分立电路函数发生器设计与调试.doc

高频电子线路课程设计报告设计题目：函数发生器设计与调试院 系： 航海学院班 级： 03040902姓 名：王亚祥 陈龙 樊铮 张立凡 郭新武 指导教师： 杨稳积 高天德2011年 12 月 16 日 西北工业大学课程设计任务书 姓名： 院系：航海学院班号：03040902专业：电子信息工程任务起止日期：2012年12月03-日止 2012年12月14日课程设计题目：函数发生器设计与调试课程设计要求：1查阅资料，画出电路原理框图，详细的电路原理图。2元件参数的计算与选择，元器件的采购。3电路的设计安装，调试，记录测试结果。4测量出各个信号的频率，且频率可调。5根据测量结果，画出各种信号的波形图。6分析结果，指出电路设计中存在问题及改进办法。 完成工作描述：1. 查阅各种资料，完成电路原理的学习并进行参数的设置。2. 使用Multisim画出电路的原理图并进行仿真，并对仿真结果进行记录。3. 领取器件，完成电路板的焊接并进行调试。4. 在5003000Hz下测试方波、三角波、正弦波的频率。5. 记录下三种信号的波形图，并分组记录其频率与相对应的峰峰值。6. 将仿真结果与实验结果进行对比。 工作计划及安排：第一周，查阅搜集资料，画出电路原理图。元器件的采购，电路的安装，仪器仪表的准备工作。第二周，电路的调试，测试，写出课程设计报告。指导教师签字： 年 月 日摘要：方波与三角波发生器由集成运放电路构成，包括比较器与RC积分器组成。方波发生器的基本电路由带正反馈的比较器及RC组成的负反馈构成；三角波主要由积分电路产生。三角波转换为正弦波，则是通过差分电路实现。该电路振荡频率和幅度便于调节，输出方波幅度大小由稳压管的稳压值决定，方波经积分得到三角波；而正弦波发生电路中电位器实现正弦波幅度与电路的对称性调节，实现较理想的正弦波输出波形。 关键词：函数信号发生器，方波，三角波，正弦波目 录1.课程设计目的62.课程设计题目描述和要求62.1课程设计题目62.2课程设计要求63.函数发生器设计与调试63.1 电路工作原理框图63.2方波三角波转换电路及工作原理63.3三角波正弦波转换电路及工作原理93.4总体电路103.5调试电路板104.电路的调试及实验数据的测试114.1所用仪器仪表114.2测试步骤及内容114.3实验数据记录115.实验数据分析125.1仿真波形图125.2实际波形图135.3数据对比分析146.课程设计总结14参考书目161.课程设计目的1.帮助学生综合运用所学的理论知识，把一些单元电路有机地组合起来，组成小的系统，使学生建立系统的概念；并使学生巩固和加强已学理论知识。并掌握一般电子电路分析和设计的基本步骤。2.培养一定的独立分析问题、解决问题的能力。对设计中遇到的问题能通过独立思考、查阅有关资料，寻找解决问题的途径；对调试中出现的故障，能通过独立分析，找到故障发生原因及排除办法。3.通过课程设计培养学生树立经济观点、全局观点，培养学生实事求是的科学态度和一丝不苟的严谨作风。2.课程设计题目描述和要求2.1课程设计题目分立电路函数发生器设计与调试12.2课程设计要求1查阅资料，画出电路原理框图，详细的电路原理图。2元件参数的计算与选择，元器件的采购。3电路的设计安装，调试，记录测试结果。4测量出各个信号的频率，且频率可调。5根据测量结果，画出各种信号的波形图。6分析结果，指出电路设计中存在问题及改进办法。3.函数发生器设计与调试3.1 电路工作原理框图如图1所示：图1 电路工作原理框图3.2方波三角波转换电路及工作原理3.2.1方波三角波转换电路，如图2所示：图2 方波三角波转换电路3.2.2电路工作原理1若反馈支路断开，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 （3-1）将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 （3-2）若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 （3-3）比较器的门限宽度为 （3-4）由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3所示。图3 比较器的电压传输特性2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 （3-5）时 （3-6）时 （3-7）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。3反馈支路闭合后，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： （3-8）方波三角波的频率f为： （3-9）由以上两式可以得到以下结论：1） 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，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。最终波形如图4所示：图4 方波三角波最终波形3.3三角波正弦波转换电路及工作原理3.3.1三角波正弦波转换电路，如图5所示：图5 三角波正弦波转换电路3.3.2三角波正弦波转换电路工作原理三角波经二阶低通滤波电路后形成正弦波传递函数为： （3-10）其中： （3-11） （3-12）3.4总体电路综合以上分析，可得总体电路如图6所示：图6 总体电路3.5调试电路板根据总体电路做出的调试电路板，如图7所示。图7 调试电路板4.电路的调试及实验数据的测试4.1所用仪器仪表所用器件如下表1：表1 课程设计所用器件列表器件数量器件数量500电阻2个0.1f电容2个1K电阻2个1f电容1个4K电阻1个运放OP372个10K电阻2个5V 1W稳压管2个20K电阻2个5K电位器1个所用仪器如下表2：表2 课程设计所用仪器列表仪器数量仪器数量示波器一台万用表一个稳压电源一台导线若干电烙铁一把钳子一把4.2测试步骤及内容1.设置直流电源“+”“-”“地”，并将供电电压设为15V；2.打开示波器，检查示波器以及探笔是否正常，若不正常，则更换设备，重复该步骤，直至正常；3.接通电源，使用万用表测试芯片座上对应的电压测试点，若电压正常，将芯片插入进行实验；4.依次从3个输出测试点测试观察波形，调节电位器，使信号频率在500Hz到3KHz之间变化，观察波形变化，并记录数据；5.重复4的测试方法并记录实验数据。4.3实验数据记录设计电路部分实测数据如表3所示：表3 实验数据记录电源电压：15V频率峰峰值方波三角波正弦波938Hz206mV920mV316mV1550Hz348mV1.06V212mV2000Hz448mV1.08V162mV5.实验数据分析5.1仿真波形图5.1.1方波波形图，如图8所示：图8 电路仿真方波波形图5.1.2三角波波形图，如图9所示：图9 电路仿真三角波波形图5.1.3正弦波波形图，如图10所示：图10 电路仿真正弦波波形图5.2实际波形图5.2.1 设计产生500mV、500Hz的方波，实际产生500mV、492Hz的方波，基本符合要求。实际方波图如图11所示。图11 实际方波图5.2.2 设计产生200mV、500Hz的三角波，实际产生200mV、433Hz的三角波，基本符合要求。实际三角图如图12所示。图12 实际三角波图5.2.2 设计产生100mV、500Hz的正弦波，实际产生100mV、492Hz的正弦波，基本符合要求。实际正弦波图如图13所示。图13 实际正弦波形5.3数据对比分析仿真结果部分数据，如表4所示：表4 仿真结果部分数据频率方波三角波正弦波1.996K540350801.385403301761.61k540330891k540320227由表4明显可知，在频率变化时，方波和三角波的峰峰值不会随着改变。这是由于在电路原理所得的公式中，正弦波与三角波的峰峰值与频率无关，只与电路中所使用的电阻电容以及电压源有关。从表上不能得出频率与正弦波峰峰值之间明显的变化关系。对比表3与表4的结果可知，在同一频率时，实验实测数据与仿真数据存在较大误差，经我们小组同学共同探讨得到以下产生误差的原因：误差产生的原因：（1）电子元器件存在缺陷，比如电阻电容不够理想等；（2）电路中所用的电位器，在调试中，很难调到非常准确的数据；（3）测试时间过长导致电路板温度升高影响测量值。（4）电路焊接不好，接点接触不良等造成的误差。（5）直流源带负载能力不是很强，对数据的测量造成误差。6.课程设计总结1设计过程中遇到的问题及解决方法对于方波-三角波产生电路，遇到的第一个问题是波形无法显示。检测后发现电路中电流几乎为零，原因是电阻过大，电容有些小，使得电路无法有效起振。因此在保证电路安全基础上减小电阻值同时保证电阻间的比值，换用较大的电容，在示波器上检查波形，得出方波波形，但是其占空比不为50%，调节发现不是电路连接问题，检查器件，发现是稳压管损坏造成，更换稳压管得到理想波形。然后观测三角波波形，发现有些失真，可知是由于电容造成的，更换变容，将其增大得到理想波形。在第三级上输出正弦波形，发现有较大失真，计算电流可知电阻较大，但是更换后仍有失真。此时电路中电阻器件并未有不当，考虑电容影响。换用较大电容，不断调节，得到失真较小的波形。此些调节均在基本电路基础上完成。由于要使方波占空比可调添加电位器与二极管实现。2设计体会为期两周的课程设计已经结束，在这两周的学习、实验过程中我们感触颇深。使我们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，了解了面包板上电路搭建方法，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，尤其是在搭建电路过程中遇到问题一起解决一起想办法，更体会到在接好电路后测试出波形的那种喜悦。由高频实验到高频课程设计，由课本到自我设计，让我认识到实验中最重要的不是得到了多么好的实验结果，而是在实验过程中解决问题收获经验。在函数信号发生器实验过程中，首先遇到的问题便是我们仅有电路图，而没有电路器件值，因此我们首先须用模电知识估算各器件值，但由于掌握知识有限，我们也仅能确定范围，而无法得出准确值。因