模电课程设计--函数发生器

1、武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 通信1005班 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 函数发生器 初始条件： 利用集成运算放大器和晶体管差分放大器等设计一个方波三角波正弦波函数发生器。要求完成的主要任务: （1）频率可调范围：10Hz10kHz；(2)输出电压：正弦波VPP=03V, 三角波VPP=05V, 方波VPP=015V；（3）输出电压幅度连续可调（4）方波上升时间小于2微秒，三角波线性失真小于1%，正弦波失真度小于3%发挥部分（1）矩形波占空比50%95%连续可调； （2）锯齿波斜率连续可调。时间安排：12月20日22日：学习

2、运算放大器和差分放大电路理论知识；12月23日25日：画电路并在,Multisim上仿真；12月26日：买元器件并查找器件代替买不到的元件；12月27日：焊接电路并调试；12月28日：完成课程设计实验报告。 指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日函数发生器摘要函数发生器是一种多波形的信号源。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。有的函数发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制。函数发生器有很宽的频率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信号源。可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、

3、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可以很方便的组成函数发生器，产生各种波形。用集成电路设计的信号发生器与其他信号发生器相比，有波形、幅度、频率稳定等优良性能。AbstructFunction generator is a kind of more of the waveform signal source it can produce sine wave square wave triangle wave sawtooth wave, and even some arbitrary waveform generator also has a fu

4、nction of the function, can be an am FM phase-modulation pulse width modulation and VCO control function generator has a wide frequency range, using range is very wide, it is a kind of indispensable general source can be used for production test instrument maintenance and laboratory, also widely use

5、d in other areas of science and technology, such as medical education chemical communication geophysics industrial control military and the space, along with the rapid development of the integrated circuit, with integrated circuit can be very convenient component function generator, produce all sort

6、s of wave with integrated circuit design of the signal generator and other signal generator with a wave amplitude frequency stability and good performance目录1 课程设计的目的及任务31.1 课程设计的目的31.2 课程设计的任务及要求32 电路设计方案与比较42.1 电路设计的多种方案42.1.1 方案一42.1.2 方案二52.1.3 方案三52.1.4 方案四52.2 电路设计方案的比较53 函数发生器的设计方案及单元电路63.1 函数

7、发生器的设计原理框图63.2 各组成部分电路的设计73.2.1 方波发生电路的工作原理73.2.2 方波-三角波转换电路的工作原理93.2.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理113.3 函数发生器的总电路图134 电路的参数选择及计算144.1 芯片的确定144.2三极管的确定144.3 其他元器件型号及参数的计算145 Multisim软件电路仿真165.1 方波三角波发生电路的仿真165.2 三角波正弦波转换电路的仿真176 电路的安装与调试206.1 方波-三角波发生电路的安装与调试206.1.1 安装方波三角波产生电路206.1.2 调试方波三角波产生电路206.2 三角波正弦波转换

8、电路的安装与调试206.2.1 安装三角波正弦波变换电路206.2.2 调试三角波正弦波变换电路216.3 总电路的安装与调试216.4 调试中遇到的问题及分析与总结216.4.1方波-三角波发生器的装调216.4.2 三角波-正弦波变换电路的装调216.4.3 性能指标测量与误差分析227 仪器仪表电子元器件明细清单238 心得体会249 参考文献241 课程设计的目的及任务1.1 课程设计的目的通过对课程的设计掌握电子系统的一般设计方法，掌握模拟IC器件的应用，培养综合应用所学知识来指导实践的能力，为接下来电子信息学习培养兴趣。1.2 课程设计的任务及要求函数发生器设计设计任务：利用集成运

9、算放大器和晶体管差分放大器等设计一个方波三角波正弦波函数发生器。 要求：（1）频率可调范围：10Hz10kHz；(2)输出电压：正弦波VPP=03V, 三角波VPP=05V, 方波VPP=015V；（3）输出电压幅度连续可调（4）方波上升时间小于2微秒，三角波线性失真小于1%，正弦波失真度小于3%发挥部分（1）矩形波占空比50%95%连续可调；（2） 锯齿波斜率连续可调。2 电路设计方案与比较2.1 电路设计的多种方案自己设计制作函数发生器，可以使用分立器件（低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块5G8038）。为了进一步掌握电路的基本理论及实验调

10、试技术，我在这次课程设计中采用集成运算放大器和晶体管差分放大器共同组成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、三角波方案有多种：2.1.1 方案一由RC桥式电路振荡产生正弦波，再经整形积分产生方波和三角波。原理方框图如图2.1.1 。RC桥式电路整形电路积分电路图2.1.1 方案一函数发生器的设计原理框图2.1.2 方案二采用DDS作为信号发生核心器件的全数控函数信号发生器设计方案，根据输出信号波形类型可设置、输出信号幅度频率可数控、输出频率宽等要求，选用了AD9850芯片，并通过单片机程序控制和处理AD9850的32位频率控制字，再经放大后加数字衰减网络，从而实现了信号幅度、

11、频率、类型以及输出等选项的全数字控制。2.1.3 方案三用ICL8038集成函数信号发生器所需信号。接入外部电路后ICL8038多个引脚产生方波、三角波、正弦波，频率调节通过引脚接外电路来完成。然后从ICL8038出来经过选择开关选择所需波形进入LM31D8进行放大和幅度调节，最后从LM31D8出来的波极为频率和幅度可调的各种波形。2.1.4 方案四由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较强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。2.2 电路设计方案的比较方案一：用RC桥式电路及整形积分电路构成的函数发生器所产生的信号难以控制，不易调试，可调范围小;方

12、案二：由于我的知识限制，此方法仅仅停留在了解阶段，不懂其中原理；方案三：由运算放大电路、电位器等组成的多功能函数发生器，精确度高，但过于复杂；方案四：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。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。能实现频率可调的指标要求，且能实现一定范围内的幅度调节。但积分电路的时间参数选择需保证电路不出现积分饱和失真。此电路可以很好地结合已学的知识与实践，且输出波形幅度及频率均可通过改变元件参数进行调整，方便且成本较低。3 函数发生器的设计方案及单元电路3.

13、1 函数发生器的设计原理框图图3.1.1 函数发生器的设计原理框图3.2 各组成部分电路的设计3.2.1 方波发生电路的工作原理方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组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。如图3.2.1.2，电路由反相输入的滞回比较器和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。R1称为平衡电阻。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。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+=

14、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 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 比较器的门限宽度由以上公式可得比较器的电压传输特性，其曲线如图3.2.1.1，所示。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。其中，图中方波输出R7和R6中间点，通过两阻值的比值调节输出方波的幅度。图3.2.1.1 比较器的电压传输特性曲线 图3.2.1.2 方波发生电路3.2.2 方波-三角波转换电路的工作原理图3.2.2.1 方波-三角波产生电路图图3.2.2.2 方波-

15、三角波变换a点（R2左端）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为时，时，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，其波形关系下图所示。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 方波-三角波的频率f为 其中，三角波输出在电位器R8和电阻R9中点，通过调节电位器阻值来控制三角波输出的幅度，而接在芯片A2反相输入端和输出端之间的电容C1、C2、C3可以粗挑方波和三角波的输出频率。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

16、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。电阻R3可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。3.2.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理图3.2.3.1 三角波-正弦波产生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

17、差分放大器的恒定电流；温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mV。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。为使输出波形更接近正弦波，由图可见：（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） 图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R11用来减小差分放大器的线性区。电容C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。图3.2.3.2 三角波正弦波变换3.3 函数发生器的总电路图图3.3 函数发生器的总电路图4 电路的参数

18、选择及计算4.1 芯片的确定函数发生器的运算放大器A1和A2可以用双运算放大器UA741，本实验用功能基本相同的UA747代替，同样达到效果。其引脚图如图4.1所示图4.1 运算放大器芯片UA747引脚图4.2三极管的确定三极管在仿真中用三极管2N1711。由于器件买不到用S9018同样可以达到效果，S9018是NPN高频小功率硅管，其放大倍数实测为100左右。其他参数如下： Vcb0=30V，Vce0=15V，Icm=50mA，Pcm=400mW，fT=700MHz4.3 其他元器件型号及参数的计算比较器A1与积分器A2的元件计算如下。即取 ，则，取 电阻。取平衡电阻由 即当时，取，则，取，

19、Rw2为100K电位器。当时 ，取以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻。三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。本实验取C6为100Nf。R11=20欧与Rw4=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整Rw4及电阻R确定。最后确定R为8.2k欧电阻。 电路图中还有电阻RB1需要确定值，原定为6.8k。当RB1太大时会出现上下峰被削平的图像，太小时波形为三角波，不能转换为正弦波。

20、调整其阻值，直到出现理想的正弦波输出波形为止，此时RB1为450欧。5 Multisim软件电路仿真5.1 方波三角波发生电路的仿真接好两个芯片正负直流源和地线，在方波输出端引出一条导线，接到仿真软件中的示波器，注意接好地线，打开开关。这时示波器上面有方波波形出现。调节电位器Rw2可以调节波形 的频率;调节电位器R6，可以看到方波输出的幅值从0变化到7.5V。如图5.1.1所示。波形为完整的方波，最大输出幅值由图可以读出为7.512V，与理论设计有微弱的误差。图5.1.1 方波最大输出波形同样的方法，可以看到三角波的波形输出。调节电位器R8，则三角波输出幅度从0变化到2.5V，符合课程设计的要

21、求。如图5.1.2，三角波最大的输出幅度为2.506V，与设计的要求十分贴切。5.2 三角波正弦波转换电路的仿真如5.1节所介绍，可以使正弦波输出在示波器上显示。如图5.2.1所示，正弦波的输出波形并不理想，出现的严重的失真。这时电位器Rw3阻值是0%。把Rw3调到100%，这时波形又出现的另一种形状，如图5.2.2所示，输出波形为三角波。调节电位器Rw3，看输出波形，使着输出波形靠近正弦波。最后可以看到电位器调到12%时，波形为正弦波，如图5.2.3所示，这就是理想的正弦波输出。调节电位器R11可以使正弦波输出幅值从0变化到1.5V。由图可以看到输出的最大幅值为1.55V。 图5.2.1 电

22、位器Rw3为0%时正弦波输出端的波形图5.2.2 电位器Rw3为100%时正弦波输出端的波形图5.2.3 电位器Rw3为12%时正弦波输出端的波形 波形调出来后，接入不同的电容C1、C2、C7，可以粗调输出信号的频率；当接入C1=1uF时，调节电位器Rw3,频率可以从10H到160Hz；当接入C2=100nF时，调节电位器Rw3,频率可以从78H到1.42kHz；当接入C3=1nF时，调节电位器Rw3,频率可以从4kHz到9.2kHz;但是当频率达到太大的情况下输出波形出现失真情况。6 电路的安装与调试6.1 方波-三角波发生电路的安装与调试6.1.1 安装方波三角波产生电路（1）把两块UA7

23、41集成块插入洞洞板；（2）分别把各电阻和电容按照电路图插入板，在背面大致确定线路的走向；（3）安装输出和直流源的正负及接地端。（4）焊接，注意安全。6.1.2 调试方波三角波产生电路（1）接入电源后，用示波器进行双踪观察；（2）分别调节方波和三角波的输出端电位器R6、R8，可以使两个波形幅值满足指标要求；（3）先选择接入电容C1、C2、C7粗调波形频率，再调节Rw2，微调波形的频率；可以看到波形随调节有周期的变化；6.2 三角波正弦波转换电路的安装与调试6.2.1 安装三角波正弦波变换电路（1）在洞洞板上接入差分放大电路各个元件，要提前查阅三极管的各管脚的接线，以便在焊接时能清楚的辨认；（2

24、）接入各电容、电阻及电位器；（3）插入正弦波的输出的排针；（4）按图焊接，注意直流源的正负及接地端与方波三角波的正负直流电源和接地端相连。6.2.2 调试三角波正弦波变换电路（1）接入直流源后，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点；（2）测试V1、V2的电容值，当不相等时调节Rw3使其相等；（3）测试V3、V4的电容值，使其满足实验要求；（4）在C4端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压；6.3 总电路的安装与调试（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，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值大

25、于1V。6.4 调试中遇到的问题及分析与总结方波三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。6.4.1方波-三角波发生器的装调由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，安装电位器Rw与电阻R3之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使R3=30K左右,Rw2取（2.5-70）K内的任一值,否则电路可能会不起振。只要电路接线正确，上电后，Uo1的输出为方波，Uo2的输出为三角波，分别调节电位器R6、R8，可以使得波形的输出幅度满足设计指标要求微调Rw2,则

26、输出频率在对应波段内连续可变。若不能达到效果，则很可能是电路接线错误，应再认真检查。6.4.2 三角波-正弦波变换电路的装调按照电路，装调三角波正弦波变换电路，其中差分发大电路可利用课题三设计完成的电路。电路的 调试步骤如下。 经电容C4输入差摸信号电压Uid=50mv，f =100Hz正弦波。调节Rw4及电阻R10,是传输特性曲线对称。再逐渐增大Uid。直到传输特性曲线形状如图3.2.3.2，记 下次时对应的 Uid即Uidm值。移去信号源，再将C4左段接地，测量差份放大器的 静态工作点Io ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.R3与C4连接，调节Rw3使三角波输出幅度经Rp3等于Uidm值，

27、这时Uo3的出波形应 接近正弦波，调节C6大小可改善输出波形。如果Uo3的波形出现正弦波失真，则应调节和改善参数，产生失真的原因及采取的措施有；(1) 钟形失真 传输特性曲线的 线性区太宽，应减小Re2。如图6.4.2.2.1所示。(2) 半波圆定或平顶失真 传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R。如图6.4.2.2.2所示。(3) 非线性失真 三角波传输特性区线性度 差引起的失真，主要是受到运放的影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形。如图6.4.2.2.3所示 6.4.3 性能指标测量与误差分析放波输出电压Upp<=2Vcc是因为运放输出极有PNP型两种晶体组成复合互

28、补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饮和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出度小于电源电压值。方波的上升时间T，主要受预算放大器的限制。如果输出频率的 限制。可接俄加速电容C1，一般取C1为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量T。器件名称型号参数数量芯片UA747CN2三极管S90184电阻33K1电阻12K1电阻10K6电阻8.2K1电阻6.8K1电阻5.1K1电阻3.3K1电阻2K17 仪器仪表电子元器件明细清单器件名称型号参数数量电阻4501电阻201电位器100K1电位器50K2电位器10K2电位器1001电解电容470uF3电解电容1uF1电解电容100nF1电解电容1nF1电

29、容100nF1电烙铁1锡18 心得体会刚开始的时候，由于对理论知识的学习不是很透彻，不知道从哪里开始入手。所以从童诗白老师的模拟电子技术基础和康华光老师的电子技术基础（模拟部分）找相关的内容，看了三极管，运算放大器等很多内容，从书上的原型有了基本的认识，后来看了谢自美老师的电子线路设计·实验·测试后对函数发生器有了整体的方案和构图。经过网上查阅资料后决定从本报告的设计方案入手。画了电路图，算好了参数，我就开始仿真。可是弄了一天，方波就是没有出来，当时我特别着急，觉得太难了，即使理论都没有错，但是就是出不来波形。又经过了多天的查阅资料和问同学，我开始调电路，后来慢慢地知道了电

30、路的原理，也看到波形了。那时我特别高兴，有了做下去的冲动，那天晚上我没有睡觉。直到把正弦波也调出来。等全部仿真都做完了之后，我去电子市场买电子器件。去了之后才发现，并不是仿真软件上面有的芯片，三极管都能买得到，还得用参数相近的器件代替。从电子市场回来后我查找了很多资料，最终用了几个相近的代替。这让我懂得理论与实际并不是时时刻刻相符的，理论再完美，也要与实际相结合。焊电路时，由于我从来没有碰过电烙铁，不知道怎么用锡把线路连起来，锡珠总是在两个孔上转，总是不能练成一条通路。焊了很久之后才有一点感觉。经过这次课程设计，我对运算放大器，差分放大电路有了更加深刻的理解，对课程设计有了了解，对自己制作电子

31、设计有了浓厚的兴趣。但是更加深刻的是，我理解了“读万卷书，行万里路”这句话的深刻含义。在以后的专业学习中，我将会注重实践，将理论知识应用到实践中去，以便更好的学习知识。9 参考文献（1）电子线路设计·实验·测试 第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社（2）模拟电子技术基础第四版，童诗白 主编，高等教育出版社（3）电子技术基础（模拟部分）第五版，康华光 主编，高等教育出版社（4）晶体管电路设计第一版，铃木雅臣 主编，科学出版社（5）电子技术基础课程设计第一版，孙梅生 主编，高等教育出版社（6）新型集成电路的应用电子技术基础课程设计梁宗善 主编，华中科技大学出版社 教师见习报

32、告总结期待已久的见习已经结束了，在龙岩三中高中部见习听课，虽然只是短短的两个星期，但感触还是蛮深的，以前作为一名学生坐在课室听课，和现在作为一名准教师坐在课室听课是完全不同的感受，感觉自己学到了一些在平时课堂上学不到的东西。在这里，我获得的不仅是经验上的收获，更多是教学管理，课堂教学等的理念，以及他们带给我的种种思考。教育见习实践过程：听课。教育见习的主要目的是让学生在指导教师的引导下，观摩教师上课方法、技巧等。听课是教育见习的主要内容。我院规定在一周的见习中需完成至少6课的见习任务。我在教师的安排指导下，分别对高一、高二物理专业课型为主，其他课型齐头的方式，积极主动的完成了听课任务，收到良好

33、的效果。我听的第一节课是高二（8）班，这是一个平衡班，水平不如实验班高。在上课前。科任老师已经跟我说了这个班的纪律是比较差的，而且成绩也不是很好。在我听课期间，确实有几个学生在课堂上说话，但是我发现了一个有趣的现象，这个现象我在往后的几个班都发现了，就是绝大部分的学生的学习热情都好高涨，积极举手发言，积极参与课堂活动。我跟老师们提起这个现象的时候，科任老师就跟我说，一个班里不可能所有的学生都能全神贯注地听完一节课，所以作为一名教师，应该想办法吸引学生的注意力，调动的积极性，比如可以以小组为单位，以抢答计分的形式调动学生的积极性，这样课堂气氛就会活跃起来了。在为期两周的见习工作中，我真的有很大的

34、感触，我第一次感受到自己已经从一名学生向一名教师靠近，走在校园里，每当有学生叫我一声老师，我在感到无比自豪的同时，还感受到了自己的责任。见习工作结束了，我要回到学校继续我的学习了，但是我会好好记住我从*中学学到的一切，并应用于我的专业学习中去。一、教学管理理念 在龙岩三中，从领导阶层到一位普通的科任老师，都秉承以学生为主体的宗旨进行学校的管理，进行教学工作的开展。作为一个课程改革的示范学校，一个教育实验基地。这所学校鼓励着老师做各种研究，各种改革。每个班主任都有着自己的管理经验与管理宗旨。有了这种思想的自由，自然这里也就充满着探索与尝试，从而有所创造与进步。在我见习的班集体中，班主任对他的学生说：“我要让你们成为学习型的管理者，也是管理型的学习者。”这样一句简单的话，让我感到这里老师进行班级管理的良苦用心。他们关心的不只是学生的学习，更多的是从一个完整的人的概念出发，去培养学生多方面的素质。二、教学理念 在见习期间，借着录课的机会，我听了很多的市级，校级的公开棵，还有理科实验班的课。在这些课堂上，让我看到教学改革正在悄然进行，有意识的老师正在努力体会“以学生为主体”的课堂模式。学生的创造