多功能函数发生器设计系统仿真实验报告（函数发生器）

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。1. 输出频率能在30Hz-2KHz范围内连续可调，无明显失真；2. 方波输出电压Vp12V；3. 三角波输出电压Vp5V；4. 正弦波输出电压Vp11V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。正弦波输出三角波输出方波输出RC正弦振荡器电压比较器差分放大电路RC积分电路图1 电路原理框图本设计为分工合作，我负责的部分为RC正弦振荡器和电压比较器两部分。三、 主要仪器设备名称型号主要性能参数电子计算机Inspiron 3537主频：2.3GHzMultisim12.0提供的虚拟仪器设备四、 实验步骤及操作方法1. RC正弦波振荡电路的设计1.1 RC正弦波振荡电路原理图如下图所示：图2 RC正弦波振荡电路原理图如图所示的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C1 和C2 为0.22F，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_VIRTUAL。R1 、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：f0=12RC=123.14151030.2210-648Hz1.2 RC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：图3 RC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=200mV1.5=3V用频率计检测到产生的正弦波的频率如下图：图4 正弦波频率由上图可知：正弦波频率f48Hz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。2. 频率可调的正弦波振荡电路的设计2.1 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3 k。R5 与可变电阻R6加上0到100nF可变电容C1组成串联回路，R8与可变电阻R9加上0到100nF可变电容C6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，改变电容接入值，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。2.2 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，则可得到下图所示波形：图6 频率可调的正弦波振荡电路的仿真输出信号的频率为：图7 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=10V1.4=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：图8 频率可调的正弦波振荡电路的仿真输出信号的频率为：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=10V1.4=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：图10 频率可调的正弦波振荡电路的仿真输出信号的频率为：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=10V1.4=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24.8 HZ 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。3. 方波产生电路的设计3.1 方波产生电路的设计在本设计中，方波信号的产生是利用电压比较器的原理进行设计的。RC 振荡电路输出的正弦波信号作为电压比较器的输入端，输出即为方波信号。本设计采用的是零电平电压比较器，电路原理图如下：图12 过零电压比较器3.2 方波产生电路的仿真输入的正弦信号如下图所示图16 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17 选项设置输出信号仿真结果如下：图18 电压比较器仿真输出信号由上图可知，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。4. 三角波产生电路的设计 4.1三角波产生电路的设计在本设计中，三角波信号的产生是利用积分电路的原理进行设计的。电压比较器输出的方波信号作为积分电路输入端，积分电路对输入的方波信号进行积分，输出即为三角波信号。其积分电路如下：图19 积分电路 4.2三角波产生电路的仿真输入的方波信号如下图所示图20 输入方波信号在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21 选项设置仿真结果如下图：图22 积分电路输出仿真结果由上图可知，由方波积分得到稳定的三角波约需要5ms的时间，5ms后能够得到稳定的三角波，因此该积分电路能将输入的方波信号转化为三角波信号输出，可用于三角波产生。5. 正弦波产生电路的设计 5.1正弦波产生电路的设计利用差分放大电路的非线性传输特性可以实现三角波正弦波的变换。对于典型差分放大电路的差模传输特性，它的输出电流（电压）与差模输入电压之间的关系符合双曲正切函数的变化规律。当三角波的正负峰值正好对应于差分放大管的截止电压时，晶体管集电极电流接近于正弦波，从而实现了三角波正弦波的变换。差分放大电路原理图如下：图23 差分放大电路5.2 正弦波产生电路的仿真输入的三角波信号如下图所示图24 输入三角波信号在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25 选项设置仿真结果如下图：图26 差分电路输出仿真结果由上图可知，输出信号Vo在1ms后为稳定的正弦波，所以此差分电路能将输入的三角波信号转化为正弦波信号输出，可用于正弦波的产生。6. 总电路设计及仿真6.1 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：图27 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27中，开关S3控制三种波形的输出。在RC正弦振荡电路中，多路开关控制器S1、S2 控制选择C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10 不同的电容值从而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。方波波形产生电路是利用过零电压比较器的原理来实现的，上一部分产生的正弦波信号经过零电压比较器，根据过零电压比较器的原理，输出为方波信号。三角波波形产生电路是利用积分电路的原理实现的，方波信号接到积分电路输入端， 电路对方波信号进行积分， 产生三角波信号。正弦波波形产生电路是利用差分放大电路的原理实现的，三角波信号接到差分电路输入端，输出为正弦波信号。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S3的不同键的端口中，多路开关控制器S3通过同相放大器（如图28）接到输出。当S3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28所示同相放大器用于调节输出信号的幅度。图28 同相放大器6.2 总体电路仿真（1） 分别将开关S1、S2拨到C4、C9处，打开开关S3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29 选项设置仿真结果如下：图30 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，开关S1、S2不变，将开关S3第一个键关闭，打开S3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31 函数发生器发生三角波仿真从图中可得，产生三角波输出电压最大值为Vmax=5V。（3）令开关S1、S2不变，将开关S3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=52.2=11V。五、 实验结果与分析根据6.2中的操作步骤（1）、（2）、(3)的仿真结果，可以得到输出函数信号的种类可通过开关S3控制选择，同相放大器中的可调电阻R18可使输出信号的幅度连续可调，实现了本设计的幅度调节要求。根据2.2对频率可调的正弦波振荡电路输出函数信号仿真结果，可以验证输出函数信号的频率可调，是通过S1、S2 选择控制的，但是不同的波形不失真的频率范围有所不同，经过反