函数信号发生器课程设计

1、学号：本科课程设计学 院 专 业 年 级 姓 名 课程名称 课程设计题目 指导教师 成 绩 年 月 日10课程设计成绩评定书设计题目函数发生器设计姓 名学 号专 业班 级指导教师联系电话设计任务。指导教师评语成 绩： 指导教师（签字）： 201 年 月 日学院意见：学院院长（签名）： 201 年 月 日目 录1课程设计目的12设计要求与设计指标12.1 设计要求12.2 设计指标13方案设计13.1 方案比较13.2 总体框图设计13.3 技术指标分配24功能模块设计24.1 电路设计24.2 电路的参数选择及计算65电路组装、调试、测试75.1 电路安装调试技术75.2 测试过程85.3 测

2、试结果86总结97心得体会98参考文献109 附录10函数发生器设计1 课程设计目的掌握方波-三角波-正弦波函数发生器的设计方法与测试技术。学会安装与调试由分立器件与集成电路组成的多级电子电路小系统。2 设计要求与设计指标2.1 设计要求设计方波-三角波-正弦波函数信号发生器2.2 设计指标l 输出波形 方波、三角波、正弦波等。 l 频率范围 频率范围一般分为若干波段，如1Hz10Hz，10Hz100Hz，100Hz1kHz，1kHz10kHz，10kHz100kHz,100kHz1MHz等6个波段。l 输出电压 一般指输出波形的峰-峰值，即Vp-p=2Vm。l 波形特性 表征正弦波特性的参数

3、是非线性失真，一般要求3%；表征三角波特性的参数是非线性系数，一般要求2%；表征方波特性的参数是上升时间tr，一般要求tr100ns(1kHz，最大输出时)。3 方案设计3.1 方案比较函数发生器能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形。其电路中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），也可以是集成电路（如芯片ICL8038）。本课题采用第三种方案，由集成运算放大器与晶体管差分放大器组成的方波-三角波-正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的方案有很多种，如先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变成方波，再由积分电路将方波变成三角波；

4、也可先产生三角波-方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波。本方案采用先产生方波-三角波，在将三角波变换成正弦波的电路设计。3.2 总体框图设计本课题中函数发生器电路组成框图如图所示：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图1 函数发生器组成框图三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。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

5、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。3.3 技术指标分配l 频率范围 1Hz10Hz，10Hz100Hz ；l 输出电压 方波Vp-p24V，三角波Vp-p=8V，正弦波Vp-p1V；l 波形特性 方波tr30 s，三角波2%，正弦波5%。4 功能模块设计4.1 电路设计4.1.1 方波-三角波产生电路如图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，图2 方波-三角波产生电路运算放大器 A1 与 R1、R2 及 R3、RP1 组成电压比较器，R1称为平衡电阻，C1 称为加速电容，可加速比较器的翻转；运放的反相端接基准电压，即V=0，同相端接输入电压

6、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跳到低电平-VEE，或从低电平-VEE跳到高电平+VCC。设vo1=+VCC，则 式中，RP1指电位器的调整值(以下同)。将上式整理，得比较器翻转的下门限电位 若Vo1= -VEE，则比较器翻转的上门限电位 比较器的门限宽度VH为 由式可得比较器的电压传输特性，如图3所示图3比较器电压传输特性 图4方波-三角波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vo1，则积分器的输出 当Vo1

7、= +VCC时， 当Vo1= -VEE时， 可见，当积分器的输入为方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形关系如图4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 方波-三角波的频率 由式及可以得出以下结论： 电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，一般不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率范围较宽，可用C2改变频率的范围，RP2实现频率微调。 方波的输出幅度约等于电源电压+VCC。三角波的输出幅度不超过电源电压+VCC。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。4.1.2三角波-正弦波变换电路差分放大器具有工作点

8、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，差分放大器的传输特性曲线iC1(或iC2)的表达式为 式中，=IC/IE1；I0为差分放大器的恒定电流；VT为温度的电压当量，当室温为25时，VT26mV。如果vid 为三角波，设表达式 式中，Vm为三角波的幅度；T为三角波的周期。将式代入式，则 用计算机对式进行计算，打印输出的iC1(t)或iC2(t)曲线近似于正弦波，则差分放大器的输出电压vC1(t)、vC2(t)亦近似于正弦波，波形变换过程如图5所示图5

9、 三角波-正弦波变换为使输出波形更接近正弦波，要求：传输特性曲线尽可能对称，线性区尽可能窄；三角波的幅值Vm应接近晶体管的截止电压值。图6为三角波-正弦波的变换电路。其中，RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。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6 三角波-正弦波变换电路4.2 电路的参数选择及计算4.2.1 方波-三角波中电容C1变化实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2从10F（理论时可出来波形）换成0.1F时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C2=10F时，频率很低，不容易在实际

10、电路中实现。4.2.2 三角波-正弦波部分比较器 A1与积分器 A2的元件参数计算如下： 由式得 取R2=10k，取R3=20k，RP1=47k。平衡电阻R1= R2/( R3+ RP1)10k由输出频率的表达式得 当1Hz10Hz时，取C2=10F，R4=5.1k，RP2=100k。当10Hz100Hz时，取C2=1F以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻R5=10k。三角波-正弦波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C3=C4= C5=470F，滤波电容C6的取值视输出的波形而定，若含高次谐波成分较多，则C6一般为几十皮法至0.1

11、F。RE2=100与RP4=100相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线、调整RP4及电阻R*来确定。 图7 三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路4.3 总电路图采用如图7所示电路，其中运算放大器A1与A2用一只双运放A747，差分放大器采用晶体管单端输入-单端输出差分放大器电路。因为方波的幅度接近电源电压，所以取电源电压+VCC=+12V，-VEE=-12V。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。5 电路组装、调试、测试5.1 电路安装调试技术在安装多级电路时，通常按照单元电路的先后顺序进行分级装调与级联。以下是

12、电路的装调顺序如下：5.1.1 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，故这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，在安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，否则电路可能会不起振。如果电路接线正确，则在接通电源后，A1的输出vo1为方波，A2的输出vo2为三角波，微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标的要求，调节RP2，则输出频率连续可调。5.1.2 三角波-正弦波变换电路的装调三角波-正弦波变换电路可利用差分放大器电路来实现。电路的调试步骤如下：差分放大器传输特性曲线调试。将C4与RP3的连线断开，经电容C4输入差模信号电压

13、Vid =50mV，i=100 Hz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vid,直到传输特性曲线形状如图5所示，记下此时对应的峰值Vidm。移去信号源，再将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作点I0、VC1Q、VC2Q、VC3Q、VC4Q。三角波-正弦波变换电路调试。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Vidm值，这时vo3的波形应接近正弦波，调整C6改善波形。如果vo3的波形出现如图8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处理措施如下：l 钟形失真 如图8(a)所示，传输特性曲线的线性区太宽，

14、应减小RE2。 l 半波圆顶或平顶失真 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*。l 非线性失真 如图(c)所示，三角波的线性度较差引起的失真，主要受运放性能的影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形。图8 波形失真现象5.2 测试过程按照电路图连接好方波-三角波的实验电路。接通电源，给运放加上偏置电压，通过导线引出要输出的信号。再把输出信号加到示波器上观察波形。合理的调整RP1与RP2使输2出的波形满足设计标准，记录波形及相关数据。方波-三角波的电路调好以后。再把三角波接到差分放大器的输入端。若输出的正弦波的幅值过小，可调节输入电压的幅值（调整RP1的阻值），使

15、输出的正弦波幅值达到标准的幅值。如果正弦波的波形没有关于坐标轴对称的话，需要调整RP4的阻值。最终是输出的正弦波达到设计要求，同样记录波形及相关参数。5.3 测试结果（1）方波-三角波图形方 波：X轴：2ms/divY轴：5V/div三角波：X轴：2ms/divY轴：1V/div （2）三角波-正弦波图形三角波：X轴：2ms/divY轴：1V/div正弦波：X轴：2ms/divY轴：1V/div6 总结本设计的优点是电路简单易组装，很容易能产生波形，非常适合初学者；缺点是电路元件都太简单，不精确，产生的波形容易发生失真；可改进之处：为使失真减小可使用更小的电容和更大的电阻，在差分放大器的偏置部

16、分在增加一个晶体管，以使偏置部分更有利于提高波形的品质。7 心得体会本学期我们开设了模拟电路实验课程，这门学科属于电子电路范畴，与我们的专业也都有联系，且都是理论方面的指示。近段我们进行了电子课程技术设计，通过这段时间不懈的努力与切实追求，我们小组终于做完了课程设计。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；了解了电路的连接方法；以及如何提高电路的性能等等。在实验过程中，我们也遇到了不少的问题。比如：刚连接完电路时，怎么调都不出来波形，那时心里真的不是滋味，很着急，就又照着电路图检查了一遍连线，但没发现什么问题，电路连接是没问题的；后来就开始调节示波器，但调了几次都

17、没波形，当时正好周老师在身边，周老师就帮我们把示波器调节了一下，波形就出来了，但是发现失真很大，我们当时都不知如何是好，周老师就指导我们换个更小点的电容试试，换个0.1F的电容后波形就完整的呈现在了我们眼前。通过这次试验，知道了自己在示波器调节这个能力上还有所欠缺，并且模电也学的不怎么好，都有待提高。课下有时间有机会就应该多去练习调节示波器，一定要将示波器的调节学好；并且还要在重新复习模电，提高模电的理论知识。三角波-方波的波形出现后，我们便又在试验箱与面包板之间连线使能够出现正弦波。连完后，打开电源，波形很快就出来了，没有其它什么问题。这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电的理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些！8 参考文献1 Donald A Neamen. Microelectronics Circuit Analysis