课程设计上交稿

1、 模拟电子技术课程设计说明书 函数信号发生器 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 沈益斌 指导教师： 伍麟珺 职称 讲师 专 业： 自动化 班 级： 自本1101班 完成时间： 2013年6月 模拟电子技术课程设计任务书系：电气与信息工程系 年级：大二 专业：自动化 指导教师姓名伍麟珺学生姓名沈益斌课题名称函数信号发生器内容及任务一、设计任务和要求 1、掌握电子系统的一般设计方法 2、掌握Multisim，protel99等软件的应用 3、培养综合应用所学知识来指导实践的能力 4、掌握常用元器件的识别和测试 5、熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法 6、设计方波三角波正弦波函数信号发

2、生器 二、设计内容1、设计好电路图，计算元件阻值并进行仿真；2、画出用protel画出印制板图pcb，并印好电路板，打孔；3、购买元器件以及所需工具；4、焊接元器件并进行调试。三、技术指标 1、课程设计的技术指标 2、设计、组装、调试函数发生器 3、输出波形：正弦波、方波、三角波； 4、频率范围 ：在1Hz10Hz，10Hz-100Hz范围内可调 ； 5、输出电压：方波U24V，三角波U8V，正弦波 ； 6、 波形特性：方波的上升时间，三角波的非线性失真系 数，正弦波的非线性失真系数。进度安排起止日期设计内容6月9日-6月11日设计好电路图，计算元件阻值并进行仿真6月11日-6月13日用pro

3、tel画出印制板图pcb，并印好电路板，打孔6月14日购买元器件以及焊接所需工具6月14日-6月24日焊接元器件并进行调试主要参考资料 1 康华光. 电子技术基础模拟部分.高等教育出版社，华中科技大学电子技术课程组编,20052 阎石主. 数字电子技术基础.清华大学电子学教研组编，高等教育出版社，19973 陆秀令,韩清涛.模拟电子技术.北京大学出版社，20084 康华光.电子技术基础.华中工学院电子学教研室编.高等教育出版社，19825 谢自美.电子线路设计(第二版).华中科技大学出版社,20006 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社，20117 薛永毅、王淑英、何希才.新型

4、电源电路应用实例.电子工业出版社，20018 谢云，易波. 现代电子技术实践课程指导.机械工业出版社，20039 熊幸明.电工电子技能训练.电子工业出版社，2011 10 曹才开、张丹、罗雪莲等.电路与电子技术试验.中南大学出版社,2009答辩成绩指导教师评阅意见摘 要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。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与二极管共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。本课题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

5、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二极管开关来完成。比较三角波和正弦波的波形可以发现，在正弦波从零逐渐增大到峰值的过程中，与三角波的差别越来越大;即零附近的差别最小,峰值附近差别最大。因此，根据正弦波与三角波的差别，将三角波分成若干段，按不同的比例衰减，就可以得到近似与正弦波的折线化波形。而且折线法不受频率范围的限制，便于集成化。关键词：函数发生器；比较器；积分电路；折线逼近法；二极管ABSTRACT Function generator is usually referred to as can automatically

6、create the sine wave, triangle wave, rectangular sawtooth wave, such as ladder wave of the voltage waveform circuit or device.According to different purposes, has the potential to create three or more wave function generator.For further grasp the basic theory and experiment circuit testing technolog

7、y, the subject used by the integrated operational amplifier and diode composed of square wave-triangle wave-sine wave function generator design method. The subject of the first produce square wave-triangle wave, again will triangle wavelet transform into sine wave of circuit design method. By compar

8、ator and integrators of square wave-triangle wave produces circuit, is used by the output pulse integrator get triangle wave, a triangle of sine wave transform circuit wave to mainly by diode switches to complete.Comparison of the triangle wave and sine wave wave can be found in sine wave from zero

9、to increase the peak of the process, and the difference of the triangle wave is more and more big;That is near zero, the difference between the least, near the peak value difference is the largest.Therefore, according to the difference of sine wave and triangle wave, will finally triangle into secti

10、on, according to the different proportion attenuation, and can get similar to the line of sine wave waveform.Dogleg method and not be limited by the boundaries of the frequency, facilitate integration.Keywords: function generator;comparator;integral circuit; the discount approximation method;diode 目

11、 录摘要（3） 1、引言(6) 1.1 函数信号发生器的概况(6) 1.2 函数信号发生器的发展和应(6) 2、函数发生器的总方案及原理框图(7) 2.1 电路设计原理框图(7) 2.2函数发生器的总方案 (7)2.3方波-三角波转换电路的工作原理(8)2.4 三角波-正弦波转换电路的工作原理(10)2.5电路的参数选择及计算(12)3、仿真结果以及PCB图(14)3.1 方波波形(14) 3.2 三角波波形(15)3.3 正弦波波形(16)3.4 仿真结果分析(17)3.5 原理图(18)3.6 PCB图(19)4、电路的安装与调试(20) 4.1电路的安装 (20) 4.2 电路板焊接成品

12、(20)5、课程设计总结(21) 致谢(22) 附录（23）1、引言1.1 函数信号发生器的概况 信号发生器一般指能自动产生正弦波、方波、三角波电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。这里，采用分立元件设计出能够产生3种常用实验波形的信号发生器，并确定了各元件的参数，通过调整和模拟输出，该电路可产生频率低于10 Hz的3种信号输出，具有原理简单、结构清晰、费用低廉的优点。该电路已经用于实际电路的实验操作。1.2 函数信号发生器的发展和应用 信号发生器是一种最悠久的测量仪器，早在20年代电子设备刚出现时它就产生了。随着通信和雷达技术的发展，40

13、年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器发展成定量分析的测量仪器。同时还出现了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单，因此发展速度比较慢。直到1964年才出现第一台全晶体管的信号发生器。自60年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器，这个时期的信号发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形，由于模拟电路的漂移较大，使其输出的波形的幅度稳定性差，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、

14、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。自从70年代微处理器出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器，硬件和软件使信号发生器的功能扩大，产生比较复杂的波形。这时期的信号发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。 随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来。 2、函数发生器的总方案及原理框图 2.1 电路设计的原

15、理框图 图12.2 函数发生器的总方案 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。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与折现逼近法共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。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，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题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

16、计方法， 本课题中函数发生器电路组成如下所示：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折现逼近法来完成。比较三角波和正弦波的波形可以发现，在正弦波从零逐渐增大到峰值的过程中，与三角波的差别越来越大;即零附近的差别最小,峰值附近差别最大。因此，根据正弦波与三角波的差别，将三角波分成若干段，按不同的比例衰减，就可以得到近似与正弦波的折线化波形。而且折线法不受频率范围的限制，便于集成化。 图2 此电路由比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,

17、则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。2.3 方波-三角波转换电路的工作原理 式2.1 式2.2 图3迟滞比较器电压传输特性 图

18、4 三角波发生器工作原理如下：若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。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 式2.3将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 式2.4若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 式2.5比较器

19、的门限宽度 式2.6由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图五所示。a点断开后，运放A2与R4、RP2、C2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 式2.7时， 式2.8时， 式2.9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，其波形关系图六所示。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 式2.10方波-三角波的频率f为 式2.11由以上两式可以得到以下结论：1. 电位器RP2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C2改变频率的范围，PR2实现频

20、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源电压+Vcc。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。2.4 三角波-正弦波转换电路的工作原理把三角波转换成正弦波的方法较多。对于固定频率或频率变化范不大的情况，可采用低通滤波器，滤掉高次谐波，把三角波变为正弦波。如果频率变化范围较大，一般采用折线逼近法，把三角波变为正弦波。其基本思路是将三角波分成若干段，分别按不同的比例衰减，所获得的波形就近似为正弦波。利用二极管开关和电阻构成反馈通路，随着电压的数值不同而改变电路的增益。折现逼近法的优点是不受输入电压频率范围的限制，便于集成化，缺点是反馈网络中的

21、匹配比较困难。观察两者波形可知，它们的最大差别是在顶部，如果设法将三角波顶部斜率逐渐减小的折线段去逼近，三角波将转换成近似的正弦波，如图所示。 图5 图6用折线法把三角波转换成正弦波的电路有两种。一种是无源电路，一种是有源电路。有源电路转换精度高，如图所示。电源正负12V，经电阻分压，分别得到、和、不同等级电压。由于同下标的和相等地，所以输入为零时，输出也为零。当、为正值，、为负值时，所有二极管因反向偏置都不导通，此时只有接在反馈回路中，放大倍数最大。当输入三角波电压为负半波并逐渐下降时，、电压依次上升到大于零，、依次由截止到导通，分别将电阻、接入反馈支路中，与并联，使入大倍数逐次降低，输出正

22、半波的斜率逐次变小，这样就形成用折线逐次逼 近正弦波的变化规律。同理，当输入们号为正半波时，将由零逐渐上升，、依次由截止到导通，又分别把、依次接入反馈支路中，下降的斜率逐渐减小，使输出波形接近于正弦波负半波的变化规律。各电阻要选择合适，此电路即可把三角波转换成正弦波。 1。电位器RP2在调整方波三角波的输出频率时，一般不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围比较宽，则可用C2改变频率的范围，RP2实现频率微调。2 方波的输出幅度约等于电源电压+Vcc 。三角波的输出幅度不超过电源电压+Vcc。电位器RP1可以实现幅度微调，但会影响方波三角波的频率2.5电路的参数选择及计算方波-三角波部分运

23、放A1与A2用741，因为方波的幅度接近电源电压+VCC=+12V,-VEE=-12V。比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下。由式 （2-8）得 式2.12取 ，则R3+RP1=40K，取，RP1为47K的电位器。平衡电阻R1=R2(R3+RP1)=8k，取R1=10K由式（2.9）得 式2.13即R4+RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2) 当1Hzf10Hz时， 取C2=10uF, 则10K<R4+RP2<100K,取R4=1k, RP2=100 k。 当10Hzf100Hz时，取C1=1uF以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻R5=10K。 2.5

24、.2三角波-正弦波波部分 由图（三）可知，当由零开始下降，由零开始上升时，、依次导通，放大倍数与之间的关系如下：当时，二极管都不导通，此时 设R7=R8=10K当时，导通，此时当时，和导通，此时当时，、导通，此时如果假设的值，依据上式列出的比例关系，很容易求出、的值。因为波形对称，所以、。已知波形变换器输入三角波电压幅度，当上升至零伏时，开始导通，此时，算出。由于已知，根据分压比，可求得，选标称值。当上升到时，,升到零伏，导通，根据分压比可求得。当上升到时，,升到零伏，导通，根据分压比可求得，选标称值。根据电路对称性，、。可算出3、仿真结果以及PCB图3.1 方波波形下图为开关置于C=1uf处

25、时，此时频率为78.26Hz 图73.1.2下图为开关置于C=10uf处时，此时频率为2.386Hz 图83.2 三角波波形 3.2.1下图为开关置于C=1uf处时，此时频率为78.26Hz 图93.2.2下图为开关置于C=10uf处时，此时频率为2.386Hz 图103.3 正弦波波形 3.3.1下图为开关置于C=1uf处时，此时频率为78.26Hz 图113.3.2 下图为开关置于C=10uf处时，此时频率为2.386Hz. 图12以上图形都是在调好RP2后且RP2基本不变的基础上得到的波形。3.4仿真结果分析 由仿真结果可知：只要通过控制单刀双掷开关就可以实现频率波段的转换，而且可以看出

26、当RP2在调好后基本不变时，当开关打到C1输出波形的频率大体上是开关打到C2时的10倍，基本达到了设计电路的预期效果。同时也可以看出在频率。幅值。波形稳定度等方面都产生了一定的误差。表3.1 数据波形频段选择C=1F(f=10100Hz)C=10F(f=110Hz)档位 1× 10×三角波f（频率）78.26Hz2.386Hz.Vp-p20V20VVmax4.0V4.0VVmin-4.0V-4.0V方波f（频率）78.26Hz2.386Hz.Vp-p20.0v20.0vVmax10.0V10.0VVmin-10.00V-10.00V正弦波f（频率）78.26Hz2.386H

27、z.Vp-p4.12V4.12VVmax2.05V2.05VVmin-2.07V-2.07V注意事项为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点： （1）正确使用测量仪器的接地端（2）测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。（3）仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。要正确选择测量点。（4）用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。（5）调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的

28、可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。（6）调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。我们应该认真检查.调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。3.5总原理图图3.7 图13 3.6 PCB图 图144、电路的安装与调试4.1电路的安装与调试4.1.1电路的安装 按照PCB图将各元件按照固定位置安装好。注意741集成块的引脚放置；电位器的接法。二极管的正负极的确定以及安装4.2电路板焊接成品 图15 图4.1 图165、课程设计总结本次的设计电路通过先产生方波-三角波，再将三角波变换成正弦波，通过不懈的努力终于把简易信号发生器设计了出来。该设计电路的优点是输出波形的频率和幅度都连续可调。缺点是该板的稳压状况不太乐观，而且波形的稳定度和失真度都会有很大的变化，这也就增加了电路调节的难度，在制成PCB板后并进行调试后，经老师指导才知道在方波产生处加入稳压管才能使波形更加稳定。由于各方面的不足与经验的缺乏，使得仿真结果跟设计要求产生了一定的偏差，以及制板的失误。在这几周的函数发生器课程设计期间，我遇到了平时不