《电工与电子技术基础》课程设计报告-函数信号发生器.doc

电工与电子技术基础课程设计报告 题 目 函数信号发生器 学院 (部) 汽车学院 专 业 班 级 学生姓名 学 号 06 月 18 日至 06 月 24 日 共 1 周 指导教师（签字） 函数信号发生器1. 课题名称与技术要求主要技术指标和要求：（1） 能产生正弦波、矩形波（占空比可调）、锯齿波等多种波形；（2） 输出信号的工作频率范围10Hz10kHz，连续可调；（3） 输出信号波形幅值010V，连续可调。2. 摘要函数（波形）信号发生器，能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号。频率范围可从几个赫到几十兆赫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。我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路，从原理上讲，其由基本放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅环节四部分组成。正弦波发生电路常根据选频网络所用元件命名，分为RC正弦波振荡电路、LC正弦波振荡电路。矩形波发生电路是由555定时器组成的多谐振荡器。锯齿波发生电路的核心是集成运放组成的电压比较器，由电压比较器构成矩形波发生电路，输出的矩形波经积分电路变换获得锯齿波。由上述三种发生电路产生的波形经控制电路和放大电路得到幅值可调的正弦波、矩形波和方波，频率的改变由发生电路中的相关元件改变。3. 总体设计方案论证及选择产生正弦波、方波、锯齿波的方案有很多种，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，再经积分电路将方波变成锯齿波；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。方案一：由RC正弦波发生电路产生正弦波，由555定时器组成矩形波发生电路产生矩形波，锯齿波发生电路产生锯齿波，三种波形经过控制电路，最后经过运放形成幅值可调的函数信号。方案二：采用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。先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波。由比较器和积分器组成方波三角波发生电路，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完成。通过对差分放大电路部分元器件的调节来改善正弦波产生的波形。方案三：采用集成电路实现，主要部件有运算放大器LM318、单片函数发生器模块5G8038、电阻和电容等。该方案可以通过调节函数发生器输出振荡频率大小、占空比、正弦波的失真，可产生精度较高的方波、三角波、正弦波，且具有较高的温度稳定性和频率特性。 方案二产生的矩形波占空比无法调节，方案三采用芯片虽然精度较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，而他们产生的波形频率和占空比不能单独调节，从而给使用带来很大不便。根据目前所学知识，及在短时间内要能熟练运用集成函数发生器8038有较大困难，在这里采用方案一来完成本次课程设计。4. 设计方案的原理框图、总体电路图、接线图及说明原理框图 总体电路图说明：RC正弦波发生电路产生正弦波，由555定时器组成矩形波发生电路产生矩形波，锯齿波发生电路由电压比较器构成矩形波发生电路，输出的矩形波经积分电路变换获得锯齿波，三种波形经过控制电路，最后经过运放形成幅值可调的函数信号。5. 单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算 1.正弦波产生电路1）自激振荡原理：在振荡电路中，人为地引入正反馈，并使反馈环路增益满足一定的条件，那么，电路在没有外部激励的情况下会产生输出信号，即产生自激振荡。无论在放大电路还是在振荡电路中，自激振荡的本质是相同的。即振荡时电路中的反馈一定是正反馈，并且反馈环路增益必须满足一定的条件。正弦波振荡电路主要有三个部分组成（1） 放大电路。利用运算放大器，使其有放大倍数，以满足自激振荡的条件。（2） 反馈网络。把放大电路的输出信号正反馈到输入端，作为放大电路的输入信号，并满足自激振荡的条件。（3） 选频网络。使振荡电路只能让某一特定频率的信号满足自激振荡的条件，以保证振荡电路输出正弦波信号。 2）RC振荡原理说明RC振荡电路如图所示图一RC振荡电路放大电路是同相比例运算电路，RC串并联电路既是正反馈电路，又是选频电路。输出电压。经RC串并联电路分压后在RC并联电路上得出反馈电压，加在运算放大器的同相输入端，作为它的输入电压。由此得欲使i与。同相，则上式分母的虚数部分必须为零，即这时，而同相比例运算放大电路的电压放大倍数则为可见，当时，。在特定频率时，和同相，也就是RC串并联电路具有正反馈和选频作用。和都是正弦波电压。在起振时，应使，即。随着振荡幅度的增大，能自动减小，直到满足或时，振荡幅度达到稳定，以后并能自动稳幅。从到，这是自激振荡的建立过程。在图一中，是利用二极管正向伏安特性的非线性来自动稳幅的。图中，分和两部分。在上正,反向并联两只二极管，它们在输出电压的正负半周内分别导通。在起振之初，由于幅度很小，尚不足以使二极管导通，正向二极管近于开路，此时时，振荡稳定。振荡频率的改变，可通过调节R或C或同时调节R和C的数值来实现。由集成运算放大器的RC振荡电路的振荡频率一般不超过1MHz。3）正弦波发生器的设计通过双联电位器Rp改变正弦波发生电路的输出波形，输出电压幅值由幅值控制电路调节。4）主要元器件选择及参数计算，且10Hzf10KHz，C=0.2uf，代入中得到R+Rp的取值范围即：79.6R+Rp79617.8，取R=79.6则得出Rp取值范围为0Rp79538.2。+取=20K =15K =28K集成运算放大器CF725；最大电源电压v，共模抑制比120dB，最大输入电压v。二极管D1，D2最大电流I=U0max/(+)=13.5/（15000+20000）=0.39mA取2CZ52B型二极管，最大整流电流100mA，反向工作峰值电压50V。2.矩形波产生电路由555定时器组成的多谐振荡器图是由CB555定时器组成的多谐振荡器。R1，R2和C是外接元件。555定时器的内部电路方框图上图所示，该集成电路由四部分组成：电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、输出缓冲器和放电三极管。 比较器的参考电压由三只5 k的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2Vcc3和Vcc3。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过2Vcc3时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于Vcc3时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时充电，开关管截止。MR是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接Vcc。 CO是控制电压端(5脚)，平时输出2Vcc3作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个001F的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。 T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。接通电源后，它经和对电容C充电，当上升略高于2/3时，比较器的输出为0,将触发器置0，为0.这时放电管T导通，电容C通过和T放电，下降略低于1/3时，比较器的输出为0,将触发器置1。，又由0变为1。这时，放电管T截止，又经和对电容C充电。如此重复此过程，为连续的矩形波。 第一个暂稳状态的脉冲宽度tp1，即电容C充电的时间： tp1(R1+R2)Cln2=0.7R2C 第二个暂稳状态的脉冲宽度tp2,即电容C充电的时间： tp2R2Cln2=0.7R2C振荡周期 T=tp1+tp20.7(RI+2R2)C 振荡频率 f=1/T=1.43/(R1+2R2)C由555定时器组成的振荡器，最高工作频率可达300kHz。输出波形的占空比 D=tp1/（tP1+tP2）=(R1+R2)/(RI+2R2)2）矩形波发生器的设计图是占空比可调的多谐振荡器。图中用DI和D2两只二极管将电容C的充放电电路分开，并接一电位器RP。 充电电路：UCCD1C“地” 放电电路：CD2T“地”充电和放电的时间分别为 tP10.7C, tp20.7C占空比为 3）电路元件的选择及参数设计,且10Hzf10KHz由此得出C=0.01uF10uF；=15K。为了使占空比有放大调节范围取Rp=12k，R1=R2=1.5K。占空比调节范围 取NE555定时器，电源电压2-18V。输出电平低于电源电压1-3V，取2V，Ucc=+15V即输出高电平电压二极管D1最大电流二极管D2最大电流取两个2AP3型二极管，最大整流电流为25mA，反向工作峰值电压为30V3.锯齿波产生电路如果在三角波产生电路中，使积分电容充电和放电时间常数不同，而且相差悬殊，则在积分电路的输出端即可得到锯齿波信号1) 三角波发生器的原理所谓三角波是指波形呈三角形、且在一周期内上升沿与下降沿所对应的时间间隔相等的波。自激产生三角波的电路称为三角波发生电路。其中集成运放A1组成的迟滞比较器，其反相接地；A2组成的反相积分电路，积分器的作用是将迟滞比较器输出的矩形波转换为三角波，同时反馈给比较器的同相输入端，是比较器产生随三角波变化而翻转的矩形波。工作原理：图中，集成运放A1同相输入端的电压由uo和u01共同决定，根据叠加原理 u+=R2R1+R2u01+R1R1+R2u0当uo0时，u01=+Uz；当u+0时，u01= -Uz；即迟滞比较器的翻转发生在u+=0的时刻，此时比较器的输入电压，即积分器的输出电压u0应是u0=+R2R1Uz，也就是比较器的上下门限电压。经计算，T=4R2RCR1。2）锯齿波发生电路设计图中，利用了二极管的单向导电性。通过A1输出电压u01= UZ 去自动控制二极管VD1和VD2交替的导通、截止、改变Rw的中间活动头位置，就改变了RW1和下半部RW2的阻值，也就改变了积分电路中对电容C的充放回路的时间常数，从而改变u01占空比和改变锯齿波u0上升沿和下降沿的时间。.工作原理分析图中，当u01=+UZ时，VD1导通、VD2截止，u01通过Rp、VD1、RW1对电容C正向充电，当忽略二极管导通电阻时，则电容C正向充电时间常数为 1=（RW1+Rp）C当u01=UZ时，VD2导通，VD1截止，u01通过Rp、VD2、RW2对电容C反向充电，当忽略二极管导通电阻时，则反向充电时间常数为 2（RW2+Rp）C改变RW的中间活动头位置，使RW1RW2,则12，则u01、u0分别为矩形波和锯齿波。 图中积分电路输出三角形电压u0的幅值为 Uom=UT=（R1/R2）UZ.震荡周期计算 设t=0的初始时刻，u01(0)=+UZ,u0(0)=+R1UZ/R2，uc(0)=+R1UZ/R2,经过t1=T1的时间间隔，即t1时刻，输出电压为 u0=-=-+=- 所以 T1=2（Rp+Rw1）C 同理分析可得 T2=2（Rp+Rw2）C 所以震荡周期为 T=T1+T2=2（2Rp+Rw2）C 震荡频率为 综上所述可知：稳压管选定后，调整Rp阻值，可改变电路的震荡周期和频率；调整滑动端的位置，可改变u01的占空比及锯齿波形状（锯齿波上升和下降的斜率）。3）元件的选择与参数计算两个运算放大器选择CF725最大电源电压v，共模抑制比120dB，最大输入电压v。稳压管D1，D2选择2CW76，稳定电压为12v，稳定电流20mAUz=发生电路输出电压幅值Uom=Uz，取R1=R2=6K，则Uom=12V运放输出电压最高13.5V对运放A1，i+=i-=0流过R1.R2电流,流过限流电阻R3最大电流,则，取R3=1K，取c=0.1uF，10Hzf10KHz，将R1，R2，C代入上式得5002Rp+Rw500K，取Rw=150，Rp175，为保证f=10KHz，且Rw=0时，二极管安全，取Rpmin=200即Rp=200-250K，R4=R1R2=3K,R5=120K取2CZ55B型二极管，最大整流电流为1A，反向工作峰值电压50V4.控制电路用一个单刀三掷开关S即可5幅值控制电路当滑动变阻器滑动头在最下面点时，输出uo=0；当滑动变阻器滑动头在中间时 ，输出 uo=(1+R1/R2)*ui改变滑动头的位置,即改变输出波形的幅值6. 收获与体会及存在的问题通过这段时间不懈的努力与切实追求，我们小组终于完成了课程设计，通过这次课程设计，使我收获颇多，令我的创造性思维得到拓展。光有理论上的知识而不去实践是不够的。首先，这次课程设计锻炼了我的团队合作能力，从最初小组讨论方案选取，到分工合作，到单元电路设计、电路参数计算、主要元器件的选取，到设计完成都离不开我们小组的每一个人。其次，这次课程设计锻炼了我查阅资料自我学习的能力，通过在图书馆借阅有关课程设计的书籍，学习其中的理论知识，确立自己的方案，查阅大量资料和老师辛苦答疑工作，掌握了元件选取与识别，掌握了参数计算的方法。在设计过程中巩固了所学的电工知识，同时扩大了自己的知识面。最后，这次课程设计也提高了我的编辑和画图能力，很多繁琐公式输入到文档中看着简单其实并不容易，通过自己网上查阅相关资料学习，掌握了Word编辑排版，插入公式的功能，同时采用辅助制图软件CAD对电路图进行设计和修改，提高了自身操作软件的能力。此次课程