函数发生器.doc

课程设计(论文)题 目 名 称 函数发生器 课 程 名 称 电子技术课程设计 学 生 姓 名 学 号 系 、专 业 电气工程系、10电力一班 指 导 教 师 李海娜 2012年 12 月 15日邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业10级电气工程及其自动化学生姓名学 号题目名称函数信号发生器设计设计时间2012.12.172012.12.28课程名称电子技术课程设计课程编号121202306设计地点电工电子实验室408、409一、课程设计（论文）目的电子技术课程设计是电气工程及自动化专业的一个重要的实践性教学环节，是对已学模拟电子技术、数字电子技术知识的综合性训练，这种训练是通过学生独立进行某一课题的设计、安装和调试来完成，着重培养学生工程实践的动手能力、创新能力和进行综合设计的能力，并要求能设计出完整的电路或产品，从而为以后从事电子电路设计、研制电子产品奠定坚实的基础。二、已知技术参数和条件用中小规模集成芯片设计并制作一函数信号发生器，具体要求如下：1、该函数发生器能产生方波、三角波、正弦波信号，用LED显示其频率和波形参数，信号频率可通过键盘输入并显示。2、输出频率范围：1-9999Hz。3、输出电压幅值可设，自定义即可。三、 任务和要求1. 按学校规定的格式编写设计论文。2. 论文主要内容有：课题名称。设计任务和要求。方案选择与论证。方案的原理框图，系统电路图，以及运行说明；单元电路设计与计算说明；元器件选择和电路参数计算的说明等。用protuse或其它仿真软件对设计电路仿真调试。对调试中出现的问题进行分析，并说明解决的措施；测试、记录、整理与结果分析。收获体会、存在问题和进一步的改进意见等。注：1此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）胡宴如 主编.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2011年张克农 主编.数字电子技术. 高教出版社出版.第一版.2010年彭介华 主编.电子技术课程设计指导.高教出版社出版.第一版.2002年电子电工实验指导书电子电工实验室可以提供的主要仪器设备：示波器型号规格VP-5220、电子学习机型号规格WL-V、万用表MF10；以及分立元件、或中规模集成芯片。五、进度安排2012年12月3日4日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务何要求2012年12月5日6日：总体方案设计，方案比较，选定方案；2012年12月7日11日：单元电路设计，参数计算，元器件选择，系统电路图，仿真调试改进； 2012年12月21日13 日整理撰写设计论文；2012年12月14日： 答辩六、教研室审批意见设计目的明确，要求合理，难度适中，符合课程设计教学要求。教研室主任（签字）： 2012年11月26日七|、主管教学主任意见符合课程设计要求 主管主任（签字）： 2012年11月26 日八、备注指导教师（签字）： 学生（签字）：邵阳学院课程设计（论文）评阅表学生姓名 袁浩 学 号 1041201051 系 电气工程系 专业班级 10电力一班 题目名称 函数发生器 课程名称 电子技术课程设计 一、学生自我总结通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关电子技术方面的知识，掌握了常用元件的识别和测试，熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等，通过查询资料，也了解了函数发生器的构造及原理。在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。 学生签名： 年 月 日二、指导教师评定评分项目平时成绩论文答辩综合成绩权 重304030单项成绩指导教师评语： 指导教师（签名）： 年 月 日注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。摘要函数发生器是一种多波形的信号源，它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。有的函数发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制。函数发生器有很宽的频率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信号源。可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。本文介绍了函数发生器的基本概念及工作原理，主要采用集成运算放大器芯片uA74来搭建函数发生器的各个组成模块，利用文氏电桥通过RC正弦波振荡电路及选频网络产生频率可调的正弦信号，然后通过电压比较器将正弦信号转换成方波信号，再通过积分器将方波信号转换成三角波。最后，接示波器得到正弦、方波、三角波信号。关键词：函数发生器；uA741；文氏电桥；RC正弦振荡目录摘要11 引言31.1 函数发生器简介31.2 设计任务31.3 设计的目的31.4 设计要求32 函数发生器的设计方案42.1函数发生器的设计思路52.2函数发生器的设计流程图52.3 函数发生器设计原理52.4 总电路图62.5 芯片uA741工作原理及原理图63 单元模块设计73.1 正弦波模块73.2方波转换器83.3 三角波转换器93.4 输出调幅、调频94 电路仿真104.1 软件介绍104.2 调试后的仿真数据图105 仿真结果以及参数测量125.1 输出电压135.2输出频率136 个人总结147 参考文献15附录161 引言1.1 函数发生器简介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。1.2 设计任务以模拟电子技术知识为基础，设计并开发出输出多种波形（正弦波、三角波、方波）且频率、幅度可变的函数发生器，并做出相应的仿真。1.3 设计的目的通过课程设计，巩固和加深我们对电子电路基本知识的理解，学会查寻资料、方案设计、方案比较，以及单元电路设计计算等环节，进一步提高我们综合运用所学知识的能力，提高分析解决实际问题的能力。锻炼分析、解决电子电路问题的实际本领，通过此综合训练,为以后毕业设计打下一定的基础。1.4 设计要求（1）根据计数指标要求及实验室条件设计出原理电路图，分析工作原理，计算元件参数；（2）安装调试所设计的电路，使之达到设计要求；（3）记录实验结果，并按格式要求写出课程设计论文。主要技术指标频率范围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。波形特性，方波上升时间小于2s；三角波非线性失真小于1；正弦波谐波失真小于3。 2 函数发生器的设计方案2.1函数发生器的设计思路首先通过RC正弦波产生电路及选频网络产生频率可调的正弦信号，然后通过电压比较器将正弦信号转换成同频率的方波信号、通过积分器将方波信号转换成同频率的三角波。最后，接调幅网络后即可输出幅度、频率可调的正弦、方波、三角波信号。2.2函数发生器的设计流程图根据层次化设计理论，该设计可分为RC振荡及选频网络、电压比较器产生方波、积分器积分、uA741放大三个模块，其设计框图如图2.1所示。RC正弦波振荡电路及选频网电压比较器正弦波积 分 器正弦输出方波方波输出三角波输出 图2.1函数信号发生器框图2.3 函数发生器设计原理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组成的正弦波方波三角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。本课题采用先产生正弦波方波，再将方波变成三角波的电路设计方法。2.4 总电路图图2.2正弦波方波三角波函数发生器总电路图2.5 芯片uA741工作原理及原理图741型运放双列直插封装的俯视图如图2.3(a)所示。紧靠缺口（有时也用小圆点标记）下方的管脚编号为1，按逆时针方向，管脚编号依次为2，3，8。其中，管脚2为运放反相输入端，管脚3为同相输入端，管脚6为输出端，管脚7为正电源端，管脚4为负电源端，管脚8为空端，管脚1和5为调零端。通常，在两个调零端接一几十千欧的电位器，其滑动端接负电源，如图2.3(b)所示。调整电位器，可使失调电压为零，（a） （b）图2.3 uA741型运算放大器的封装图3 单元模块设计3.1 正弦波模块正弦波模块是由用文氏桥电路,电路由放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个部分组成。其振荡是电路的自激振荡，由直流信号变成正弦信号的过程。它是由放大、反馈、选频和稳幅环节组成，属于正反馈回路2。如图3.1所示uA741为放大环节，R3和RC串并联构成正负反馈，RC串并联也是选频环节 ，两个1N4007组成稳幅环节。图3.1 RC振荡电路及选频电路图 放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻以减少放大电路对选频特性的影响，使振荡频率几乎仅决定于选频网络，因此通常选用引入电压串联负反馈的放大电路。正反馈网络的反馈电压Uf是同相比例运算电路的输入电压，因而要把同相比例运算电路作为整体看成电路放大电路，它的比例系数是电压放大倍数，根据起振条件和幅值平衡条件有： R32R1 且振荡产生正弦波频率为：正弦波电路参数设计：由于RC桥式振荡的振荡频率是由RC网络决定的，因此选择RC的值时，应把已知的振荡频率作为主要依据。同时，为了使选频网络的特性不受集成放大器输入和输出电阻的影响，选择R1时还应考虑R1应该远远大于集成远放的输出电阻，并且要远远小于集成远放的输入电阻。根据已知条件，由fo =1/（2RC）可以计算电容的值，实际应用时要选择稳定性好的电阻和电容。R3和R5的值可以由起振条件来确定，通常取R3=2.1R5，这样可以保证起振又不会使输出波形严重失真。因为10Hz Vn，又由于放大器开环增益接近无穷大，故输出Vo等于稳压二极管稳压值。当输入Vi为负半周时，VpVn，输出达到负饱和5。元件参数计算及选取：1N4738A稳压值为8V，适合输出幅度要求。3.3 三角波转换器图3.3三角波转换电路由积分电路输入输出关系可知，输出相位改变180度，由周期性方波信号转换成同频率三角波信号。元件参数计算及选取：由于方波Upp14V、三角波 Upp5V，所以14VRC5V，求的满足要求的R、C。3.4 输出调幅、调频整个电路可以通过调节正弦波电路中RC振荡电路中的时间常数=R*C调频，即调节图2.1中R1、R2、C1、C2。电路中，正弦波幅度由文氏电桥原理可知可通过R3进行连续调整；方波由于需要较高幅度，可以直接通过增减VCC、VEE电压来进行调整；三角波幅度通过调整该积分环节中RC部分的R，即图3.3中R4来增减幅度。4 电路仿真4.1 软件介绍Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。4.2 调试后的仿真数据图在经过简单调试后进行仿真得到正弦波仿真数据如下图所示：图4.1正弦波仿真在经过简单调试后进行仿真得到方波仿真数据如下图所示：图4.2方波仿真经过简单调试后得到三角波仿真数据图如下所示：图4.3三角波仿真图4.4三型号对比仿真 5 仿真结果以及参数测量5.1 输出电压正弦波Upp=3.1V，幅度可连续调节；方波Upp=14.1V，幅度可连续调节；三角波Upp=5.1V，幅度可连续调节。5.2输出频率 正弦波Upp3V频率范围R1C1R2C2R3实际频率10Hz100Hz5K100NF9.2K500nF4.25K97KHz100Hz1kHz5K100nF2.1K200nF3.8K338KHz1kHz10kHz5K100nF2.1K10nF4.5K1.47KHz6 个人总结本次课程设计是我到目前为止觉得最有意义也是收获最大的一次实习，可以说是有苦也有甜。身为电气工程系的学生，设计是我们将来必须的技能。而这次课程设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的平台。因为这次课程设计需要动脑动手，把自己课堂上学到的软件和硬件知识全部应用进来。要想完成好这次课程设计，必须熟悉模拟电子技术理论知识，与外部电路的连接。这其中有以前课堂上学过的也有需要我们自学研究的，这不仅考察了自己原来的知识程度还加强