波形发生器设计

1、课程设计任务书学生姓名：一专业班级：自动化指导教师： 工作单位： 题 目：波形信号发生器初始条件：可选元件：运算放大器，三极管，电阻、开关、电容若干，等自选元器件。可用仪器：示波器，万用表，频率计等要求完成的主要任务：(1 )设计任务设计一台波形信号发生器。(2)设计要求1、输出波形：方波、三角波、锯齿波、正弦波、阶梯波。2、频率范围：1Hz10Hz，10Hz100Hz，100Hz1KHz，1KHz10KHz 等四个波 段。3、频率控制：通过改变RC时间常数手控信号频率。4、方波峰峰值020V之间可调，三角波峰峰值在05之间可调，正弦波峰峰 值大于1V。5、用分立元件和运放设计一个波形发生器，

2、要求用Multisim或Protel进行电路仿真。时间安排：1、2010年6月7日至2010年6月28日，完成仿真设计、制作与调试；撰写课程设计报 告。2、2010年7月1日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。设计的作用、目的1、根据从稳定性、可靠性、实用性、经济性选择电子线路和电子器件，找到合 适的功能电路；2、通过网络查阅和图书馆资料，培养独立分析问题和解决实际问题的能力；3、掌握常用元器件的识别和测试4、熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法指导教师签名：年 月 日 系主任(或责任教师)签名: TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark15 o Curren

3、t Document 1函数发生器的总方案及原理框图（1）1.1电路设计原理框图（1）1.2电路设计方案设计（1）2设计的目的及任务（2）2.1课程设计的目的（2）2.2课程设计的任务与要求（2）2.3课程设计的技术指标（2）3各部分电路设计（3）3.1方波发生电路的工作原理 （3）3.2方波-三角波转换电路的工作原理（3）3.3三角波-正弦波转换电路的工作原理（6）3.4电路的参数选择及计算（8）3.5总电路图（10）4电路仿真（11）4.1方波-三角波发生电路的仿真（11）4.2三角波-正弦波转换电路的仿真（12）4.3仿真结果分析 （12）5电路的安装与调试 （13）5.1方波三角波发生

4、电路的安装与调试（13）5.2三角波-正弦波转换电路的安装与调试（13）5.3总电路的安装与调试 （13）5.4电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法（13）6电路的实验结果（15）6.1方波-三角波发生电路的实验结果（15）6.2三角波-正弦波转换电路的实验结果 （15）6.3实测电路波形、误差分析及改进方法（16）7实验总结（17）8仪器仪表明细清单（18）9参考文献（19）函数发生器总方案及原理框图1.1原理框图1.2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

5、以是分立器件（如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）。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晶体管差分放大器共同组成的方 波一三角波一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RC振荡产生正弦波，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 首先产生三角波一方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课 设采用先产生方波一三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：由比较器和积分器组成方波一三角波产生

6、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。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。课程设计的目的和设计的任务2.1设计目的1、根据稳定性、实用性、经济性选择电子线路和电子器件，找到合适的电路2、通过网络查阅和图书馆资料，培养独立分析问题和解决 实际问题的能力；.掌握常用元器件的识别和测试.熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法2.2设计任务设计方波一一三角波一一正弦波函数信号发生器2.

7、3课程设计的要求及技术指标1 .输出波形：正弦波、方波、三角波；频率范围：1Hz10Hz, 10Hz100Hz, 100Hz1KHz,1KHz10KHz。输出电压：方波UpW20V，三角波Up_p=5V，正 弦波 Up_p1V；各组成部分的工作原理3.1方波发生电路的工作原理3.2方波-三角波转换电路的工作原理R4R (R + R )C士U = R R U T =24p21,2,3,43 pl3 pl方波一三角波产生电路工作原理如下：若R2下侧端点断开，运算发大器LM101AH1与R2及R3、RP1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为平衡电阻。

8、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u =二(+V)+ R+Rp U = 0 TOC o 1-5 h z + R + R + RP cc R + R + RP ia 231231将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为R,、，、- Ria- - R + RP M CC - R + Rp CC 3131若Uo1=-Vee则比较器翻转的上门限电位Uia+为v-R, “、 Ria+ -

9、 R + RP EE - R + R CC 3131比较器的门限宽度U = U - U = VccTH TH 1 TH 2 R + R由以上公式可得比较器的电压传输特性，如下图所示。a点断开后，运放LM101AH2与R4、RP2、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U。2为U 2 =,叩422U = +V 时，U =(+匕C) t =-cc1O1CCO2 (R + RP )C(R + RP )C422422U =-V 时，U = -(-VEE)t =VCC1O1EE o2 (R + RP )C(R + RP )C422422可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速

10、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U =一 VO 2 m R + RP CC方波-三角波的频率f为工 R + RP f =314R (R + RP )C2 42 2由以上两式可以得到以下结论：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实现频率微调。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。3.3三角波-正弦波转换电路的工作

11、原理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：I = al =C 2 E 21 + eL / UTlC广 aIE广 1 + d /UT式中a = IC /Ie机110差分放大器的恒定电流；U 温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mVo 如果Uid为三角波，设表达式为U =idf4U (t-9k 4 J3T ) t -k 4 JmT-4U (mT(T 0 t -k2(T)5 t Tk2J式中Um三角波的

12、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）图为实现三角波一一正弦波变换的电路。其中R12调节三角波的幅度，R14调整电路的对称性，其并联电阻R16用来减小差分放大器的线性区。 电容C8,C9,C11为隔直电容，C10为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输 出波形。三角波-正弦波变换三角波-正弦波变换3.4 直 流 稳 压 电 源 部 分：R51N4001R8 50Q50%R51N4001R8 50Q50%Key=A使用直流稳压电源替代Vcc, Vee，将使所加电源可调，从而调整方

13、波的幅度。3.5电路的参数选择及计算方波-三角波部分:由式u 由式u =一R v02m R + R cc得：堂一=L=兰=1 R3 + R 2 VC 20 4R + R+ R 2)C2取 R2=10K O，则 R3+Rp1=40K O，选择 R + R+ R 2)C2取平衡电阻 R1 = _【=10k Q，由式 f =R2 + R3 + R 1T 4( R得 R4+Rp2= % + Ri4牛C 2当 1Hz f 10Hz 时，取 C2=10uF，则 R4+Rp2=100K、一10KO，选择 R4=5k O和 Rp2=100KO当 10Hz f 100Hz 时，取 C2=1uf，则 R4+Rp2

14、=100K、10KO，选择 R4=5kO 和 Rp2=100KO，平衡电阻 R6=150kO当 100Hz f 1KHz 时，取 C2=0.1uf，则 R4+Rp2=100K、一10K O，选择R4=5kO和 Rp2=100KO，平衡电阻 R6=150kO当 1KHz f 20K。，根据ri=2（rbe+Rb1）得Rb16.6KO，故取Rb1=Rb2=10KO。因为要求输出的正弦波的峰 峰值大于1V，所以，应使差动放大电路电压放大倍数Au40。根据Au的表达式:，_ P R - Au =1l12% + r可求得电阻RL，先取Rc1=Rc2=15K。对于恒流源电路，其静态工作点及元件参数计算如下

15、：0 2 = 10KQ + 0切 n R + R = 70 2 = 10KQR 2 + R2 eE发射极电阻一般取几千欧，这里选择Re3=Re4=2k。，所以，R2=7k。直流稳压电源：C2=C5=2.2mF的电解电容，耐压应大于16X1.4=22.4V，取25V。C3=C4=220uF，耐压大于 12X1.4V=16.8V,取 25V。整体电路图1、 仿真（4）、直流稳压电源的调试调节滑动变阻器R6,R8，改变端口输出的电压值，其变化在020V变化内。麻万用表-XMM3零万用麻万用表-XMM3零万用表-XMM22、（1）方波一三角波发生器仿真由于比较器A1与积分电路A2组成正反馈闭环电路，同

16、时输出方波与三角波， 所以，这两个单元同时安装。安装完成后，只要接线正确，就可以通过测量与调 试。通电后，用示波器观察Uo1与Uo2（如下图）。改变供电电源的电压，即方波的幅值电压:保持方波的幅值不变，调节Rp1改变三角波的幅值调节Rp2微调频率切换电容C,改变频段:C=10uFC=1uF :C=0.1uF：C=0.01uF：(3)、三角波一一正弦波转换电路三角波一一正弦波变换电路利用差分放大器电路来实现。电路的调试步骤如 下：差分放大器传输特性曲线调试。将C9与R12的连线断开，经电容C9输入差模 信号电压正弦波。调节R12及电阻R19,使传输特性曲线对称。再逐渐增大Vid， 直到其如原理图

17、所示。记下此时对应的峰一峰Vid。移除信号源，测试静态工作 点。三角波一正弦波变换电路调试。将R12与C9连接，调节R12使三角波的输出 幅度(经R12后输出)等于Vidm值，这时Vo的波形应接近正弦波，调整C10， 改善波形。调节见下。为了得到正确的正弦波，需要设定一系列的参数，要选择合适的频率。而 仅仅这样仍可能出现失真波形。若出现钟形失真，那么传输特性曲线的线性区太 宽，应减小R16。若出现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R14.若非线性失真，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3、PCB版

18、电路的制作过程5总结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（如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8038）。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晶体管差分放大器共同组成 的方波一三角波一正弦波函数发生器的设计方法。采用先产生方波一三角波，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一三角波产 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

19、由差分放大器来完成。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.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。先设计方波-三角波发生 器，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RP1与RP2之前，要 先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使Rp1=10KQ,Rp2取 （2.5-70） KQ 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，U02的输出为三角波，微调Rp1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求有， 调节rP2,则输出频率在对应波段内连续可变。再设计并连接三角波-正弦波变 换电路，对电路中电阻进行参数设定，并在电路中进行调试直至出现正弦波。6心得体会通过对函数信号发生器的设计，我深刻认识到了 “理论联系实际”的这句话 的重要性与真实性。而且通过