函数发生器课程设计报告

1、u2010级通信工程模拟电路课程设计报告设计题目函数发生器设计姓名及学号刘俊君 20100343019李亚琪 20100343062张蓝心20100343064学院工程技术学院专业通信工程班级2010级4班指导教师薛世华 2012年06月04日题目：函数发生器设计一、设计题目及要求1、设计题目利用运放和分立元器件设计一函数信号发生器，能输出正弦波、三角波、方波。2、设计要求（1）基本要求输出频率：f=1KHz10Hz；输出幅度：正弦波VP-P014V；三角波VP-P07V；方波VP-P014V；输出阻抗：Ro100；输出：正弦波失真度D5%；三角波非线性r5%；方波上升时间tr10us；稳定度

2、：时间30分钟，频率漂移5%。（2）发挥部分用三端稳压器自制电源；增加频率显示功能；进一步提高指标精度。指导教师签名： 2012年 月 日二、指导教师评语指导教师签名： 2012年 月 日三、成绩 验收盖章 2012年 月 日目录一、 设计要求1二、 设计任务1三、实验原理2四、电路设计21.电路设计原理框图22. 电路方案设计2五、 各组成部分的工作原理31. 方波发生电路的工作原理32. 方波-三角波转换电路的工作原理43. 三角波-正弦波转换电路的工作原理64. 电路的参数选择及计算8六 电路仿真111. 方波-三角波发生电路的仿真112. 三角波-正弦波转换电路的仿真12七、电路板的制

3、作及电路焊接与调试13八、在调试及组装电路过程中出现的问题及解决方法13九、心得体会13十、参考文献14十一、鸣谢14十二、 附录141原件清单142作品照片1615通信工程专业模拟电路课程设计函数发生器的设计引言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。1、 设计要求（1）基本

4、要求输出频率：f=1KHz10Hz；输出幅度：正弦波VP-P014V；三角波VP-P07V；方波VP-P014V；输出阻抗：Ro100；输出：正弦波失真度D5%；三角波非线性r5%；方波上升时间tr10us；稳定度：时间30分钟，频率漂移5%。（2）发挥部分用三端稳压器自制电源；增加频率显示功能；进一步提高指标精度。2、 设计任务（1）根据设计指标及要求选择电路形式，画出原理电路图；（2）选择元器件型号及参数，并列出器件清单；（3）利用protel99软件仿真，并在通用板上组装焊接电路；（4）完成电路的测试与调整，使有关指标达到设计要求；（5）写出设计总结报告。三、实验原理本课题中函数发生器电

5、路组成如框图1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1 函数发生器电路组成方框图四、电路设计1.电路设计原理框图如图1所示2. 电路方案设计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

6、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）。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。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。本课题采用先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。本课题中函数发生器组成方案如下所示：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三角波，三角波到正弦

7、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。5、 各组成部分的工作原理1. 方波发生电路的工作原理工作电路如图2所示，此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压则同相输入端电位。通过对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，趋于；但是，一旦再稍增大，从跃变

8、为,与此同时从跃变为。随后，又通过对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，趋于；但是，一旦=,再减小，就从跃变为，从跃变为，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。图2 方波发生电路2. 方波-三角波转换电路的工作原理图3 方波-三角波转换电路 工作原理如下：如图3所示，若a点断开，运算发大器与、及、组成电压比较器，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=0，同相输入端接输入电压，称为平衡电阻。比较器的输出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|）,当比较器的时，比较器翻

9、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,则将上式整理，得比较器翻转的下门限单位-为若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为比较器的门限宽度由以上公式可得比较器的电压传输特性，a点断开后，运放与、及组成反相积分器，其输入信号为方波，则积分器的输出为 时， 时，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，a点闭合，既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f为由以上两式可以得到以下结论：电位器在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若

10、要求输出频率的范围较宽，可用改变频率的范围，实现频率微调。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。电位器可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。3. 三角波-正弦波转换电路的工作原理图4 三角波-正弦波转换电路如图4所示，三角波正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。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，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，传输特性曲线的表达式为：式中差分放大器的恒定电流；温度的电压当量，当室温为25o

11、c时，26mV。如果为三角波，设表达式为式中三角波的幅度； T三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，由图6可见：传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。图5为实现三角波正弦波变换的电路。其中调节三角波的幅度，调整电路的对称性，其并联电阻用来减小差分放大器的线性区。电容，为隔直电容，为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。图5 三角波-正弦波变换电路的仿真图图6 三角波-正弦波变换4. 电路的参数选择及计算（1）方波-三角波中电容变化（关键性变化之一）实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，

12、顺利得出波形。实际上，分析一下便知当=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。（2）三角波-正弦波部分比较器和积分器的元件计算如下。由式（3-61）得即取，则，取，为47K的点位器。区平衡电阻由式可知当时，取=10uF，则，取，为100K电位器。当时，取C1=1uF以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻R17为10千欧。三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容、要取得较大，因为输出频率很低，取，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。=100欧与=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可

13、通过观测传输特性曲线，调整及电阻R*确定。5. 总电路图（见下页）图7三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路的仿真图 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。6 电路仿真1. 方波-三角波发生电路的仿真图8 方波仿真波形图9 三角波仿真波形图10 方波三角波仿真波形2. 三角波-正弦波转换电路的仿真图11三角波-正弦波转换仿真电路七、电路板的制作及电路焊接与调试采用分别调试各个单元模块的方法，分别用示波器、15V直流电源、万用表等等仪器。电路板运用protel99se软件首先画好电路原理图，然后找出每个电路元器件的封装形式，在进行ERC校验看是否有错，确定没

14、错再生成PCB图，由于有两个元器件是自己做的封装首先必须先添加自己的库文件然后在生成PCB版。接下来就是对PCB进行布线的操作，由于电路图简单所以采用手动布线布线。实际电路板的制作运用已经布线好的PCB到实验机房制作电路板，电路板经过了锯面包板、钻孔、打印、高温附印、电解液腐蚀、防腐蚀等几个步骤，对做好的PCB电路板进行元器件的安装，然后就是焊接，焊接要防止虚焊脱焊等等。八、在调试及组装电路过程中出现的问题及解决方法1.在后面的保护电路中，有两个电解电容的极性连接错误，导致接上电源后发生电容爆炸，最后重新换了电容连接才成功。2.当各个模块连接到一起时。由于要把输入输出线连接在一起从新焊接致焊锡

15、脱落，与另一底线端连接。发生短路现象，导致无电压输出，无显示。后经检查电路发现错误并改正，电压表显示部分显示正常。3.三角波位置输出电压太小，导致波形的幅度太小，后来，经过将R6改成10K电阻，才成功调试。4在最后一个三极管Q4处，有一条导线忘记接，导致后面没有偏正，后经检验才发现错误，并改正。5.在正弦波输出处，由太多杂波，后将改成470pf才改善此问题。九、心得体会此次课程设计经历了设计方案，设计方案，画出PDF图，布局，焊接，调试，几个过程。在其中我们遇到了很多的挫折，曾一度放弃这个设计。但是最后我们还是坚持下来了。曾记得，那几个夜晚在实验室中看着那些图纸一个个想，一个个设计的样子，当我

16、们的作品做好的那一瞬间，惊喜浮上心间。一种从未有过的成就感出现了。同时，在此次课程设计中，我们对模拟电路这门课程有了更深入的了解，让我们不再是纸上谈兵，实际操作跟能发现并且纠正很多问题。并且掌握了很多工具的使用及电路的基本调试能力。十、参考文献1、康华光，电子技术基础，模拟部分（第五版），高等教育出版社2、LM358、TIP41的pdf资料十一、鸣谢本课程设计在设计过程中得到薛世华老师和的悉心指导，为我们指点迷津，并且及时帮助我们指出并改正设计过程中出现的错误。在调试过程中感谢胡仲秋老师帮助我们完成设计。老师们一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，教会了我们对待一件事情的应有的正确的

17、态度，同时也让我们顺利的完成了课程设计。在此，深深的感谢胡仲秋老师和薛世华老师对我们的悉心的指导。12、 附录1原件清单100uC6RB.1/.2电解电容（16V）100uC7RB.1/.2电解电容（16V）47uC5RB.1/.2电解电容（16V）47uC2RB.1/.2电解电容（16V）47uC3RB.1/.2电解电容（16V）0.033uC1RAD0.1电容0.1uC4RAD0.1电容1KRp3自制电位器100Re1AXIAL0.3电阻100KR5AXIAL0.3电阻10KRc2AXIAL0.3电阻10KR2AXIAL0.3电阻10KR1AXIAL0.3电阻12KR6AXIAL0.3电阻220KR3AXIAL0.3电阻2KRe3AXI