简易函数信号发生器

1、 武汉理工大学电子电子技术基础课程设计说明书1 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。 本课程设计主要是利用集成运算放大器和晶体管差分放大器等设计一个可以进行调幅、调频的正弦波、方波、三角波的函数发生器。其主要的技术指标包括：频率可调范围：50Hz2kHz，连续可调；

2、输出电压： 输出波形的幅值分两档“50mV和5V”，均连续可调输出电压幅度连续可调。本课程设计主要的意义在于比较多种不同的函数发生器法案，然后对利用集成运算放大器和晶体管差分放大器等设计函数发生器的构造，原理进行探索。以达到更好地对课堂上所学的模拟电子技术的理解。课程设计还涉及到仿真软件的使用和实物的制作，对我们提高动手能力，学习仿真软件提到很大的作用。2.多种函数发生器方案论证与选取 2.1不同的函数发生器方案方案一：利用单片集成电路函数发生器ICL8038产生所需的波形。ICL8038的工作频率范围在几赫兹至几百千赫兹之间，它可以同时输出方波（或脉冲波）、三角波、正弦波。其内部框图如图1.

3、1.1所示。两个比较器的基准电压2Vcc/3、Vcc/3由内部电阻分压网路提供。触发器的输出端控制外接定时电容的充、放电。充、放电流的大小由外接电阻决定，当两个电流相等时，输出三角波，否则为锯齿波。ICL8038产生三角波方波的工作原理与方案三原理基本相同。三角波正弦波的变换由内部三极管开关电路与分流电阻构成的五段折线近似电路完成。调整三极管的静态工作点，可以改善正弦波的波形失真。图2.1.1 ICL8038内部框图方案二：先由RC桥式振荡电路产生正弦波，再通过施密特触发器变换为方波，又经积分电路转换为三角波，原理方框见图1.1.2。第一部分单元电路为RC文氏电桥正弦波振荡电路。其输出的正弦波

4、经过第二部分单元电路施密特触发器变换为方波输出。第三部分单元电路为积分器，它将方波积分变换为三角波和锯齿波输出。方波正弦波三角波VO积分器施密特触发器RC桥式振荡电路VO1VO2图2.1.2由RC网络的转换流程框图方案三： 首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角波，最后用积分器将三角波转化为正弦波。图2 .1.3 方波、三角波、正弦波、信号发生器的原理框图 2.2各种函数发生器方案的优缺点方案一：ICL8038的主要特点：（1）可同时输出任意的三角波、矩形波和正弦波等。（2）频率范围：0.001HZ30KHZ。（3）占空比范围：2%98%。（4）低失真正弦波

5、：0.1%。（5）低温度漂移：50ppm/。（6）三角波输出线性度：0.1%。（7）工作电源：±5V±12V或者+12V+25V。但是由于运用了集成芯片，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。不符合我们这个阶段的要求。方案二：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。为了提高RC桥式正弦波振荡电路的振动频率，必须减小R和C的数值。然而一方面，当R减小到一定程度时，同相比例运算电路的输出电阻将影响选频特性；另一方面，当C减小到一定程度时，晶体管的极间电容和电路的分布将影响选频特性；因此振动频率fo高到一定

6、程度时，其值不仅决定于选频网络，还与放大电路的参数有关，而且还将受环境温度的影响。方案三：主要由555多谐振荡器集成运算放大器组成的方波三角波正弦波函数发生器，原理在我们的模数电课程上都学过，符合我们的要求，而且电路可以产生我们所需要的范围的波形。3.单元电路的设计 3.1单元电路的设计 3.1.1方波产生电路 图3.1.1所示的电路能自动产生方波。 图3.1.1方波产生电路 利用555与外围元件构成多谐振荡器，来产生方波的原理。用555定时器组成的多谐振荡器如图3.1.1所示。接通电源后，电容C1被充电，当电容C1上端电压Vc升到2Vcc/3时使555第3脚V0为低电平，同时555内放电三极

7、管T导通，此时电容C1通过R4、R5放电，Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，V0翻转为高电平。电容器C2放电所需的时间为 tpL= ( R4 +R5) C1ln2 3-1 当放电结束时，T截止，Vcc将通过R3、R5、R4向电容器C1充电，Vc由Vcc/3 上升到2Vcc/3所需的时间为 tpH= (R3+R4+ R5) C1ln2=0.7( R3+R4+ R5) C1 3-2 当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图4，其震荡频率为f=1/（tpL+tpH）=1.43/(R3+2R4+2R5) C1 3-

8、3增加小电容C2是为了提高比较电压的稳定性，消除工作中由输出信号突变引起的干扰而设置的退耦合电容。 图3.1.2 ：由555定时器组成的多谐振荡器工作波形 由于多谐振荡器振荡器输出方波为0到VCC，通过U1过零比较器将波形整形为我们需要的方波，过零比较器是一个开环的电压放大器，当超过比较电压时， 输出正电源值，低于比较电压值时输出负电源值， 过零比较器的工作波形如图3.1.3 图3.1.3 方波输出3.1.2方波三角波产生电路 在直流稳压电源提供电压的条件下，电容的充电和放电过程，就产生了三角波。基于这个原理，最常见而且比较好实现的方法就是运用集成运放构成的积分电路。在自控系统中，常用积分电路

9、作为调节环节；此外，还广泛应用于波形的产生和变换以及仪器仪表之中，以集成运放作为放大电路，利用电阻和电容作为反馈网络，可以实现这种运算电路。图3.1.4为方波转化为三角波电路 图3.1.4方波三角波积分电路用电容C5，C3，R12并联作为反馈电路，利用“虚短”和“虚断”两条法则求输入输出信号关系，输入电压为vi,输出电压为vo,c为反馈电路电容,有 V+=V-=0（虚地） 3-4 ic=c=-c 3-5由节点电流法可知电路中，电容C中电流等于电阻R7中电流： ，输出电压与电容上电压的关系为： 而电容上电压等于其电流的积分，故 3-6在求解到时间段的积分值时 3-7式中为积分其实时刻的输出电压，

10、即积分运算的起始值，积分的终值是时刻的输出电压。当vi为常数时， 3-8为了防止低频信号增益过大，在电容上并联一个电阻R12加以限制。当输入为方波时，经过积分电路转化为三角波，示意图如图3.1.5图3.1.5方波三角波转化示意图3.1.3三角波正弦波电路图3.1.6为产生正弦波电路图3.1.6三角波正弦波工作原理与方波三角波电路类似。经过积分器三角波转化为正弦波，零点漂移进一步被放大，故加上差动放大电路进行平衡，其中2端V1，3端输入为V2，输出电压Vo, 计算公式为Vo=-V1+(1+)()V2 3-9由公式可知当V1为正弦波，V2为V1的中值直流电压时，可抑制正弦波的零点漂移。电路图如图3

11、.1.7所示图3.1.7：差动放大电路 图3.1.8电路，来实现换挡及波形幅值连续可调电路图3.1.8假设放大器输入电压为Vi,输出电压为Vo.反馈电阻为R,则 Vo=-Vi 3-10 调节R18，可实现波形输出幅值的连续可调，U6为放大电路，开关接在不同的电阻端，放大倍数不同，故可实现换挡功能。3.2参数的计算与选择 3.2.1 555振荡器U2与过零比较器U1的元件参数计算。 由公式3-3知，当R5取最大值时，振荡器输出频率最小，当R5取最大值时，振荡器输出频率最大，为满足振荡器输出频率50-2000Hz可调，且电容的充放电时间近似相等，取c1=0.1uF，由公式tpL= ( R4 +R5

12、) C1ln2 tpH= (R3+R4+ R5) C1ln2=0.7( R3+R4+ R5) C1 f=1/（tpL+tpH）=1.43/(R3+2R4+2R5) C1 其中 tpLtpH，=1.43/(R3+2R4) C1 ，=1.43/(R3+2R4+2R5) C1 取R3=10，可得R4=3K,=200K。小电容C2=0.01uF。过零比较器U1的3脚输入电压Vn理论值为0V，为了提高比较电压稳定性,Vn取近似0v正电压，故选R1=10K,R2=1K。为防止电流过大烧坏运算放大器，限流电阻选R6=10K输出回路限流电阻选R8=10K。 3.2.2三角波发生电路U3参数计算 反馈电容要有大

13、电容和小电容因为输入信号频率由小到大连续变化。当电路输入高频信号时小电容C5断开，大电容C3导通，当选取R7=100时，由公式3-6计算得大电容C3=10uF。当电路输入低频信号时，小电容C5导通，大电容C3断开，由公式3-6计算得小电容C5=0.01uF。选择电阻R12=2K。3.2.3正弦波发生电路U5差动放大电路U4参数计算正弦波发生电路U5参数计算基本同上，反馈电容也要有大电容和小电容。选取R17=50K，由公式3-6计算得大电容C6=1uF。小电容C4=0.01uF。选择保护电阻R14=20K。 差动发电路U4中，由V2为V1的中值电压，可得R9=50K，R10在0-1K范围内可调。

14、由公式3-9可得R11=10K，R13=10K，R16=100。3.2.4 换挡及波形幅值可调电路U6参数计算首先实现波形幅值连续可调选择保护电阻R19=1K，R18在0-10K范围内连续可调，调节R18，实现波形幅值连续可调，且幅值为0-5mV。利用放大电路实现换挡，当R20=500，由公式3-10可计算出R21=5K，输出波形幅值为0-50mV，R22=500K，输出波形幅值为0-5V。4 总原理图绘制与说明 总电路图： 图3.1.9总电路图的原理：555定时器接成多谐振荡器工作形式，C1为定时电容，C1的充电回路是R3R5的下半部分R4C1公共端；C1的放电回路是C1R4R5的下半部分5

15、55的7脚(放电管)公共端。由于R4+R5的下半部分R3，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由555的3脚输出的是方波。按图所示元件参数，其频率为50-2kHz，调节电位器R5可改变振荡器的频率。方波通过U1过零比较器输出我们需要的方波，再经过U3积分电路输出三角波，三角波经过U5积分电路输出正弦波，在经过U4差动放大器平衡波形。三种波形经过U6经过R18实现波形连续可调，经过放大电路来实现换挡功能。5 电路的实现及结果说明 函数发生器的仿真结果 5.1 输出方波仿真 图 5-1 方波波形 555定时器接成多谐振荡器工作形式，加上15V电压，由555的3脚输出方波。再通过U1过零比较器输

16、出如图所示方波。 5.2 输出三角波仿真 图5-2 三角波波形 积分器输入端输入方波，加上电压，有积分器输出三角波波形。5.3 输出正弦波仿真 图 5-3 正弦波波形三角波经过积分器倍积分成正弦波，再通过差动放大电路输出标准正弦波。 6 心得体会紧张而又辛苦的课程设计结束了，当我快要完成老师下达给我们的任务的时候，我仿佛经过了一次翻山越岭，登上了高山之巅，顿感心旷神怡，眼前豁然开朗。回顾整个课程设计的历程，发现自己解决问题的能力确实提高了不少，在这个课程设计中，我学到了很多有关模数电子技术理论和实际等方面的知识，而且发现了很多在模数电基础课上的学习问题，通过实验我懂得了理论和实践结合的重要性。

17、在设计过程中，只有将理论和实际结合起来，从理论中得出结论，才能真正的提高自己的实际动手能力和独立思考能力。 由于第一次做课程设计，在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。在设计中遇到了很多专业知识问题，但是由于这个原因，我在遇到不懂的地方的时候不停地去收集资料，或者询问别人，最后我的收获许多。一件事情不管它有多么难，一张电路图，不管它有多少元器件，既然它是一件事，肯定有解决的方案，既然它是一张图，也肯定存在着它内部的结构原理，实际上做课程设计也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的

18、学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而我们要做的不过是找到这些方案，摸清它的原理，从而使得我们的思想变得更为开阔，更为活跃！在该如何设计电路并使电路实现所需功能的过程中，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。而且，通过制作实物，我学会去了如何去购买元件，元件的选取，替代，电路出问题的时候如何慢慢地排查，最后找出问题的根源，把问题解决。这次设计让我体会到了设计电路的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐，这次实习使我受益匪浅。当我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！通过课程设计，使我深深地体会到，干任何事都必须耐心、细致。课程设计过程中，许多计算有事不免令我感到有些心烦意乱，记得又一次取数取错了，到最后才知道不行，只好毫不犹豫的重来。但以想起老师平时对我们的耐心教导，想到以后自己应当承担的社