函数发生器电路的设计课程报告

1、目录1 课程设计的初始条件及主要任务11.1初始条件11.2主要任务1设计目的1设计电路技术要求12 函数发生器的设计方案及比较12.1函数发生器的设计原理12.2各部分的工作原理2方波发生电路的工作原理2正弦波发生电路的工作原理3方波-三角波转换电路的工作原理3三角波-正弦波转换电路的工作原理62.3设计方案及比较7设计方案一7设计方案二7设计方案比较8实现方案83 电路的仿真93.1方波发生电路的仿真93.2正弦波发生电路的仿真103.3方波-三角波发生电路的仿真103.4三角波-正弦波电路的仿真113.5正弦波-方波电路仿真114 电路的安装与调试115 实验测试结果125.1方波的输出

2、检测125.2三角波的输出检测125.3正弦波的输出检测136 实验总结137 参考文献15函数发生器电路的设计1 课程设计的初始条件及主要任务1.1初始条件 直流可调稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子的必备元器件若干。1.2主要任务1.2.1设计目的设计一个函数发生器的电路，要求可以输出方波、三角波、正弦波等。1.2.2设计电路技术要求 所设计的函数信号发生器的各项技术指标要求如下： 输出波形：方波、三角波、正弦波等； 频率范围：10Hz1000Hz范围内可调 输出电压：方波24V； 三角波=8V； 正弦波>1V; 要求输出波形振幅基本稳定，振荡波形对称，无明

3、显非线性失真。2 函数发生器的设计方案及比较2.1函数发生器的设计原理 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也可以采用集成电路。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过比较器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；也可以首先产生方波-三角波，再将三角波由差分变换电路变成正弦波等等。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，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变

4、换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。2.2各部分的工作原理方波发生电路的工作原理产生方波方法可分为两种：第一种先利用迟滞比较器构成的方波发生器产生方波。利用施密特触发器，再增加少量电阻、电容元件以及稳压管即可组成方波发生器。由于方波的频率成分非常丰富，含有大量谐波，故方波又称为多谐振荡器；第二种将比较器和积分器连接组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波输入积分器得到三角波。图2-1方波发生电路图在接通电源瞬间，输出电压是正向饱和或是负向饱和是随机的。假设初始输出的电压为负向饱和，即v0=vOL，则加在运算放大器的同相输入端的电压为： （2-1）而加于反相端的电压由于电容器上的电压v

5、c不能突变，只能有输出电压v0通过负反馈电阻按指数规律想充电来建立，显然vc<0，当vc愈来愈负，直到比还小时，输出电压立即从负饱和值VOL迅速翻转到正饱和值VOH。这时加到放大器同相输入端的电压为： （2-2）而加于电容器的电压不能突变，只能由输出电压对电容反相充电，当电容电压愈来愈正，直到比VOH还大时输出电压立即从正想饱和值反转为负相饱和值。如此循环下去，形成方波输出。输出方波的周期为： (F=) （2-3）正弦波发生电路的工作原理要产生正弦波，应用正弦波振荡器自激以产生正弦波。本设计采用RC文氏桥振荡器自激产生正弦波。为调节频率，可在RC串并联网络中设置电阻R可调。图2-2正弦波

6、发生电路该电路利用文氏桥振荡器产生正弦波，当 时， （2-4）为满足|=1,则加入负反馈电路，构成电压串联负反馈，=3时达到振幅平衡条件。其中 （2-5）调节使>3时可以使电路起振，在调节使=3可以达到稳幅，输出正弦波。、在零到158.4k范围内可调，=1.6k可通过调节，的值而调节频率，从而使输出频率满足10Hz1000Hz可调。方波-三角波转换电路的工作原理图2-3方波-三角波转换电路图若a点（方波输出点）断开，运算发大器A1与、及、组成电压比较器。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电

7、平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+Vcc,则 ： （2-6） 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为： （2-7） 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为： （2-8） 比较器的门限宽度为： （2-9） 方波的振幅为： 周期T为： （2-10）图2-4比较器的电压传输特性图运放A2与R1、RV2、C1及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为： （2-11） 时， （2-12）时， （2-13）

8、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。 若a点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波三角波。 三角波的幅度为： （2-14） 方波-三角波的频率f为： (2-15)图2-4方波-三角波的转换图三角波-正弦波转换电路的工作原理图2-5三角波-正弦波转换电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，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。分析表明，传输特性曲线的表达式为：式中 差分放大器

9、的恒定电流；温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mV。 （2-16）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。 (2-17)2.3设计方案及比较2.3.1设计方案一这种方案为正弦波-方波-三角波转换电路，其中正弦波由RC文氏桥振荡电路产生，再通过过零比较器和积分电路一次转换成方波、三角波。图2-6正弦波-方波-三角波转换电路2.3.2设计方案二 这种方案为方波-三角波-正弦波转换电路，其中由迟滞比较器产生方波，通过积分电路长生正弦波，再通过差分转换电路输出正弦波。图2-7方波-三角波-正弦波转换电路2.3.3设计方案比较方案一中首先利用RC文氏桥振荡电路产生正

10、弦波，通过调节RV1、RV2实现频率可调。同时调节两个电位器保证阻值相等时，由于电位器从零到158.4k连续可调，实现了输出频率的连续可调。但是，调节时必须RV1、RV2同时调节且保证两个电位器阻值相等，调节较为困难。将正弦波转化为方波时，利用了单门限电压比较器，在理想情况下（运放放大倍数为无穷大时）可以实现正弦波到方波的转化，但是理想运放是没有的，所以产生的方波会有一定成都的失真。且单门限电压比较器抗干扰能力较差，易受到外界干扰，导致输出错误信号。故为了提高电路的抗干扰能力一般不采用该电路。方案二采用迟滞比较器产生方波信号，抗干扰能力较强，且在该电路中调节RC的乘积或调节反馈比值即可调节频率

11、，调节连续可调的电位器即可实现频率的连续可调。相对于方案一，该电路提高了了电路的抗干扰能力，避免了外界环境的干扰。同时，只调节一个电位器且无需保证两个电位器的阻值相等即可实现频率的连续可调。故应选择方案二作为函数发生器电路的实现方案。2.3.4实现方案实现方案使用的原件及数量如下：双运放：A747（2个）；三级管：9013或者BG319（4只）可调电阻：50k(2只)，100k(1只)，100（1只）电容：470uf（3只），10uf（1只），1uf（1只），0.1uf（2只），0.01uf（1只）电阻：100k（1只）；2k（2只）；6.8k（2只）；10k（3只），15k（1只）； 20k

12、（3只）；51k（1只）实现方案原理图如下：图2-8实现方案电路图3 电路的仿真3.1方波发生电路的仿真仿真输出比较理想的方波波形，其中VP-P=25V。图3-1方波发生电路的仿真图3.2正弦波发生电路的仿真仿真输出标准的正弦波，其中VP-P=18V。图3-2正弦波发生电路的仿真图3.3方波-三角波发生电路的仿真仿真方波-三角波发生电路，输出波形比较理想，其中方波峰峰值VP-P=25V，三角波峰峰值VP-P=20V，满足转换公式。图3-3方波-三角波发生电路的仿真图3.4三角波-正弦波电路的仿真仿真三角波-正弦波转换电路，其中三角波峰峰值Vp-p=1V，正弦波峰峰值VP-P=0.8V。图3-4

13、三角波-正弦波发生电路的仿真图3.5正弦波-方波电路仿真仿真正弦波-方波转换电路，其中正弦波峰峰值VP-P=1V，方波峰峰值VP-P=25V。图3-5正弦波-方波发生电路的仿真图4 电路的安装与调试1. 把两部分的电路接好，进行整体测试、观察；2. 针对各阶段出现的问题，逐个排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。图4-1面包板实物电路的测试5 实验测试结果5.1方波的输出检测方波检测图如下所示，其中峰峰值VP-P=21V，频率f=333.28Hz。图5-1方波的输出检测图5.2三角波的输出检测三角波检测如下图，其中峰峰值Vp-p=6.2V，频率f=337.43Hz。图5-2三

14、角波的输出检测图5.3正弦波的输出检测正弦波检测如下图所示，其中峰峰值Vp-p=1.2V，频率f=338.85Hz。图5-3正弦波的输出检测图6 实验总结模拟电路简称模电，经常被我们说成“魔鬼电路”，从其别名就可以看出这门课程对于大多数学生来说比较难学。课本知识深涩难懂，课程安排也紧很，在本学期模电刚上完之际就进行了考试，然后又接着搞课程设计，所以这次课程设计是一次挑战。然而话又这样说“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。”如果学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践和探索也是不够的，所以这次课程设计也是很及时、很必要的。这样不仅能加深我们对电子电路的任职，而且还及时、真正的做到了学以致用。接到

15、课程设计课题之后我首先回顾了一遍课本，在对基本知识原理更深理解之后我初步设计了一个粗略的电路图，然后在Proteus上进行了仿真，但是没有成功，这让我深刻的理解到知识和实践并不统一，感觉到这次课程设计的重要性，开始下决心把它做好。于是我到网上搜集相关资料，整理之后再次做出了自己的电路图，然后再次进行了仿真，这次我成功了，到此终于做完了进行预答辩的课程设计。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。电路板的连接进行的比较顺利，但是在测试的时候遇到了很多的问题，最主要的是没有波形出现或是全部检测到正弦波。于是我们一

16、遍又一遍的讨论、检查电路连接、测试、再检查、再测试.电路越来越简，但是仍然有问题，比如：波形失真。这再次让我意识到了知识与实践的不统一。理论是正确的，仿真成功了，但是实践测试时波形就是不理想。很多事情就是这样，现实与想象并不一样。而一名科研人员需要坚持的就是不厌其烦，把想象做成现实。遇到问题就解决问题。实物连接中，我们一开始很长时间出不来波形，后来发现将积分电路电容从10uF变到0.1uF时很顺利的出现了波形。仿真是10uF时就出现波形的，可是现在0.1uF才出现，这应该是电路干扰太严重，低频电路不易实现。除此之外，我还学会了与同学合作。在测试过程中我们一起检查电路，相互讨论问题，使得气氛很活跃。每个人思考问题的角度不一样