函数信号发生器设计任务书

1、目录一、设计的任务和要求.二、已知条件.三、函数发生器的具体方案.1 总的原理框图及总方案.2 各组成部分工作原理. 3总电路图.四、电路的参数选择与仿真.五、实验结果分析.附录:电路原理和元器件列表.一.设计的任务和要求1.设计任务设计方波三角波正弦波函数信号发生器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培养根据课题需要选学参考书籍,查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考,深入钻研有关问题,学会自己分析并解决问题的方法。(3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。(4了解与

2、课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范,能按设计任务书的要求,完成设计任务,编写设计说明书,正确地反映设计与实验的成果,正确地绘制电路图等。(5培养严肃、认真的工作作风和科学态度。3. 性能指标要求(1输出波形:正弦波、方波、三角波等;(2频率范围:10Hz500Hz;(3输出电压:方波Up-p<=24V,三角波Up-p>10V,正弦波U>1.5V;波形特征:方波tr<100S,三角波失真系数THD<2%,正弦波失真系数THD<5%。二、已知条件:双运放358一只、三极管3DG6四只(约为60三、函数发生器的具体方案1. 总的原理框图及总方案 图1 函数

3、信号发生器原理图多波形信号发生器方框图如图1所示。本课题采用由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发生器的设计方法。并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: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。设计差分放大器时,传输特性曲线要对称、线性区要窄,输入的三角波的的幅度U m应正好使晶体管接近饱和区或截止区。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。2. 各组成部分的工作原理2.1 方波-三角波转换电路的工作原理 图2 方波-三角波转换电路图2为方波-三角波

4、转换电路,其中运算放大器用双运放uA741。 工作原理如下:若a 点断开,运算发大器A 1(左与R 1、R 2及R 3、RP 1组成电压比较器,C 1为加速电容,可加速比较器的翻转。运放A 2(右与R 4、RP 2、C 2及R 5组成反相积分器,其输入信号为方波Uo 1,则积分器的输出电压Uo 2为 214221(O O U U dt R RP C -=+当1O CC U V =+时,2422422(CC CC O V V U t t R RP C R RP C -+-=+ 当1O EE U V =-时,2422422(CC EE O V V U t t R RP C R RP C -=+ 由

5、此可见积分器在输入为方波时,输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波,其波形关系如下图3所示 图3 方波-三角波波形关系若a 点闭合,即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:2231O m CC R U V R RP =+ 方波-三角波的频率f 为: 3124224(R RP f R R RP C +=+ 由以上两式可以得到以下结论:1. 电位器RP 2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C 2改变频率的范围,PR 2实现频率微调。2. 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

6、源电压+Vcc 。电位器RP 1可实现幅度微调,但会影响方波-三角波的频率。2.2 三角波正弦波转换电路工作原理 图4 三角波正弦波转换电路图(4为实现三角波正弦波变换的电路。其中Rp3调节三角波的幅度, Rp4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C3,C4,C5为隔直电容,C6为滤波电容,以滤除谐波分量,改善输出波形。三角波-正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。差分放大器采用单入单出方式。三角波-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。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5 三角波-正弦波变换原理分析表明,传

7、输特性曲线的表达式为:022/1id T C E U U aI I aI e =+ 011/1id TC E U U aI I aI e -=+ 上式中:/1C E a I I =;0I 差分放大器的恒定电流;T U 温度的电压当量,当室温为25时,U T 26mV 。如果U id 为三角波,设表达式为44434m id m U T t T U U T t T - =- 022T t T t T 式中:Um 三角波的幅度;T 三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波,由图5可知:(1 传输特性曲线越对称,线性区越窄越好;(2 三角波的幅度Um 应正好使晶体管接近饱和区或截止区。3.总电路图整个设

8、计电路如图6所示: 图6 方波三角波正弦波函数信号发生器四、电路的参数选择与电路仿真本课题采用Multisim 7作为仿真软件。Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench公司推出的以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、高效地对电路进行设计和验证。Multisim 7通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路;通过交互式SPIC

9、E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;本课题使用Multisim交互式地搭建电路原理图,并对电路行为进行仿真。1.方波-三角波部分参数选择:取才C2=0.47F, C2的取值很重要,按照你电阻的值,要取相应的值,取值不对,会直接影响到你波形输出与否。调节RP1和RP2,微调Rp1,使三角波的输出幅度满足设计要求,调节Rp2,则输出频率在对应波段内连续可变。方波-三角波电路的仿真:在Multisim 7中按方波-三角波转换电路图(图2接线。调节Rp1和Rp2到设定值,检查无误后,在正确位置接上示波器观察输出波形。仿真电路图如下: 图7 方波三角波仿真电路图2.三角波-

10、正弦波部分参数选择:C4=470f,C5=C6=0.1F;R6= 5.1K(R6阻值只要大于5三角波-正弦波电路的仿真:在Multisim 10.1中按方波-三角波转换电路图(图4接线。保证参数正确,检查无误后,在正确位置接上示波器观察输出波形。仿真电路图如下: 图8 三角波正弦波仿真电路图方波三角波正弦波函数发生器仿真电路图如下: 图9 方波三角波正弦波函数发生器仿真电路图五、实验结果分析方波三角波正弦波函数发生器电路是分成两个部分来做的,先做方波三角波产生电路,再做三角波正弦波变换电路,然后把两张图用线连接成一张完整的大图。方波三角波产生电路中的C1其实可以去掉不要的,如果要用的话,取值要

11、比较小,这样才不会影响电路。我的RP2的阻值是200,开始设置的C2是0.1F,但是总是出不来波形,后来老师说,C2的值太小了。经过我多次的试验,发现0.47F是最为合适的。最后还要调节RP1和RP2,确保频率范围为10Hz500Hz。三角波正弦波变换电路中C1=470F,C5=C6=0.1F,R6=5.1K。R6开始设的值是3.3K,然后仿真就是没有波形出来,问了同学,研究了一会儿,也才知道,R6的阻值必须要大于5K,这样之后才有波形出来了。最后还是一样的,调节Rb1,测试频率范围。最后当两张图连在一起之后,不仅要看波形,还要测试输出电压:方波Up-p<=24V,三角波Up-p>10V,正弦波U>1.5V。当一切要求都满足之后,所有的函数发生器设计就完成了。像做这种实验,要的必须是耐心,还有朋友的帮助,老师的指导,必须做到齐心协力,否则成功的几率是非常小的。附录1:电路原理图 附录二:元器件清单