《模拟电子技术基础》课程设计说明书-函数发生器的设计.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级：电子科学与技术0803班指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 函数发生器的设计 初始条件： 可选元件：双运放a741两只，双三极管3dg130两对，电阻、电位器、电容若干，直流电源vcc= +12v，vee= -12v，或自备元器件。可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表要求完成的主要任务: （1）设计任务根据已知条件，完成对方波三角波正弦波发生器的设计、装配与调试。（2）设计要求 频率范围10100hz，100 hz1khz，1 khz10 khz；正弦波upp3v，幅度连续可调，线性失真小。三角波upp5v，幅度连续可调，线性失真小。方波upp14v，幅度连续可调，线性失真小。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用pspice或ewb软件完成仿真） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。时间安排：1、 2010 年1月18日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。2、 2010年1月18日 至2010年1月21日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。3、 2010 年1月22日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日i武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书目录摘 要i1 绪 论.12 设计任务及要求22.1设计任务.22.2设计要求.23 函数信号发生器设计方案论证.33.1函数发生器的应用意义.33.2函数信号发生器的要求及技术指标.33.3设计方案论证.33.4总体设计方案框图及分析.44 函数信号发生器各单元电路设计.54.1方波产生的电路图及元件参数的确定.54.2方波和三角波转换的电路图及元件参数的确定.54.3正弦波产生电路及元件参数的确定.74.4系统电路的集成.85 电路模拟及结果分析.95.1用multisim模拟电路.95.2结果分析106 电路的安装与调试.116.1方波三角波电路的安装与调试.116.2三角波正弦波转换电路的安装与调试116.3总电路的安装与调试116.4调试中遇到问题及解决的方法127 课程设计心得体会.13参考文献.14附录i 元件清单.15附录ii 整体电路图.16摘要 信号发生器广泛应用于电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域。采用集成运放和分立元件相结合的方式，利用迟滞比较器电路产生方波信号，以及充分利用差分电路进行电路转换，从而设计出一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易信号发生器。通过对电路分析，确定了元器件的参数，并利用multisim软件仿真电路的理想输出结果，克服了设计低频信号发生器电路方面存在的技术难题，使得设计的低频信号发生器结构简单，实现方便。该设计可产生频率段分别在10100hz、1001khz、1k10khz的各波形输出，并已应用于实验操作。 关键词：函数信号发生器，方波信号，电路仿真，迟滞比较器abtractsignal generator is widely applied in electronic engineering, communication, remote control, automatic control, measuring instruments, meters and computer technology. using op-amp integrated with division element, using a combination of hysteresit comparator circuit, and fully utilize torque-current signal circuit differential circuit design a conversion, thus can transform a triangular, square, the simple sinusoidal signal generator. through the analysis of the components, and determine the circuit parameters, and use the software simulation circuit multisim output, overcome the ideal frequency signal generator circuit design aspects of technical problems, the design of simple structure, low frequency signal generator. this design can produce pinlvduan respectively in 10 100hz, 100 10khz 1khz 1k, the output waveform and the experimental operation has been applied.keywords: function signal generator, pulse signal, circuit simulation, hysteresit comparator1绪 论 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也可以是集成电路。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用有集成运算放大器与晶体差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。具体方法是由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，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。 现代社会的电子科技技术日新月异，这就要求我们有独立思考、理论联系实际、勇于创新的能力。此次模电课程设计为我们提供了良好的实践平台，也为我们走向社会奠定了良好的基础。通过此次设计，我们能将理论知识很好的应用于实践，不仅巩固了书本上的理论知识，而且锻炼了我们独立查阅资料、设计电路、焊接电路板、独立思考的能力。希望自己能够充分利用此次机会，更加深刻的了解课本上的知识以及培养自己的动手能力。 2设计任务及要求.2.1设计任务 （1）设计并制作能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的波形发生器；（2）设计、组装并调试电路。.2.2设计要求（1）输出的各种波形工作频率范围 10100hz，1001khz，1khz10khz ;正弦波upp3v，幅度连续可调，线性失真小;三角波upp5v，幅度连续可调，线性失真小;方波upp14v，幅度连续可调，线性失真小;（2）选择电路方案，完成对确定方案电路的设计;计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理;（3）安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。3 低频信号发生器设计方案论证.3.1函数发生器的应用意义 函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。.3.2函数信号发生器的要求及技术指标.3.2.1 要求 现设计并制作能产生方波、三角波及正弦波等多种波形输出的信号发生器。.3.2.2 技术指标(1)输出的各种波形工作频率范围为10100hz，1001khz， 1khz10khz 。(2)正弦波峰峰值3v，幅度连续可调，线性失真小。(3)三角波峰峰值5v，幅度连续可调，线性失真小。(4)方波峰峰值14v，幅度连续可调，线性失真小。 .3.3 设计方案论证(1)积分器可以将方波转换成三角波; 比较器可以将三角波转换成方波，因此将两者串联起来后，构成闭合回路，就可以产生三角波和方波。(2)三角波经低通滤波器滤波后就可得到正弦信号，改变积分器的时间常数就可以得到正弦波。.3.4 总体设计方案框图及分析 (1)方波和三角波的产生 方波三角波正弦波信号发生器电路有运算放大器及分立元件构成，其结构如图1所示。他利用比较器产生方波输出，方波通过积分产生三角波输出， 三角波通过差分放大电路产生正弦波输出。 (2)利用差分放大电路实现三角波正弦波的变换波形变换原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性，波形变换过程如图2所示。由图2可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好；三角波的幅度uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。 4函数信号发生器各单元电路设计.4.1 方波产生的电路图及元件参数的确定.4.1.2 方波产生的电路 图3 方波产生电路图.4.1.2 元件参数的确定 图3中u1构成同相输入迟滞比较器电路，用于产生输出方波。负反馈rp5具有调频作用，可用于调节方波的频率。为了拓宽输出方波的频率范围故rp5=50k，c1、c5为滤波电容，可选为0.1uf，其他电阻的阻值应根据方波三角波转化来确定.4.2 方波和三角波转换的电路图及元件参数的确定.4.2.1 方波和三角波转换的电路图 图4 方波三角波转换的电路图.4.2.2元件参数的确定(1) 图4中u1构成同相输入迟滞比较器电路，用于产生输出方波。负反馈rp5具有调频作用，可用于调节方波的频率。运算放大器u2与电阻rp2及电容构成积分电路，用于将u1电路输出的方波作为输入，产生输出三角波。(2) 图中r6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。若要求频率较宽，可以调节rp5 (负反馈中的rp5就有调频作用)，也可以靠 更换c2、c3、c4来改变频率。(3)方波部分与三角波部分的参数确定如下：根据性能指标可知，由可见，f与c成反比，若要得到10100 hz输出，c=1f若要得到1001khz输出，c3=0.1uf；若要得到1k10khz输出，c4=0.01uf。此时，r4+rp2=7575，若取r4=51，则rp2=2.4 或者rp2=699 ，因为rp2=100时，根据输出的三角形幅值5 v和输出的方波幅值14 v，若有：r2(r3+rp1)14=5r2(r3+rp1)=514时，r2=10 ，则有 rp1=50，r3=20。根据方波的上升时间为2 ms，可以选择74141型号的运放。由此可得调整电阻为：.4.3正弦波产生电路及元件参数的确定.4.3.1正弦波产生的电路图图5 正弦波产生电路图.4.3.2元件参数的确定(1).图5中r9调节三角波的幅度，rp4调节电路的对称性，其并联电阻re2用来减小差分放大器的线性区。电容c6、c7、c8为隔直电容，c9为滤波电容，一滤除谐波分量，改善输出波形。(2)由于选取差分放大电路对三角波一正弦波进行变换根据晶体管的静态特性曲线，选取静态工作区的中心静态电流和电压分别为：根据直流通路有： (3)因为静态工作点已经确定，所以静态电流变成已知。根据kvl方程可计算出镜像电流源中各个电阻值的大小：图中r9调节三角波的幅度，rp4调节电路的对称性，其并联电阻re2用来减小差分放大器的线性区。电容c6、c7、c8为隔直电容，c9为滤波电容，一滤除谐波分量，改善输出波形。.4.4系统电路的集成把各分电路集中在一块电路板上，共用电源和接地端后，整个信号发生器的结构变得紧凑美观，集成电路图如图6所示。图6 函数信号发生器整体电路图5.电路模拟及结果分析.5.1用multisim模拟电路利用multisim软件画出电路图，在相应点接上示波器，模拟电路结果，观察各波形的输出。.5.1.1方波三角波发生电路的仿真 图7 方波三角波仿真波形.5.1.2三角波正弦波转换电路的仿真 图8 三角波正弦波仿真波形.5.2结果分析.5.2.1频率范围 为了便于测量，将电路图上的方波信号接入示波器，并调节rp5改变方波频率，并测出方波的频率变化范围。再依次闭合开关j1、j2、j3来改变输出三角波的频率范围。使波形的输出频率达到预期的效果.5.2.2输出电压 方波信号接入示波器，调节rpl，得方波峰峰vpp=14 v；撤除方波信号并接入三角波信号，调节rp1，测得三角波峰峰值upp=5 v；将正弦波信号接入示波器，调节rp3， rp4和rp5，测得正弦波峰峰值upp=28 v。6电路的安装与调试 .6.1方波三角波电路的安装与调试 .6.1.1方波三角波电路的安装 (1) 把两块741集成块插入电路板，注意布局； (2)分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法； (3).按图连线，注意直流源的正负及接地端。 .6.1.2方波三角波电路的调试 (1)接入电源后，用示波器进行双踪观察； (2).调节rp1，使三角波的幅值满足指标要求； (3).调节rp2，微调波形的频率； (5)观察示波器，各指标达到要求后进行下一步安装。 .6.2三角波正弦波转换电路的安装与调试 .6.2.1三角波正弦波转换电路的安装 (1).在电路板上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线； (2)搭接直流源电路，注意各电阻阻值的选取； (3)接入各电容及电位器； (4)按图接线，注意直流源的正负及接地端。 .6.2.2三角波正弦波转换电路的调试 (1).接入直流源后，c7接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点； (2)测试vt1、vt2的电压值，当不相等时调节rp4使其相等，使电路结构对称； (3)测试vt3、vt4的电压值使其满足实验要求； (4).在c7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录其最大不失真电压。 .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，逐个排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值约为3v .6.4调试中遇到的问题及解决的方法 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u1与积分器u2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和rp2之前，要先将其调整到设计值，否则电路可能会不起振。这要电路接线正确，上电后，uo1的输出为方波，uo2的输出为三角波，微调rp1，是三角波的输出幅度满足设计指标要求，调节rp5，则输出频率在对应波段连续可调。.6.4.2三角波正弦波转换电路的装调 (1).经电容c7输入差模信号电压uid=50v，fi=100hz 正弦波。调节rp4及电阻，使传输特性曲线对称。再逐渐增大uid。移去信号源，再将c7左端接地，测量差分放大器的静态工作点。rp3与c4连接，调节rp3使三角波输出幅度等于uid值，这时uo3输出的波形接近正弦波。7课程设计心得体会为期一周的课程设计已经结束，在这一星期的学习、设计、焊接过程中我感触颇深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。 在实验过程中，我遇到了不少问题。比如：波形失真，甚至测不出波形的问题。在自己不懈的努力和同学们热情而又耐心的帮助下，终于把这些问题一一解决了。历经诸多困难最后成功的喜悦是真正尝试过的人才能体会到的。同时经过这次课程设计，我对电路故障的排查能力有了很大的提高。再次，在这次课程设计中也应用到了multisim软件，让我对这个软件有了更加深刻的了解，这对我们以后的工作和学习都有很大的帮助。 同时，通过课程设计也暴漏出了很多问题，最大的问题就是我们在进行理论学习的过程中，有些问题并没有真正的搞懂，对它们的掌握还只是处于懵懂的状态，这就要求我们要虚心求学。这