模电课设函数发生器

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书PAGE21课程设计任务书学生姓名：专业班级：通信指导教师：工作单位：信息工程学院题目:函数发生器设计初始条件：示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表，NE5532要求完成的主要任务:一任务：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。二要求：设计制作一个方波－三角波－正选波发生器，频率范围10～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz；正弦波Upp≈3v，三角波Upp≈5v，方波Upp≈14v，幅度连续可调，线性失真小。

时间安排：十八周：查找收集相关资料十九周：初步定下实验方案，进行理论计算，用Multisim仿真二十周：购买元器件，焊电路，写报告指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 3Abstract 41 函数发生器电路的设计 51.1方案选择 51.2器件选择 61.3单元电路的设计 71.3.1方波发生电路的工作原理 71.3.2方波三角波转换电路的工作原理 91.3.3三角波正弦波转换电路的工作原理 111.4电路的参数选择及计算 131.5总电路 142仿真结果及分析 153电路的安装与调试 173.1焊接调试中的问题 173.2性能指标测量与误差分析 173.3实物图 184收获与体会 195元器件清单 21

摘要函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。其电路中使用的器件可以是分立器件（如低频函数信号发生器S101全部采用晶体管），也可以是集成电路（如单片集成电路函数发生器ICL8038）。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，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换成三角波；也可以先产生方波--三角波，再将三角波变换成正弦波。本设计中依靠自激振荡产生正弦波，利用施密特触发器原理组成多谐振荡器方波方波，将方波积分产生三角波。该电路能实现正弦波、三角波的幅值、频率可调，方波频率、占空比可调。

AbstractFunctionGeneratorisabletogenerateavarietyofwaveforms,suchasthetrianglewave,sawtooth,rectangularwave(includingsquare),sinewavecircuit.Functiongeneratorexperimentsandequipmenttestingatthecircuithasaverywiderangeofuses.Throughtheprincipleofthefunctionwaveformgeneratorandthecompositionanalysis,canbedesignedtobeabletochangeoutofatriangularwave,sinewave,squarewavefunctionwaveformgenerator.Thecircuitusedinthedevicecanbediscretedevices(suchasthelow-frequencysignalgeneratorS101functionusedinalltransistors),itcanbeintegratedcircuits(suchasthemonolithicintegratedcircuitfunctiongeneratorICL8038).Generatesine,square,trianglewaveavarietyofprograms,suchascreatedinthefirstsinewave,andthenshapingcircuitwilltransformintoasquarewavesinewave,squarewavebytheintegralcircuitwillbetransformedintothetrianglewave;alsobecreatedinthefirstsquare---triangularwave,andthentransformintoatriangular-wavesinewave.Thedesignofrelyingonself-oscillatingsinewavegeneratedusingtheprincipleofthecompositionoftheSchmitttriggermultivibratorsquarewavesquarewavetrianglewavewillproducesquarepoints.Thecircuitcanachievesinewave,trianglewaveamplitude,frequencyadjustable,square-wavefrequency,dutycycleadjustable.

函数发生器电路的设计1.1方案选择方案一:方波——三角波——正弦波图1-1方波、三角波、正弦波、信号发生器的原理框图首先由LM324多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。系统采用双电源供电，主体部分由LM324集成运放芯片构成的滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器电路组成。它由滞回比较器产生方波信号，方波信号经过积分器后产生三角波信号。三角波信号一路反馈回滞回比较器，作为滞回比较器；另一路经二阶有源低通滤波器滤波以后产生正弦波信号。使用时可以在电路系统的不同输出点得到不同的波形信号。方案二：正弦波——方波——三角波-原理框图：积分电路电压比较器RC正弦波振荡电路积分电路电压比较器RC正弦波振荡电路图1-2正弦波、方波、三角波信号发生器的原理框图RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法，电路框图如上。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。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。方案一的电路结构、思路简单，运行时性能稳定且能较好的符合设计要求，且成本低廉、调整方便，关于输出正弦波波形的变形，可以通过可变电阻的调节来调整。而方案二，关于三角波的缺陷，不是能很好的处理，且波形质量不太理想，且频率调节不如方案一简单方便。综上，我们选择方案一。1.2器件选择器件1：采用ICL8038集成函数信号发生器芯片外加电阻、电容元件，构成波形发生电路。ICL8038集成函数信号发生器芯片是一种多用途的波形发生器芯片，它可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波。它的振荡频率可以通过外加的直流电压进行调节，是一种压控集成函数信号发生器。虽然ICL8038集成函数信号发生器的功能强大，但是它的价格昂贵，而且市面上也较难买到。如果用ICL8038芯片来制作简易波形发生器系统，则会大大增加系统的制作成本。器件2：采用LM324集成运放芯片，外加电阻、电容等元器件调整、滤波，构成简易波形发生器。LM324是一种集成运算放大器芯片，它的内部有四个独立的运算放大器。根据所学的知识，运算放大器可以构成滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器电路，可以分别产生方波、三角波和正弦波。依靠这些电路的组合，就可以制作成简易波形发生器电路。该电路具有效率高、体积小、重量轻，输出稳定等特点。而且LM324集成运放芯片价格低廉，可以降低电路的制作成本。基于这种考虑，器件2可被选用。LM324芯片简介：LM324是由四个独立的运算放大器组成的电路。它设计在较宽的电压范围内单电源工作，但亦可在双电源条件下工作。本电路在家用电器上和工业自动化及光、机、电一体化领域中有广泛的应用。其特点如下：有宽的单电源或双电源工作电压范围；内含相位校正回路,外围元件少；电压输出范围宽；共模输入电压范围宽。LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装（DIP14），外形如图3所示：图1-3LM324外型图片它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图2所示的符号来表示：图1-4LM324内部的运放单元在电路中的符号它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图5：图1-5LM324引脚图由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。器件三：NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器。相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。该仪器是由两个独立的运算放大器组成的电路，本实验可与LM324替代使用。且价格低廉，易买到，也在选择范围内。1.3单元电路的设计1.3.1方波发生电路的工作原理此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。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,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。 图1-6比较器电压传输特性图1-7方波产生原理图

1.3.2方波三角波转换电路的工作原理C2C2图1-8方波—三角波产生电路±UT=±(R2×Uo2m)／(R3+Rp1)T=4R2(R4+Rp2)C1／(R3+Rp1)工作原理如下：若R4与RP2交点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C2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，如图1-6所示。交点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R17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。图1-9方波产生三角波原理图交点闭合，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。

1.3.3三角波正弦波转换电路的工作原理图1-10三角波正弦波转换电路图三角波——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——差分放大器的恒定电流；——温度的电压当量，当室温为25oc时，UT≈26mV。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：传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。图为实现三角波——正弦波变换的电路。其中R13调节三角波的幅度，R7调整电路的对称性，其并联电阻R8用来减小差分放大器的线性区。电容C2,C3,C4为隔直电容，C1为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。图1-11三角波—正弦波变换电路图1-12方波三角波变换图1.4电路的参数选择及计算1）方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一）实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。2）三角波-正弦波部分比较器A1与积分器A2的元件计算如下。由即取，则，取，RP1为100KΩ的电位器。区平衡电阻由式（3-62）即当时，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C2、C3、C4要取得较大，因为输出频率很低，取，滤波电容C1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。R7=50欧与RP4=50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RP3及电阻RP4确定.1.5总电路图1-12总电路图先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。

2仿真结果及分析在Multiuse运行本电路图得到的方波，三角波，正弦波如下图所图2-1方波仿真图在仿真中，方波的幅值为14V，比要求中的高，但是在实际中加了一个电位器使方波幅度可调且范围为0到14.1V，符合要求。在仿真中方波的上升时间较大，在实际焊接中，加了一个加速电容使仿真的上升时间得意控制，符合题目要求。

图2-2三角波仿真图图2-3正弦波仿真图由方正波形可以看出，三角波，正弦波的线性失真小符合题目要求。且三角波正弦波幅度连续可调，符合题目要求。频率在题目要求范围内可调。3电路的安装与调试3.1焊接调试中的问题1、在实际焊板子的时候遇到了仿真中没有的问题，如LM324使用中因为焊接失误导致烧毁，只能用于其相近的芯片NE5532代替，但是Multisim仿真中没有NE5532，因此仿真仍然用了LM324.第一块实物焊接作品调试出现较大失真，达不到任务要求，因此综合经济、时间等因素，就近寻找元件进行了第二次焊接。2、方波的峰峰值过低或者过大，通过改变输入电源的值，最终得到满足要求的峰峰值。3、板子的焊接过程中做大的问题就是调节静态工作点。开始的时候静态工作点调不好，导致产生的正弦波不对称，后来又在镜像恒流源加了一个电位器使静态工作点调试成功，从而正弦波使上下对称。3.2性能指标测量与误差分析 1、方波输出电压Upp=14V，是因为运放输出极有PNP型两种晶体组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与导通，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。2、三角波的输出电压主要受比较器的门限宽度的限制3、为使输出波形更接近正弦波，要求传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。三角波的幅度Um应正好使晶体管截止电压。4、测得数据3.3实物图图3-1调试成功的实物装备面俯视图图3-2调试失真较大的第一份焊接实物4收获与体会模电课设一闪而过，回顾这几天的辛苦摸索，心中不免感慨良多。最初的时候，multisim的学习也不是那么顺利由于是全英文的界面，后来在各种找资料的帮助下组建有了些头绪，知道了如何选择元件，如何搭建电路，随着一步一步深入的学习了解，越发的觉得multisim的强大与实用，也越发的觉得自身学习的不足，也越来越明白书山有路勤为径，学海无涯苦作舟的至理名言，然后我对multisim进行更加深入的了解与应用，也学到了很多。用仿真软件修改元件参数，调试数据过程也很艰辛，在调试中也增进了对元件作用的理解。通过本次设计，加强了自己的理论水平，提高了自己的动手能力，学