武汉理工大学电子技术课程设计-函数发生器的设计.doc

武汉理工大学电子技术基础课程设计说明书绪 论 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。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。1 方案论证与比较1.1总体设计方案论证及选择1.1.1 方案一由RC桥式电路振荡产生正弦波，再经整形积分产生方波和三角波，原理方框见图1 过零比较器文氏桥振荡电路积分电路图1 由RC网络的转换流程电路图1.1.2 方案二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。本电路可以很好的结合已学的知识与实践，且输出波形幅度及频率均可通过改变元件参数进行调整，方便且成本较低。1.1.3 方案三用555定时器做出方波，再由方波通过运放作出三角波。三角波方波转换电路三角波信号发生器TP1TP2图2 555定时器做出方波三角波可行性分析在以上四种方案中：方案一：用RC桥式电路及整形积分电路构成的函数发生器所产生的信号难控制，不易调试，可调范围小；方案二：产生信号相对简单。方案三：应用芯片，由运放，电位器等组成的多功能函数信号发生器，精确度高，但过于复杂；。最后我选择第二种方案。2 系统方案及单元电路2.1 函数发生器方案概述图1为函数发生器的总体框图，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。图3 函数发生器总体框图2.2 单元电路设计2.2.1 方波-三角波产生电路图2所示的电路能自动产生方波-三角波。电路工作原理如下：若a点断开，运算放大器U1与R1、R2、RP1组成电压比较器，运放的反向端接基准电压，即V-=0，同向输入端接输入电压Via；比较器的输出Vo1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V+=V-=0时，比较器翻转，输出Vo1从高电平+Vcc跳转到低电平-Vee，或从低电平跳到高电平。设vo1=+Vcc,则图4 方波-三角波产生电路 式中RP1指电位器的调整值，（下同），将上式整理，可知比较器下门限电位 当vo1=+Vcc,则比较翻转器下门限电位运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1时，则输出积分器的电压为当Vo1=+Vcc时当Vo1=-VEE时可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图3所示。 a点闭合，即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为 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。 图5 电压比较器原理波形图 .0图6 方波-三角波波形2.2.2 三角波-正弦波变换电路 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。其非线性及变换原理如图4。图7 三角波-正弦波波形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。为使输出波形更接近正弦波，由图可见： （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。下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。图8 三角波正弦波变换电路3 元器件的选择3.1 元器件型号及参数计算 采用上图所示的电路，差分放大器中T1与T2使用9013，恒流源中的T3与T4使用9013。比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下：由因此因为当1Hzf100Hz时，取C2=1F，则R4+RP2=（757.5）k，取5.1 k，RP2为100 k电位器。当 100Hzf1000Hz，取C2=0.1F以实现频率波段的转换，R4、RP2的值不变。当1000Hzf10000Hz时，取C2=0.01F，取平衡电阻R5=10 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要取得大，因为输出频率较低，取C3=C4=C5=470F，滤波电容C6的值视输出的波形而定，若含有高次谐波较多，则C6一般为几十皮法至0.1F。3.2 集成运算放大器LM324每块运放集成电路内含有四个相同的运算放大器，它们电源共用，彼此独立工作，管脚排列如图一所示。图9（集成运算放大器LM324）4电路仿真4.1方波三角波发生电路的仿真方波：图10 仿真-方波三角波：图11 仿真-三角波4.2三角波正弦波转换电路的仿真图12 三角波-正弦波5 电路安装与调试方波-三角-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进行分级装调与级联。（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（2.570）内的任一阻值,否则电路可能会不起振.只要电路接线正确,上电后,U01的输出为方波,U02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,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2.2.2所示电路，装调三角波-正弦波变换电路，其中差分放大器可利用课题三设计完成的电路。电路的调试步骤如下：1）经电容C4输入差模信号电压uid=500mV，fi=100Hz的正弦波。调节RP4及电阻R*，使传输特性曲线对称。再逐渐增大uid，直到传输特曲线形状如图3-73所示，记下此时对应的uid，即uidm值。2）将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出幅度经RP3后输出等于uidm值，这时U03的输出波形应接近正弦波，调整C6大小可以改善输出波形。如果U03的波形出现如图4.1所示的几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的相应措施有：钟形失真如图4.1.（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小RE2。半波圆顶或平顶失真 如图4.1.（b）如示，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*。 非线性失真 如图图4.1.（c）所示，三角波的线性度较差引起的非线性失真，主要受运放性能的影响。可在输出端加滤波网络（如C6=0.1mF）改善输出波形。3）性能指标测量与误差分析1、方波输出电压UP-P2Vcc是因为运放输出级由NPN型与PNP型两种晶体管组成复补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，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。2、方波的上升时间tr，主要受运算放大器转换速率的限制。如果输出频率较高，可接入加速电容C1（图4.2.16），一般取C1为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量tr。图13 几种波形失真情况6实物图图14 正面 图15 反面7 总结 本次课程设计我在集成运放的基础上，设计出了由方波三角波共同起振加强了我们对课本上知识的思考及动手实践能力。在一个星期的资料收集过程中，我先了解了函数发生器的原理，接着开始着手其设计方案，在网上以及参考书上了解到了几种可用于产生波形的电路以及用单片机设计函数发生器的方法，经过分析各自的优劣并结合自己现有的知识水平，我选择了上述设计方案。接着便开始根据课程设计的具体要求对电路进行修改，并通过计算进行参数设置。这之中的过程都是一些小问题，但这也说明了平时课本上知识应当学扎实，这样才不至于在实际应用的时候找不到头绪，真正达到理论与实际结合的效果。这次的模拟电子技术课程设计，虽然在这个过程中我遇到了不少的困难，但最后都通过请教老师或与同学讨论而解决了，这也使我更深刻的体会到了团队合作的重要性，另外我也感受到了自己动手的乐趣，平时单学习理论知识可能会感到很枯燥，但要是把理论与实践结合起来的话，就会使自己更有求知的渴望。当我们拿到课题就开始设计方案，在考虑了众多的方案后最终总算定下来了，选了一个我认为我自己能弄出来的自己有办法能解决的，能够通过自己的努力做出来的，通过自己的努力最终能够有所收获，能够达到其设计的目的。在遇到问题后能够努力解决问题，也学会了一些新的东西，以前没有尝试过的，我想目前我们做电子课程设计，最重要是在自己已接触的知识的基础上扩展，巩固所学，从而创新！通过这次课设之后，要很认真的把所学过的知识温习一遍，温故知新！8 参考文献1吴友宇.模拟电子技术基础M. 北京:清华大学出版社，2009.5.2王冠华.Multisim 11电路设计及应用M.北京：国防工业出版社，2010.2.3赵文博.常用集成电路速查手册M.北京：机械工业出版社，2010