函数发生器的课程设计.doc

模拟电子技术课程设计说明书课题名称：简易信号发生器设计专业名称：电气自动化学生班级：电气0801学生姓名：任永华学生学号：08400130121指导老师：胡新晚小组成员：唐阳 张谦 李行 任永华引 言此次课程设计是以以模拟电子技术为理论基础的综合性设计项目。将所学知识与实践相结合，意在培养学生独立思考问题的能力、工程设计能力及实际动手能力。该设计的内容是“简易型号发生器的设计”，要求能产生方波、三角波、正弦波三种波形。该文档在内容和排版上除了介绍其基本内容外，还附带介绍了与之相关芯片的引脚图和基本组成图，相关软件的基本用法。在实际设计工作中，需要分析器件、电路的工作原理；验证器件、电路的功能；对电路进行调试、分析，排除电路故障；电路板的设计与制作。此次课程设计是在老师的带领下，由学生自主设计并完成的。通过此次设计，需要我们养成勤奋、进取、严肃、认真的作风和敢于创新的精神。在编排过程中，由于时间仓促，加之编者水平有限，错误在所难免，还望老师不吝指教。 编者20101目 录第1章 函数发生器方案选择及原理框图 1.1 函数发生器方案选择（4） 1.2 总体框图（4）第2章 设计的目的及任务2.1 课程设计的目的（5）2.2 课程设计的任务与要求（5）2.3 课程设计的技术指标（5）第3章 各部分电路设计3.1 方波发生电路的工作原理（6）3.2 方波-三角波转换电路的工作原理 （6）3.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理 （9） 3.4电路的参数选择及计算 （10）3.5 相关元器件引脚图及功能（11）第4章 EWB电路仿真及仿真结果 4.1 EWB软件的简单介绍 （14）4.2 方波-三角波发生电路的仿真（15） 4.3 三角波-正弦波转换电路的仿真（16）4.4 方波-三角波发生电路的仿真实验结果（17）4.5 三角波-正弦波转换电路的仿真实验结果 （18）第5章 protel的仿真与电路板的制作5.1 protel99 SE 软件的简单介绍 （19）5.2 protel99中设计电路原理图的绘制（19）5.3 protel99中PCB图的设计与制作 （19）5.4 电路板的制作 （20）第6章 电路板的调试与误差分析6.1 方波三角波发生电路的调试 （21）6.2 三角波正弦波转换电路的调试 （21）6.3 总电路的调试 （21）6.4 调试中遇到的问题及解决方法 （22）6.5 误差分析 （22）第7章 实验总结及相关改进方法 （25）参考文献 （26）附录A 元器件清单（27）附录B 简易信号发生器EWB总电路图（28）附录C 简易信号发生器PCB总电路原理图 （29）附录D 简易信号发生器PCB总电路封装图 （30）第1章 函数发生器方案选择及原理框图1.1 函数发生器方案选择 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，也可以采用集成电路。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三角波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。本课题采用先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。将三角波变成正弦波的方案也有多种。可以用二极管折线近似电路实现三角波-正弦波的变换，也可以用差分放大电路实现三角波-正弦波的变换。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由晶体管差分放大器组成的三角波-正弦波函数发生器的设计方法。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。1.2 总体框图 图1-1 函数发生器总体框图第二章 课程设计的目的和设计的任务 2.1 设计目的 1掌握电子系统的一般设计方法 2掌握模拟IC器件的应用 3培养综合应用所学知识来指导实践的能力 4掌握常用元器件的识别和测试 5熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法2.2设计任务 设计方波三角波正弦波函数信号发生器2.3课程设计的要求及技术指标 1设计、组装、调试函数发生器 2输出波形：正弦波、方波、三角波； 3频率范围 ：在10010000Hz范围内可调 ； 4输出电压：方波U24V，三角波U6V，正弦波U=1V；第三章 各部分电路设计3.1 方波发生电路的工作原理用迟滞比较器构成的方波产生电路如图3-1所示，图中，R和C为定时元件，构成积分电路它把输出电压反馈到集成运算放大器的反向端，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。比较器主要部件为uA741芯片（相关信息将在后续章节介绍）。当Uo=UoH=+Uz时,电容C充电，电流流向如图3-1（a）所示，电容两端电压Uc不断上升，而此时同相端电压为上限门UT+。当Uc UT+时，输出电压变为低电平Uo=UoL=-Uz,使同向端电压变为下限门电压UT-，然后电容C开始放电，电流流向如图3-1（b）所示，电容上的电压不断降低，当Uc降低到UcUT-时，Uo又变为高电平UoH,电容又开始充电但是，上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。 （a） （b） 图3-1 方波产生电路3.2 方波-三角波转换电路的工作原理如果用线性积分电路代替方波产生电路的RC积分电路，则电容器两端就可获得理想的三角波输出。其电路图如3-2所示。波形如图3-3所示。若反馈网络断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1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 图3-2 方波三角波产生电路 图3-3 电路输出波形时，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 （3-2-1） 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 (3-2-2)若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 (3-2-3)比较器的门限宽度 (3-2-4)反馈网络断开后，运放A2与R4、RP2、C2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Uo2为 (3-2-5) 时， (3-2-6)时， (3-2-7)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，其波形关系如图3-2所示。反馈网络闭合，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 (3-2-8) 方波-三角波的频率f为 (3-2-9) 3.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理图3-4 三角波正弦波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。分析表明，传输特性曲线的表达式为： （3-3-1）式中 ：差分放大器的恒定电流（约为1mA）。：温度的电压当量，当室温为25时，UT26mV。如果Uid为三角波，设表达式为 （3-3-2）式中Um：三角波的幅度。 T：三角波的周期。3.4电路的参数选择及计算1 差分放大器元件参数确定输出电压为0.5=1/2=0.5V,取,则IcQ=0.5V/1K=0.5mA，,取,则, 得 。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：由式（3-2-8）得 即。取 ，则，取 ，RP1为47K的点位器。区平衡电阻。由式（3-2-9）即 （3-3-3）当时，取，则，取，RP2为100K电位器。 当1KHzf10KHz时，取以实现频率波段的转换，R4及RP2的取图3-5 波形变换值不变。平衡电阻取8.2 K。三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取，滤波电容视输出的波形而定，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。RE2=100欧与RP4=100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RP4及电阻R确定。3.5 相关元器件引脚图及功能1、uA741管脚图及其功能各管脚引脚如右图所示。封装形式为塑料双列直插式，使用温度范围为-55125。塑料封装的集成电路在性能上要稍差一些，不过由于其价格低廉而得到广泛应用。现将各管脚功能列入表3-1中，供读者查阅：表3-1 管脚序号功能管脚序号功能1闲置端5闲置端2反向输入端6输出端3同向输入端7正电源输入4负电源输入8闲置端 使用此芯片时应注意以下几个方面：1、 芯片接线要正确可靠，输入信号不能过大，电源电压不能过高（正负12V），极性不能接反。2、 芯片不能直接焊接在面包板或PCB板上，应插在专用插座上。防止高温焊接时烧坏芯片，造成不必要的损失。2、三极管管脚图及其功能晶体管的封装有金属封装、塑料封装等，常见的晶体管封装外形及引脚排列如图3-6所示。选用晶体管时，一般考虑以下几个因素：频率、集电极电流、耗散功率、图3-6 常见三极管外形及引脚排列反向击穿电压、电流放大系数、稳定性及饱和压降等。这些因素具有相互制约的关系，在选管时应抓住主要矛盾，兼顾次要矛盾。本设计选用的晶体管型号为3DG100A。其具体参数如表3-2所示。引脚图如图3-6（c）所示。表3-2型号极性Pcm/WIcm/mAU(BR)CEO/VIcbo/uAFt/MHZCob.pf3DG100ANPN(硅)1002020300.11504在焊接晶体管时，应注意不要将管子的极性弄反，焊接时间不宜过长。 第四章 EWB电路仿真及仿真结果4.1 EWB软件的简单介绍 EWB提供了仿真实验和电路分析两种仿真分析手段，可用于模拟电路、数字电路、数模混合电路和部分强电电路的仿真实验、分析和设计。与其它软件相比，它的最显著特点是提供一个操作简便且与实际很相似的虚拟实验平台。并且还能进行实际无法或不便进行的实验内容，例如观测短路、漏电和过载等非常情况的影响和后果。限于篇幅原因，在此只介绍与本设计有关的相关操作及虚拟器件的使用。元器件的取用：用鼠标单击它所在的元器件库，然后用鼠标单击并按住所需元器件，将其拖到工作区预放位置。元器件的编辑：1、移动 先选中，再用鼠标拖曳；2、旋转 先选中，单击工具栏的“旋转”、“水平反转”、“垂直反转”等相应按钮；3、删除和复制 与windows下的常用删除和方法一样。元器件的连接：将鼠标指向欲连接端点使其出现小圆点，然后按住鼠标左键拖曳出一根导线并指向欲连接的另一个端点使其出现小圆点，释放鼠标左键则完成连线。将元器件拖曳放在导线上并使元件引出线与导线重合，则可将该元件直接插入导线。还可以对导线的颜色进行设置，便于更清楚地观察。选中该导线后单击工具栏的“元件特性”按钮，使弹出导线特性对话框，然后单击选项schematic options，单击set wire color按钮，使弹出wire color对话框，单击预选的颜色，最后单击“确定”。示波器的使用：1、输入通道（channel）设置 输入通道有A和B两个，它们的设置方法相同，“AC”方式用于观察信号的交流分量，“DC”用于观察瞬时量，“0”示波器输入端接地，Y轴刻度表示纵坐标每格代表多大电压；2、触发方式（trigger）选择 包括触发信号、触发电平和触发沿选择三项，通常单击选中“auto”即可；3、时基（time base）调整 在观测信号波形时应选择显示方式为“Y/T”,X轴刻度表示横坐标每格代表多长时间；更多使用方法请自己查阅相关书籍。4.2 方波-三角波发生电路的仿真 图4-1 方波仿真图图4-2 三角波仿真图图4-3 方波三角波仿真图4.3 三角波-正弦波转换电路的仿真图4-4 正弦波仿真图图4-5 三角波正弦波仿真图4.4 方波三角波发生电路的仿真结果表4-1 方波、三角波实验数据表4-2 方波图形结果分析要求数据仿真结果4.5 三角波正弦仿真测试结果表4-3 三角波、方波实验数据表4-4 波形转换电路的实验结果模拟仿真Ic1=Ic2=0.5mA第五章 protel的仿真与电路板的制作 5.1 protel99 SE 软件的简单介绍 Protel设计系统是一套建立在IBM兼容PC环境下的EDA电路集成设计系统。Protel公司于2001年推出protel 99 SE具有PDM功能的强大EDA综合设计环境，它具有原理图设计、PCB电路板设计、层次原理图设计、报表制作、电路仿真以及逻辑器件设计等功能，是电子工程师进行电路设计的最有用的软件之一。鉴于本设计的侧重点不在介绍此软件，故本章只介绍与之有关的操作与功能。 5.2 protel99中设计电路原理图的绘制 1、电路原理图设计的一般步骤 1） 启动protel99SE电路原理图编辑器。 2) 设置电路图图纸大小及版面。 3） 在图纸上放置需要的元器件。 4） 对所放置的元器件进行布局布线。 5） 对布局布线后的元器件进行调整。 6） 保存文档并打印输出。 2、本设计需用到的一般规则 该设计绘制的总原理图已在附录C中给出，在此不再赘附。在放置元器件时，如遇元器件找不到则需装载相应的元器件库。其基本步骤为：单击设计管理器中的browse sch选项卡单击add/remove按钮，屏幕将出现“change library list”对话框。在design explorer 99/library/sch文件夹下选取元件库文件，然后双击鼠标点击“OK”按钮即完成了添加。若再找不到该元件，则需自己用元件绘图工具制作。 5.3 protel99中PCB图的设计与制作1、PCB图设计的一般步骤 1） 按照相关步骤后，将网络报表导入编辑器即产生PCB图。 2） 手工编辑调整元件布局，并连线。 2、PCB布局需注意的问题排版应整齐美观，布线不能相交，焊盘大小要合适（以免焊盘太小打孔时将焊盘打掉）。考虑我们是初学者可先考虑布线的简便性。其总PCB图已附在附录D中。5.4 电路板的制作考虑到时间的问题，我们在这里制作的是万能板，并没有用到前面制作的PCB图。附在后面仅供参考。1 安装方波三角波产生电路1） 把两块741集成块插入面包板（或PCB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） 按图接线，注意直流源的正负及接地端；焊好各结点，注意焊接质量与焊点的大小。2.按装三角波正弦波变换电路1） 在面包板（PCB板）上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线；2）搭生成直流源电路，注意R的阻值选取；3）接入各电容及电位器，注意C6（0.1微法）的选取；4）按图接线，注意直流源的正负及接地端；焊好相关结点。 按要求接入相应的插座供电源的接入，连接好各接地线路，电路板即制作完毕。 第六章 电路板的调试与误差分析6.1 方波三角波发生电路的调试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。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。4. 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。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调试1. 接入直流源后，把C4接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点。2. 测试V1、V2的电压值，当不相等时调节RP4使其相等。3. 测试V3、V4的电压值，使其满足实验要求。4. 在C4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入其最大不失真电压。为使输出波形更接近正弦波，由图3-5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） 图为实现三角波正弦波变换的电路。其中Rp3调节三角波的幅度，Rp4调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。6.3 总电路的调试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，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值等于1V。6.4 调试中遇到的问题及解决方法方波-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。1、 方波-三角波发生器的装调由于比较器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，应先使RP1=10K,RP2取（2.5-70）K内的任一值,否则电路可能会不起振。电路接线正确，通电后，UO1的输出为方波，UO2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。2、三角波-正弦波变换电路的装调（1）经电容C4输入差模信号电压Uid=1v，Fi =100Hz正弦波。调节Rp4及电阻R,使传输特性曲线对称。再将C4左端接地，测量差份放大器的静态工作点I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.（2) Rp3与C4连接，调节Rp3使三角波输出幅度经Rp3等于Uidm值，这时Uo3的输出波形应接近正弦波，调节C6大小可改善输出波形。如果Uo3的波形出现几种正弦波失真，则应调节和改善参数，产生失真的原因及采取的措施有：1）钟形失真 传输特性曲线的线性区太宽，应减小Re2。2）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R。3）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。6.5 误差分析1.方波的误差分析 图6-2所示的波形为改换0.01uF时候的方波信号失真图（1） 方波输出电压，因为运放输出级是由NPN型或者PNP型两种晶体管组成的复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止和饱和导通，导通时输出电阻的影响，使方波输出幅度小于电源电压值。（2）方波的上升时间，主要受运放转换数率的限制。如果输出频率较高，则可接加速电容，与,并联。从而改变转换数率。可接加速电容C1，一般取C1为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量T 2.三角波的误差分析图6-3所示为三角波的信号图。三角波的幅值没有达到稳定的输出值6V，通过调节 大小可以得到想要的波形幅值。 3.正弦波的误差分析 图6-1所示的波形为正弦波的平顶失真，通过调节R的值可以改善波形，减小误差达到所要的标准。电容C5 、C6可以改变滤过的波形，从而改变输出的电压值。通过调节的值可以控制差分放大器的工作区域。图6-1 图6-2图6-3第七章 设计总结及相关改进方法经过两个多星期的反复思考，设计终于接近尾声，本次设计基本达到要求。设计仿真测试达到的指标是：方波幅度22V，三角波幅度5V多一点，三角波幅度接近1V，基本可以实现三种波形的输出。 方波输出电压Up-p2Vcc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，两管轮流截止与饮和导通，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。其转换速率的大小与芯片的质量有很大的关系，为改善转换速率，可接加速电容C1，一般取C1为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量Tr. 本设计采用的是集成运算放大器与差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数