函数发生器仿真试验报告

多功能函数发生器设计一、实验目的和要求设计出能产生方波、三角波、正弦波信号的各单元电路，并利用multisim仿真对其中各参数进行调试，在各单元电路设计完成之后，再将他们连接起来。最后通过多路开关控制器的作用，拨动开关不同键，选择不同的参数值，从而可以实现输出函数信号种类的可选择性，以及输出函数信号的频率可调、幅度可调。.输出频率能在30Hz-2KHz范围内连续可调；.方波输出电压VpW12V；.三角波输出电压VpW5V；.正弦波输出电压VpW11V二、实验原理和内容本设计首先利用RC正弦波振荡电路产生一个正弦波，正弦波通过电压比较器产生方波，方波通过积分电路形成三角波，最后三角波通过差分电路产生可输出的正弦波。电路原理框图如下。图1电路原理框图注：本设计为分工合作，我设计的部分为RC正弦振荡器和电压比较器两部分，RC积分电路和差分放大电路为田晓蕾同学设计。三、主要仪器设备名称型号主要性能参数电子计算机Inspiron3537主频：2.3GHzMultisim12.0提供的虚拟仪器设备1四、实验步骤及操作方法.RC正弦波振荡电路的设计图2RC正弦波振荡电路原理图1.1RC正弦波振荡电路原理图如下图所示:XSC】R4lOOkD60Key=A5图2RC正弦波振荡电路原理图1.1RC正弦波振荡电路原理图如下图所示:XSC】R4lOOkD60Key=A51OOk0D2-W-1N4001匚，O.22|JF[k ：]：S0kDVEE VIRTUALXFC1D11N4001R5R115kQVEEJlWvccUI如图所示的RC正弦波振荡电路，根据设计要求采用电阻值均为15k。的R1,R2,可调电位器R4的总阻值为100k。。电容C1ffC2为0.22uF,D1,D2是型号1N4001的二极管，用来保护电路，采用的集成运放为OPAMP_5T_VIRTUALR1、C1、R2、C2组成RC串并联网络形成正反馈，运放、R4、R5、D1、D2组成同相比例放大器，D1,D2具有稳幅作用。在此电路中，由RC串、并联网络组成正反馈支路和选频网络，这部分电路决定了电路的振荡频率；由R4、D1、D2和R5组成负反馈支路和稳幅环节。负反馈电路控制运算放大器的增益。反馈过深，不易起振，反馈过小，容易造成波形失真。适当调节可变电阻R4的值，使电路能够起振，并输出为正弦波信号，其中D1、D2的非线性作用可实现电路稳幅。并联电阻R5有改善二极管非线形引起波形失真的作用。根据RC文氏电桥振荡电路的理论参数，可以计算的电路的振荡频率为:

f= —=-—— —— —— ~48Hz」。2nRC2x3.14x15x103X0.22x10-61.2RC正弦波振荡电路的仿真用Multisim12对电路进行仿真，打开示波器，发现示波器中有微弱波形，近似直流信号，振荡电路开始起振，上述微弱波形慢慢明显，振荡逐渐增强，再过一段时间，这种振荡波形信号逐渐增强，并趋于稳定，有固定的振荡频率与幅度值，如下图所示:Ypos.fpiv)Oscilloscope-XSCIChanneA200mV/DivScale:Xpos.(piv):TimebaseScale:(20ms/DivExt.triggerTZ^TlChannel_A122,750mV122,750mV0.000VChannel_BChannelBScale:ReverseSaveYpos.fpiv)Oscilloscope-XSCIChanneA200mV/DivScale:Xpos.(piv):TimebaseScale:(20ms/DivExt.triggerTZ^TlChannel_A122,750mV122,750mV0.000VChannel_BChannelBScale:ReverseSaveBExtYpos.flDiv):0恒回回已Tme1.280s1.280s0.000sLevel:0VSingleNormalAutnNoneTriggerEdge:图3RC正弦波振荡器仿真从图中可得出产生的正弦波电压最大值：Umax=200mVX1.5=3V用频率计检测到产生的正弦波的频率如下图：图4图4正弦波频率由上图可知：正弦波频率f'48Hz于是可得，理论参数算得的振荡频率与实际仿真频率数据一致。.频率可调的正弦波振荡电路的设计频率可调正弦波振荡电路原理图如下图所示：图5频率可调的正弦波振荡电路在RC正弦波振荡器电路上改装成上图所示的频率可调的正弦波振荡电路。在上图中，R1，R2，R3，R4组成反馈网络，D1，D2起稳定的作用。取R1=R2=R3=10k。，为了使电路能够起振，R4取3kQ°R5与可变电阻R6加上电容值为0到100nF的可变电容C1组成串联回路，R8与可变电阻R9加上电容值为0到100nF的可变电容C2组成并联回路，整个部分构成RC串并联回路。为了使输出正弦波信号的频率可调，在RC串并联回路中，采用可变电容，改变电容接入系数，即可改变输出信号的频率。可变电阻R6,R9可实现振荡电路输出信号频率的微调。频率可调正弦波振荡电路的仿真(1)令可变电容C1、C2接入值分别为1%,调节可变电阻R6、R9为适当阻值，则

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输出信号的频率为:图7产生正弦波的频率止匕时，从仿真结果图中可得出输出信号电压最大值为：Vp=10VX1.4=14V。输出信号频率为：f=2.447kHz。（2）令可变电容C1、C2接入值分别为10%，调节可变电阻R6、R9为适当阻值，则可得到下图所示波形：

输出信号的频率为:图9产生正弦波的频率此时，从仿真结果图中可得出输出信号电压最大值为：Vp=10VX1.4=14V。输出信号频率为：f=248.2Hz。（3）令可变电容C1、C2接入值分别为100%，调节可变电阻R6、R9为适当阻值，则可得到下图所示波形：

输出信号的频率为:图11产生正弦波的频率此时，从仿真结果图中可得出产生的正弦波输出电压最大值为：Vp=10VX1.4=14V。输出信号频率为：f=24.8Hz。由上述步骤（1）、（2）、（3）对电路图5的仿真结果可知，经改装后的RC正弦波振荡电路可产生不同频率的正弦波，通过可变电容C1、C2对频率进行粗调，通过调节可变电阻R6、R9可对频率进行细调。频率可达到在24.8HZ到2.447KHZ内可调，但所产生的正弦波都有一定程度的失真，所以不能用于输

出，由于其仍具有对称特性，所以可通过电压比较器产生方波。.方波产生电路的设计方波产生电路的设计RC振RC振本设VCC瓯”地心R2：他由D1★lNd71.lA-15VVEEVCC瓯”地心R2：他由D1★lNd71.lA-15VVEE图12过零电压比较器方波产生电路的仿真输入的正弦信号如下图所示Functiongenerator-X...WauefermsCommcin+WauefermsCommcin+图13输入正弦信号在multisim12仿真中，利用瞬态分析法分析输出信号，选项设置如下图:图14选项设置输出信号仿真结果如下:"rcnsiaTtA^dysisTrcnsiErtArdvstsTrariientAndvsisTransientAndysisTr-s^sent]Tr-arsenzAnolyiisTrsrmerit£*fangboTransientAnalysisWW&四石>D 5m 10m 15m 2Qm 25mTime图胆业i_SelectedTrace:V(vo]图15电压比较器仿真输出信号9由上图可知，此电压比较器能将输入的正弦波信号在一定时间后转化为稳定的方波信号输出，可用于方波产生。.总电路设计及仿真总体电路设计根据设计思想，首先由RC正弦波振荡电路产生一个正弦波；再通过零电压比较器，产生方波；将方波信号接到积分电路的输入端，产生三角波；最后将三角波信号接到差分放大器的输入端，产生可输出的正弦波。根据这一原理，将各单元电路按RC正弦振荡器-方波发生器-三角波发生器-正弦波发生器的顺序连接起来，组成多功能函数信号发生器。总电路图如下：（其中积分电路和差分方大器为另一同学田晓蕾设计）图16函数发生器设计总电路函数信号发生器能产生方波、三角波、正弦波三种波形，在图16中，开关S1控制三种波形的输出。在RC正弦振荡电路中，通过调节可调电容C1、C2接入系数可以改变输出信号的频率。R6、R9为可变电阻，调节R6、R9可进行输出频率的微调。在输出函数信号波形选择的上，方波信号输出、三角波信号输出、正弦波信号输出分别连接到多路开关控制器S1的不同键的端口中，多路开关控制器S1通过同相放大器（如图17）接到输出。当S1打开第一个键时，输出为方波信号，打开第二个键时，输出为三角波信号，打开第三个键时，输出为正弦波信号，图17所示同相放大器用于调节输出信号的幅度，可通过调节电位器R18实现。10

总体电路仿真(1)打开开关S1的第一个键，这时选择方波信号输出，令同相放大器中可变电阻接入比例为100%,利用瞬态分析法进行分析，其选项设置如下：图18选项设置11

仿真结果如下:GrapherView 一口・FileEditUinGraphTraceCurccrfLegendToolsHelpj22>,曲旦阿□ik 人©国❷q商匐咱j22>,曲旦阿□ik 人©国❷q商匐咱aj”京：□国Osdloscape-XSC5|OsdhscDpe-XSCa]TrareiHilAnalysis|Transientdialysis|Tra_6feiHArahsfc|Tianaent川汨海£Transient/hsfsqTransientAnalysis15.2.aT17.5m10.0m0.0S.GniTime(5)胭也」SelectedDiagram:TransientAnalysis图19函数发生器发生方波仿真从图中可得，产生方波输出电压最大值为Vmax=12V。（2）打开仿真电路开关，将开关S1第一个键关闭，打开S1的第二个键，这时选择三角波信号输出，观察示波器，有如下波形:图20函数发生器发生三角波仿真12从图中可得，产生三角波输出电压最大值为Vmax=5V。(3)将开关53第二个键关闭，打开S3的第三个键，这时选择正弦波信号输出，观察示波器，有如下波形：图32函数发生器发生正弦波仿真从图中可得，产生三角波输出电压最大值为Vmax=5x2.2=11Vo.元器件清单Qu苜口tityI DeszipiioriRefDesPackage■qRESISTOR.LDkaRLrR^R3rR5rR7rRUarRH.RL5.RiPQi.-JER_93LRCESrVCCUCCGenericiPQl-JER_90LJRCESrVEEVEEGenericiRESISTOR.RL1iPQi.-JER_93LRCESrGROUNDrGenericiRESISTOR.9gRL2iRESISTOR.15LORL3iCAPACITOR.IZDrFCL1丁3□PAM='_?TJ/IR7lKiL,aPAMP_5T_V[FlTUALU4PU5PU6GenericLJ4RESISTOR.LkDRLfirR19r史20,R2S771pofTEr'jnaMFTERP50tnRLB-7RESISTOR.LOtnR21PR22PR23.R2£gR酝RZ713CAPACITOR.LpFCL2PC13rC14LT1RESISTOR.R29~lF1POfTHECIMF正LLOtnR3DLn1RESISTOR.3kflR4TF7porcrE口昨正心ZADkflR6PR9TT1RESISTOR.LBkQR3LT72ENER,12VDLrD2Generic772XIARIAELEjZAPACrraR