模拟电子技术课程设计-信号发生器设计.doc

课 程 设 计 说 明 书目 录1引言1 2试验1 2.1 函数发生器的总方案及原理框图1 2.1.1电路设计原理框图1 2.1.2 电路设计方案设计2 2.2 设计的目的及任务2 2.2.1 课程设计的目的2 2.2.2 课程设计的任务与要求2 2.2.3 课程设计的技术指标2 2.3 各部分电路设计2 2.3.1 方波发生电路的工作原理2 2.3.2 方波-三角波转换电路的工作原理 3 2.3.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理6 2.3.4电路的参数选择及计算8 2.3.5 实现方案总电路图10 2.4 电路仿真11 2.4.1 方波-三角波发生电路的仿真11 2.4.2 三角波-正弦波转换电路的仿真12 2.5 电路的安装与调试12 2.5.1 方波-三角波发生电路的安装与调试12 2.5.2 三角波-正弦波转换电路的安装与调试12 2.5.3 总电路的安装与调试13 2.5.4 电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法13 2.6电路的实验结果14 2.6.1 方波-三角波发生电路的实验结果14 2.6.2 三角波-正弦波转换电路的实验结果14 2.6.3 实测电路波形、误差分析及改进方法15 2.7 设计所用仪器及器件153结论16谢辞16参考文献17附录：信号发生器使用方法17外文资料19 1引言 函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、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。 本课题采用由集成运算放大器组成的正弦波方波三角波正弦波函数发生器的设计方法，如首先先通过RC正弦波振荡电路形成正弦波，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；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。经过仿真得出了方波、三角波、正弦波、方波三角波转换及三角波正弦波转换的波形图。2试验2.1函数发生器总方案及原理框图2.1.1 原理框图2.1.2 函数发生器的总方案 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(如单片函数发生器模块8038)。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，本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：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。2.2课程设计的目的和设计的任务2.2.1 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2.2.2设计任务设计方波三角波正弦波函数信号发生器2.2.3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50010000Hz范围内连续可调 ；4）输出电压：方波U12V，三角波U8V，正弦波U1V；23各组成部分的工作原理2.3.1 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。2.3.2 方波-三角波转换电路的工作原理方波三角波产生电路 工作原理如下：若a点断开，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3-71所示。a点断开后，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 : 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。 a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：1）电位，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。2）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。2.3.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理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，UT26mV。 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Rp1调节三角波的幅度，Rp2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C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。 三角波正弦波变换电路2.3.4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.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。由式（3-61）得即取 ，则，取 ，RP1为47K的点位器。区平衡电阻由式（3-62）即当时，取，则，取，为100K电位器。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。 由上分析可知：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。 方波的输出幅度应等于电源电压。三角波的输出幅度应不超过电源电压。 电位器 RP1 可实现幅度上午微调，但会影响波形的频率。 三角波正弦波的变换 三角波正弦波的变换主要有差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳 定，输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。特别是做直流放大器时，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的非线性。2.3.5 实现方案及总电路图正弦波发生器过零比较器积分器正弦波方波三角波模拟电路实现方案三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路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。2.4 电路仿真2.4.1 方波-三角波发生电路的仿真2.4.2 三角波-正弦波转换电路的仿真2.5 电路的安装与调试2.5.1 方波-三角波发生电路的安装与调试1）按装方波三角波产生电路 把两块741集成块插入面包板，注意布局； 分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法； 按图接线，注意直流源的正负及接地端。 2）调试方波三角波产生电路 接入电源后，用示波器进行双踪观察；调节RP1，使三角波的幅值满足指标要求；调节RP2，微调波形的频率； 观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装。2.5.2 三角波-正弦波转换电路的安装与调试1)按装三角波正弦波变换电路在面包板上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线；搭生成直流源电路，注意R*的阻值选取；接入各电容及电位器，注意C6的选取； 按图接线，注意直流源的正负及接地端。2)调试三角波正弦波变换电路 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； 测试V1、V2的电容值，当不相等时调节RP4使其相等； 测试V3、V4的电容值，使其满足实验要求； 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；2.5.3 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，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。2.5.4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。 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，如设计举例题中，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。只要电路接线正确，上电后，UO1的输出为方波，UO2的输出为三角波，微调RP1,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 按照图375所示电路，装调三角波正弦波变换电路，其中差分发大电路可利用课题三设计完成的电路。电路的 调试步骤如下。经电容C4输入差摸信号电压Uid=50v，Fi =100Hz正弦波。调节Rp4及电阻R*,是传输特性曲线对称。在逐渐增大Uid。直到传输特性曲线形状入图373所示，记 下次时对应的 Uid即Uidm值。移去信号源，再将C4左段接地，测量差份放大器的 静态工作点I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.Rp3与C4连接，调节Rp3使三角波俄 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 波形出现如图376所示的 几种正弦波失真，则应调节和改善参数，产生是真的 原因及采取的措施有；a.钟形失真 如图（a）所示，传输特性曲线的 线性区太宽，应减小Re2。b.半波圆定或平顶失真 如图（b）所示，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*.c.非线性失真 如图（C）所示，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。性能指标测量与误差分析 a.放波输出电压Upp=2Vcc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。 b.方波的上升时间T，主要受预算放大器的限制。如果输出频率的 限制。可接俄加速电容C1，一般取C1为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量T 2.6电路的实验结果2.6.1 方波-三角波发生电路的实验结果C=0.01uffmin=4138HZfmax=8333HZC=0.1uffmin=198HZfmax=1800HZC=1uffmin=28HZfmax=207HZ2.6.2 三角波-正弦波转换电路的实验结果R=15KVc1=Vc2=5.530VVc3=-0.6218VVc4=-10.307VIc1=Ic2= 0.6813mA实验结果分析模拟仿真（R*= 13 K）Vc1=Vc2=4.358VVc3=-0.831VVc4=-9.028VIc1=Ic2=0.5368mA2.6.3 实测电路波形、误差分析及改进方法将C6替换为由两个.1uF串联或直接拿掉, C1=0.1uF U=54mv Uo=2.7v 1vC1=0.01uF U=54mv Uo=2.8v1v Xc=1/W*C,当输出波形为高频时，若电容C6较大，则Xc很小，高频信号完全被吞并，无法显示出来。2.7设计所用仪器及器件1直流稳压电源 1台2双踪示波器 1台3万 用 表 1只4运 放741 2片5电位器50K 2只 100K 1只 100 1只6电 容470F 3只 10F 1只 1F 1只 0.1F 2只 0.01F 1只7三极管9013 4只8面包板 1块9剪刀把10仪器探头线 2根11电 源 线 4根3结论为期一个星期的课程设计已经结束，在这一星期的学习、设计过程中我感触颇深。通过这次课程设计，使我对抽象的理论有了具体的认识。我掌握了如方波，三角波及正弦波的产生和三者之间的转换过程，此外，在设计过程 中我掌握了常用元件的识别和测试，如电阻阻值的判断，三极管极性的判断等常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接方法；以及如何提高电路的性能等等。其次，这次课程设计提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契，体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦。在实验过程中，我们遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。在老师和同学的帮助下，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啊。实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态。还有值得我们自豪的一点就是我们的线路连得横竖分明，简直就是艺术啊，最后用一句话来结束吧。“实践是检验真理的唯一标准”。与君共勉。 谢辞这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到许多编程问题，最后在向波老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在向波老师那里我学到了很多实用的，在此我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示衷心的感谢！参考文献童诗白主编模拟电子技术基础（第三版）北京：高教出版社， 2001李万臣主编模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，2001.3胡宴如主编. 模拟电子技术. 北京. 高等教育出版社，2000 附录：信号发生器使用方法 信号发生器也称信号源，是用来产生振荡信号的一种仪器，为使用者提供需要的稳定、可信的参考信号，并且信号的特征参数完全可控。所谓可控信号特征，主要是指输出信号的频率、幅度、波形、占空比、调制形式等参数都可以人为地控制设定。随着科技的发展，实际应用到的信号形式越来越多，越来越复杂，频率也越来越高，所以信号发生器的种类也越来越多，同时信号发生器的电路结构形式也不断向着智能化、软件化、可编程化发展。信号发生器能产生正弦波、方波、三角波、脉冲波等波形。电压输出时，频率范围为0.2 Hz2 MHz；正弦波功率输出时为0.2 Hz200KHz。空载时，最大输出电压12V，误差5%。 仪器面板示意图如图1.，信号发生器使用要点如下：图1. 信号发生器面板示意图a按下（1）“电源”至on位置，接通电源。b按开关（10）“波形选择”，选择正弦波、三角波、方波和脉冲波其中的一种。按下某按键，为该波形的选中状态。若（5）“直流偏置”旋钮拉出，可调节各波形的直流电平，当选择脉冲波时，可调节脉冲占空比。c选择信号发生器的输出频率使用（12）“频率倍乘”开关、（13）“频率调节”旋纽和（11）“频率微调”旋钮调节输出频率。其中，“频率调节”旋纽下方标识0.22.0表示频率调节范围为：频率倍乘值的0.2到2.0倍，即如果频率倍乘选择10kHz档位，则信号源输出频率能够覆盖2KHz至 20 KHz。例：若使信号发生器的输出频率为5.5KHz，可先将“频率倍乘”档位选择为10K，然后通过“频率调节”和“ 频率微调”旋钮调到5.5KHz。频率数值直接从（16）处频率计中读出，频率单位由（15）“Hz、kHz灯”显示，灯亮表示所测频率的单位。此频率计不但能够测量信号源内部发出的频率，还能测量外部信号的频率，（14）处按键控制频率计的内测或外测。未按进时为内测，测量信号源频率；按进时测量外部频率。“-20db”按进时，表示对外测信号衰减20dB；进行外部测量时，由（2）处“计数输入”端输入外部信号，通过（12）处开关选择闸门时间，有10S、1S、0.1S和0.01S四档。当频率超出显示范围时，（18）“溢出”灯亮。当（17）“闸门”灯闪烁，说明频率计正在工作。d确定信号发生器的输出幅度该信号发生器的（6）-“电压输出”端，可以输出各种波形，其输出阻抗为50。空载时，电压输出幅度为有效值大于7V。（7）“正弦波功率输出”端，只能输出0.2Hz-200kHz的正弦波，输出有效值大于7V，最大输出功率5W；当频率f200KHz时，此输出端无输出。功率输出端带短路报警保护功能。电压输出和正弦波功率输出幅值可由（8）“幅度”旋钮调节，由交流电压表或示波器读出数值。若使输出幅值衰减可按（9）“衰减” 开关。当开关分别按下输出电压衰减20dB或40dB，即电压值缩小10倍或100倍；当两开关同时按下可衰减60dB，即电压值缩小1000倍。电路实验中一般不使用衰减开关。另外，面板上位置（3）处是压控输入端口，表示用外接电压控制信号源频率。位置（4）处为TTL电平同步输出端口。信号源使用注意事项：开电源前，应将幅度调节旋钮逆时针旋到底。电压输出端和正弦波功率输出端不允许短路。外文资料Direct digital synthesizerA signal generator, also known variously as a test signal generator, function generator, tone generator, arbitrary waveform generator, or frequency generator is an electronic device that generates repeating electronic signals (in either the analog or digital domains). They are generally used in designing, testing, troubleshooting, and repairing electronic or electroacoustic devices; though they often have artistic uses as well.There are many different types of signal generators, with different purposes and applications (and at varying levels of expense); in general, no device is suitable for all possible applications.Traditionally, signal generators have been embedded hardware units, but since the age of multimedia-PCs, flexible, programmable software tone generators have also been available.General purpose signal generatorsFunction generatorsA function generator is a device which produces simple repetitive waveforms. Such devices contain an electronic oscillator, a circuit that is capable of creating a repetitive waveform. (Modern devices may use digital signal processing to synthesize waveforms, followed by a digital to analog converter, or DAC, to produce an analog output). The most common waveform is a sine wave, but sawtooth, step (pulse), square, and triangular waveform oscillators are commonly available as are arbitrary waveform generators (AWGs). If the oscillator operates above the audio frequency range (20 kHz), the generator will often include some sort of modulation function such as amplitude modulation (AM), frequency modulation (FM), or phase modulation (PM) as well as a second oscillator that provides an audio frequency modulation waveform.function generators are typically used in simple electronics repair and design; where they are used to stimulate a circuit under test. A device such as an oscilloscope is then used to measure the circuits output. Function generators vary in the number of outputs they feature, frequency range, frequency accuracy and stability, and several other parameters.edit Arbitrary waveform generatorsMain article: Arbitrary waveform generatorArbitrary waveform generators, or AWGs, are sophisticated signal generators which allow the user to generate arbitrary waveforms, within published limits of frequency range, accuracy, and output level. Unlike function generators, which are limited to a simple set of waveforms; an AWG allows the user to specify a source waveform in a variety of different ways. AWGs are generally more expensive than function generators, and are often more highly limited in available bandwidth; as a result, they are generally limited to higher-end design and test applications.edit Special purpose signal generatorsIn addition to the above general-purpose devices, there are several classes of signal generators designed for specific applications.edit Tone generators and audio generatorsA tone generator is a type of signal generator optimized for use in audio and acoustics applications. Tone generators typically include sine waves over the audio frequency range (20 Hz20 kHz). Sophisticated tone generators will also include sweep generators (a function which varies the output frequency over a range, in order to make frequency-domain measurements), multitone generators (which output several tones simultaneously, and are used to check for intermodulation distortion and other non-linear effects), and tone bursts (used to measure response to transients). Tone generators are typically used in conjunction with sound level meters, when measuring the acoustics of a room or a sound reproduction system, and/or with oscilloscopes or specialized audio analyzers.Many tone generators operate in the digital domain, producing output in various digital audio formats such as AES-3, or SPDIF. Such generators may in