，假设电容上的电压为零，比较器此时会输出高电平，同相输入迟滞比较器的输出电压为双向稳压二极管的正电压，进而通过电阻向电容充电；当比较器的输出电压为双向稳压二极管的负电压时，又会对电容进行反向充电。在三角波转正弦波的过程中，差分放大器的传输曲线就是输出差模信号随输入差模信号变化的曲线，它有一段非线性区，当三角波的正负峰值正好对应于差分放大管的截止电压时，晶体管集电极电流接近于正弦波，从而实现了三角波正弦波的转换。在方波转三角波电路中，进行了详细的理论推导，并在理论分析的基础上，对该模块的运行调试做了具体的分析；在三角波转正弦波

5、电路中，对电路的工作原理进行了详细的分析，运用傅里叶级数将三角波转成正弦波进行了详尽的公式推导。该设计方案可以说是集成信号发生器中成本比较低的一种方案，因此，可以广泛应用于理论实验以及精确度要求不太高的实验，因而具有非常重要的实践意义和广阔的应用前景。关键词：函数；信号；发生器；方波；三角波；正弦波ABSTRACTThis scheme mainly with integrated op-amp LM324N and triode 2 n2925 components design of a simple function signal generator. The function sign

6、al generator is mainly composed of voltage comparator, integral operation circuit, differential amplifier circuit of three parts.Voltage comparator generate square wave, integral operation circuit will square wave into a triangle wave, differential amplifier circuit converts triangular wave sine wav

7、e. Thus, form a simple function signal generator.In the process of square wave turned triangle wave, assumes that the voltage on the capacitor is zero, the comparator output at this high level, in-phase input hysteresis comparator to bi-directional zener diode voltage, output voltage and capacitance

8、 charging via the resistance; When the output voltage of the comparator is bi-directional zener diode, when the negative voltage and reverse charging of the capacitor.Around the triangle wave sine wave in the process of the differential amplifier output differential mode signal transmission curve is

9、 the curve changes with input differential mode signal, it has a nonlinear area, when the triangle wave of positive and negative peak corresponds on the cut-off voltage of the differential amplifier tube, transistor's collector current is close to sine wave, so as to realize the transformation o

10、f the triangle wave, sine wave.Turn triangle wave by square wave circuit, makes a detailed theoretical derivation, and on the basis of theoretical analysis, made specific for the operation of the the module debugging analysis; Around the triangle wave sine wave circuit, the circuit principle has car

11、ried on the detailed analysis, using the Fourier series the triangle wave into sine wave has carried on the detailed formula is derived. This design scheme is integrated signal generator with low cost in a solution, therefore, can be widely used in the theory of experiment as well as the accuracy re

12、quirement is too high, thus has very important practical significance and broad application prospects.Key words: function; Signal; The generator; Square wave; Triangle wave; Sine wave目录第一章 前言3第二章 设计的任务和要求42.1 设计任务42.2 设计目的42.3 性能指标要求4第三章 设计的方案选择与论证53.1 方案的选择53.1.1 方案一53.1.2 方案二53.2 方案的优点5第四章 多功能函数信号

13、发生器的具体方案64.1 函数信号发生器组成框图64.2 各组成部分的工作原理64.2.1 方波三角波转换电路的工作原理64.2.2 三角波正弦波转换电路工作原理94.2.3 总电路图12图8 方波三角波正弦波函数信号发生器第五章 电路的调试与仿真135.1 电路的调试145.1.1 方波三角波产生电路的调试145.1.2 三角波正弦波转换电路的调试145.2 电路的仿真145.2.1 方波三角波部分145.2.2 三角波正弦波部分16第六章 仿真结果分析186.1 输出频率18 6.2 输出电压18第七章 实验总结19参考文献20第一章 前言信号源是根据用户的需求而产生特定信号的一种电子设备

14、。信号源主要给被测电路提供需要的已知信号，然后同其他仪表测量感兴趣的参数。多功能函数信号发生器是信号源的一种，广泛应用于电子电路、自动控制和科学实验等领域。多功能信号发生器很早就用于仪器测量了，20年代初电子设备应运而生，与此同时，信号发生器也产生了。伴随着通信和雷达技术飞速的向前的发展，40年代的信号发生器主要用于测试各种接收机，因此，使信号发生器产生了巨大的飞跃，从定性分析发展成为定量分析。同时用于测量脉冲的获用作脉冲调制的脉冲信号发生器也产生于这个时期。由于早期的信号发生器结构比较笨重，功能比较单一，但功耗比较大，因而发展速度非常缓慢。1964年，第一台全晶体管的信号发生器问世了。60年

15、代以后，信号发生器的发展速度慢慢的快了起来，函数发生器产生了，这个时期的发生器大多数采用模拟技术，由模拟集成电路或分立元件组成，其结构复杂，能产生几种简单的波形，包括正弦波、方波、锯齿波、三角波等。由于模拟的电路的漂移非常大，因而输出的波形的稳定性就比较差，由于模拟器件电路存有着体积大、耗能高、价格昂贵等缺点，因而产生复杂的信号波形对电路结构的要求就非常高了。70年代微处理器出现了，微处理器的应用也随之展开，模数转换器、数模转换器和微处理器以及硬件、软件的集合，这使得信号发生器的功能得以扩大，从而产生的波形比以前更加复杂。这个时期的以软件为主的信号发生器成为大家争相追捧的对象，一时间成为主流，

16、这个过程的关键点在于通过微处理器控制DAC的程序，从而得到各种简单的波形。用微处理器控制波形的有一个很致命的弱点，就是输出波形的频率会很低，影响这一性能的主要是CPU的工作速度，提高CPU的时钟周期或改进软件程序减少其执行周期时间可以改变频率，但这些办法不能从根本上解决问题，最实质办法是要对硬件电路进行改进。数字化技术可以应用于电子测量仪器中得益于信号处理、计算机、和现代电子技术的发展，让数字信号处理逐步代替模拟信号处理，从而使仪器处理信号的能力得到扩大，使信号测量的各项指标得到很大的改善，包括变换速度、精确度和准确度，使模拟信号处理的很多缺点得以弥补，这让人们看到了数字信号发生器的许多优点和

17、无限商业前景，因此，它便发展起来了。信号发生器作为电子领域不可缺少的测量工具，它必然将向更高性能、更高精确度、更高智能化方向发展，就像现在在数字信号发生器的崛起一样。但作为一种仪器，我们必然要考虑其所用领域，也就是说要因地制宜，综合考虑性价比，用低本制作的集成信号发生器短期内还不会被完全取代，还会比较广泛的应用于理论实验以及精确度要求不太高的实验。因此，完整的信号发生器的设计具有非常重要的实践意义和广阔的应用前景。第二章 设计的任务和要求2.1 设计任务设计一个基于运算放大器的方波三角波正弦波函数信号发生器，具体分析运放在开环和正反馈条件下的工作特点；能够熟练掌握同相迟滞比较器电路及其工作原理

18、，熟练掌握差动放大器电路及其工作原理；能够通过电路进行实验调试仿真，并能够结合仿真图对电路进行具体动态的分析。2.2 设计目的（1）巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。（2）掌握由运放构成的压控振荡电路的原理和设计方法。（3）掌握方波三角波正弦波变换的原理和方法。（4）通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。2.3 性能指标要求（1）频率范围：100Hz1KHz；1Hz500KHz；（2）波形特性：方波tr<30µs；-<5；三角波<2%；（3）输出电压：方波Up-p12V

19、；正弦波Up-p>1；三角波Up-p=5V。第三章 设计的方案选择与论证函数信号发生器一般是能自动产生正弦波、方波、三角波以及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。有很多方法可以产生产生方波、三角波、正弦波，比如首先通过迟滞比较器和积分电路可以产生方波三角波，再将三角波变成正弦波，或是将方波变成正弦波；也可以先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变成方波，再由积分电路将方波变成三角波。3.1 方案的选择3.1.1 方案一首先生成方波，然后将方波转换成三角波，再将三角波转换成正弦波。采用分立器件实现电路组成，主要部件由集成运放LM324N、电压比较器、积分运算电路、差分放大电路、电位器和一

20、些电容、电阻组成。该方案由三级单元电路组成的，第一级单元可以产生方波，第二级单元可以产生三角波，第三级单元可以产生正弦波，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。3.1.2 方案二采用运算放大器和单片机函数发生模块、选择开关、一些电位器、电容和电阻组成。通过调节电位器，可以调节该电路的输出震荡频率、正弦波的失真和方波的占空比，因而该电路具有较高的稳定性。3.2 方案的优点方案一集成运放LM324N，性能完善，差模电压范围和共模电压范围宽，增益高，不需要外加补偿，功耗低，负载能力强，有输出保护等，因此具有较为广泛的应用。LM324N提供输出短路保护，可以方便的输出精度较高的方波

21、、三角波、正弦波，通过调节差分放大电路各个部件的参数，可以调节正弦波的失真。方案二虽然精确度高，稳定性也高，但是频率可调范围比较窄，而且占空比一般不能单独调节。方案二成本比较高。而方案一成本较低，性价比相对来说比较高。因此，选定方案一。第四章 多功能函数信号发生器的具体方案4.1 函数信号发生器组成框图图1 函数信号发生器组图本课题采用有集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数信号发生器的设计方案。设计流程是这样的：迟滞比较器和积分器组成的电路产生方波三角波，迟滞比较器产生方波，产生的方波经过积分器形成三角波，然后三角波经差分放大电路得到正弦波。差分放大电路设计时，传输特

22、性曲线要对称、线性区要窄。三角波转换成正弦波的原理正是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。4.2 各组成部分的工作原理4.2.1 方波三角波转换电路的工作原理图2 方波三角波转换电路（1）电路组成由图2可见，它包括同相输入迟滞比较器（U1A）和充放电时间常数相等的积分器（U2A），共同组成方波三角波电压产生电路。（2）门限电压估算为方便讨论，单独画出图2中由U1A组成的同相输入迟滞比较器，如图3所示。由图3有， 考虑到电路翻转时，有Error! No bookmark name given.，即得 由于，由公式（4.2），可分别求出上、下门限电压和门限宽度为 图3 同相输入迟滞比较器（3）工作

23、原理设t=0时接通电源，有，则向充电，使输出电压按线性规律增长。当上升到门限电压使时，比较器输出由上跳到，同时门限电压下调到值。以后时，则向反向充电，由于时间常数减小，迅速下降到负值。当下降到门限电压使时，比较器输出又由下跳到。如此周而复始，产生震荡。由于电容正向与反向充电时间常数相等，故输出波形为三角波电压，为方波电压，如图4所示。图4方波三角波转换电路的波形由电路图形可以得知，其振荡周期为 由以上可以得到以下结论：（1）由于电压比较器通常工作在开环或正反馈状态，运放工作在非线性区，其输出电平只有高电平和低电平两种情况。（2）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。（3）电压传

24、输特性的三个要素是输出电压的高电平和低电平、门限电压和输出电压的跳变方向。令所求出的就是门限电压；等于门限电压时输出电压的跳变方向决定于输入电压作用于同相输入端还是反向输入端。4.2.2 三角波正弦波转换电路工作原理图5三角波正弦波转换电路（1）电路组成图5电路是将三角波转换成正弦波，其中晶体管选用4只特性完全相同的三极管。调节输出三角波的幅度，调整差动放大电路的对称性，并联电阻用来减小差分放大器的线性区；、为隔直耦交电容，为滤波电容，用来滤除谐波分量，改善输出波形。（2） 计算主要元件参数在三角波转换成正弦波的过程中，因为要得到效果比较明显的波形，故要求三角波的想、正负峰值正好对应于差分放大

25、管的截止电压，此时晶体管集电极电流接近于正弦波。结合后面的仿真截图三角波的正负峰值，三角波正弦波转换电路的参数选择是：隔直耦合电容=470µF，因为输出频率很低，所以、的取值较大。滤波电容视输出高次谐波而定，一般取=0.1µF。与相并联，以减小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来确定。（3）差分放大器传输特性曲线的非线性及三角波正弦波变换原理如下图图6 三角波正弦波变换原理（4） 三角波正弦波转换公式推导图7 三角波由数学分析课程已知，按照傅里叶级数的定义，周期函数可有三角函数的线性组合来表示，若的周期为，角频率，频率，傅里叶级数展开表达式

26、为式中为正整数，各次谐波的幅度值按以下各式计算：直流分量余弦分量的幅度正弦分量的幅度其中由以上知识结合图7可得三角波的傅里叶级数：直流分量余弦分量的幅度正弦分量的幅度 因此，三角波的傅里叶级数如下式（5） 工作原理在三角波转正弦波模块，三角波首先通过一个RC滤波器，由上面的分析可知，第一个RC滤波器会滤掉一大部分的谐波成分，然后再通过一个RC滤波电路，再对之前的一个输出成分做进一步的滤除；第一个差动放大器是后面这个模块的一个主体部分，从前面的差动放大器的传输特性曲线可以看出，它有一个线性区和一个非线性区，从第二个滤波器输出的波形在经过差动放大器后，会因为差动放大器的线性区而得到放大，也会因为差

27、动放大器的非线性区而使输出的波形更接近正弦波形，故这一部分电路的作用是对输入的波形有一个放大和修正作用，而差动放大器下面的一个模块就是构成一个电流源，为电路提供一个稳定的静态电流。4.2.3 总电路图整个设计电路如图8所示图8 方波三角波正弦波函数信号发生器第五章 电路的调试与仿真5.1 电路的调试5.1.1 方波三角波产生电路的调试由于电压比较器U1A与反向积分器U2A组成正反馈闭环回路，同时输出方波与三角波，故这两个单元电路要同时组装。如果电路接线正确，则在接通电源后，U1A的输出为方波，U2A的输出为三角波。5.1.2 三角波正弦波转换电路的调试先将与的连线断开，经电容输入差模信号=50

28、mV，=100Hz的正弦波，调节，是传输特性曲线对称。再逐渐增大，直到传输特性曲线符合技术要求。再将与连接，调节使三角波幅度达到技术要求。5.2 电路的仿真本课题采用Multisim12.0作为仿真软件。Multisim是Interactive Image Technologies（Electronics Workbench）推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效的对电路进行设计和验证。Multi

29、sim12.0通过直观的电路图捕捉环境，轻松设计电路；通过交互式SPICE仿真，迅速了解电路行为；借助高级电路分析，理解基本设计特征；本课题Multisim交互式的搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。5.2.1 方波三角波部分（1）方波三角波电路仿真：在Multisim12.0中按照方波三角波转换电路图（图2）接线,。检查无误后，在正确的位置上接上示波器观察输出波形，即可得到如图8所示的波形：图9（a）方波图9（b）三角波图10方波三角波输出波形5.2.2 三角波正弦波部分（2）三角波正弦波电路的仿真：在Multisim12.0中按方波三角波转换电路图（图5）接线。保证参数正确，检查无误后，在正确位置上接上示波器观察输出波形，调整和的大小，即可得到如图11所示波形：图11 三角波正弦波输出波形第六章 仿真结果分析6.1 输出频率由图9可以看出，其输出频率为200Hz；由图10可以看出，其输出频率为100KHz；可以知道，它们都在性能指标要求的范围之内。通过调节电路的频率来改变波形，使之达到要求。6.2 输出电压（1） 方波：方波信号接入虚拟示波器，测