函数信号发生器(长安大学电工与电子技术课程设计)

1、电工与电子技术基础课程设计报告 题 目 函数信号发生器 学院（部） 汽车学院 专 业 汽车运用工程 班 级 22020903 学生姓名 黄仁林 学 号 2202090321 06 月 12 日至 06 月 24 日 共 2 周 指导教师（签字） 一、任务和要求1、设计并制作能产生正弦波、矩形波（占空比可调）和锯齿波等多种信号的函数信号发生器。 2、主要技术指标和要求 （1）输出的各种信号波形工作频率范围10Hz10kHz，连续可调。 （2）输出的各种信号波形幅值010V，连续可调。二、摘要信号发生器一般能自动产生正弦波、三角波、方波、锯齿波等波形的仪器，故可在设计时先在电路中产生一种信号，然后

2、再通过波形变换使电路能输出其它波形，故能设计许多电路来实现目的。在设计时，应考虑多种情况（如外界干扰、内部因素）设计一种在现实应用中性能良好，又廉价实用的方案。 采用555定时器，由555产生方波信号，方波经RC积分电路积分后即可得到三角波，再由三角波通过RC积分电路得到正弦波，该方案集成度高，同时产生正弦波的方法简单、易调。 555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅可用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测电路中；在本实验中运用555定时器的信号产生功能。本方案就是利用这种思想设计出的一个低频函数信号发生器。三、总体设计方案选择及论证 1信号产生电路方案一

3、 由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波。文氏电桥电路正弦波比较器积分器方波三角波这一方案为一开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小。但是对于三角波的产生则有一定的麻烦，因为题目要求有10倍的频率覆盖系数，然而对于积分器的输入输出关系为：显然对于10倍的频率变化会有积分时间dt的10倍变化从而导致输出电压振幅的10倍变化。而这是电路所不希望的。幅度稳定性难以达到要求。而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。 方案二 由矩形波产生电路产生矩形波，在通过积分电路把矩形波转换为锯齿波，再经过差动放大电路将锯齿波转换为正弦波。 锯齿波 矩形波积分电路三角波差

4、动放大电路正弦波矩形波产生电路 该电路的优点是十分明显的： 线性良好、稳定性好； 频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便地连续地改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变； 不存在如文氏电桥那样的过渡过程，接通电源后会立即产生稳定的波形； 三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。综合上述分析，我们采用了第二种方案来产生信号。下面将分析讨论对生成的三角波和方波变换为正弦波的方法。2信号变换电路 三角波变为正弦波的方法有多种，但总的看来可以分为两类：一种是通过滤波器进行“频域” 处理，另一种则是通过非线性元件或电路作折线近似变换“时域”处理。具体有以下几种方案：方案一 采用米勒

5、积分法。设三角波的峰值为，三角波的傅立叶级数展开：通过线性积分后：显见滤波式的优点是不太受输入三角波电平变动的影响，其缺点是输出正弦波幅度会随频率一起变化（随频率的升高而衰减），这对于我们要求的10倍的频率覆盖系数是不合适的。另外我们在仿真时还发现，这种积分滤波电路存在这较明显的失调，这种失调使输出信号的直流电平不断向某一方向变化。积分滤波法的失调图（Protel 99 SE SIM99仿真）而且输出存在直流分量。 方案二用正弦波振荡电路的自激振荡。正弦波振荡电路是用来产生一定频率和幅度的交流信号。它的频率范围很广，输出的功率可以从几毫瓦到几十千瓦。常用的正弦振荡电路有LC振荡电路和RC振荡电

6、路两种，其中RC振荡电路多用于小功率和底频率，工业生产上常采用LC振荡电路来输出较大功率和较高频率输出电压u0经RC串并联电路分压后在RC并联电路上得出反馈电压uf,加在运放的同向输入端，作为他的输入电压，由此得方案三利用差分放大器的差模传输特性。设差放的集电极电流分别为和，输入差模电压为 ,发射极电流为,则晶体三极管工作在放大区时有： 由下图的传输特性曲线我们可以想象当输入为三角波时输出会得到近似的正弦波。差放差模传输特性曲线图（Protel 99 SE SIM99仿真）这种转换方式比较简单，而且频带很宽。综合上述分析，我们采用了第二种方案来产生信号。下面将分析讨论对生成的三角波和方波变换为

7、正弦波的方法。四、设计方案的原理框图、总体电路图、接线图及说明单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算1单元电路设计（1）矩形波发生电路 如图所示，利用二极管的单向导电性使电容的充电与放电回路不同，使电容的充电与放电时间常数不相等，从而使矩形波的高电平持续时间与低电平持续时间不相等，调节可变电阻RP来改变占空比，而频率和周期不变。同时利用可变电容Cp，使电容的充电与放电时间常数同时改变，从而实现在占空比不变的条件下调节频率和周期。 接通电源后，它经R1 RP R2充电，当uc大于23Ucc时，U0为Uol。这时晶体管T导通电容C通过R2和T放电，Ucc下降。当Ucc小于13Ucc时，U0变为

8、Uoh，这时T截止，Ucc又对电容充电，如此重复过程，U0即为连续的矩形波。 充电电路： UccR1RpD1地 放电电路： UccD2RpR2T地 充放电时间分别是：TP1=0.7R1'C TP2=0.7R2'C 占空比为：D=TP1TPI+TP2=R1'R1'+R2' 周期和频率:T=0.7(R1+R2+Rp)C f=1T 计算：设定R1=1K R2=1K Rp=4k R总=6k R3=2K Rf=5K 由于设计要求输出的信号波形频率为10Hz10KHz,波形幅值010V连续可调。 通过计算确定变阻器Rf的值为5V，占空比可调范围17%85% （2）三

9、角波发生电路 如图所示，若t=0，uc=0，uo1=Uoh，则电容C2充电；同时uo按线性逐渐下降，最终从Uol跳变为Uoh。 在uo1=Uol后，电容C2开始放电，uo按线性上升，最终从Uol跳变为Uoh，电容C2开始充电，如此周而复始，产生振荡。积分器的输出Uo2为 Uo2=1/(R4+Rw1)C2Uo1dt Uo1=12V时， Uo2=12t/(R4+Rw1)C2 Uo1=0时， Uo2=0 可见积分器的输入为矩形波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的锯齿波。频率 f=R2/4R1(R4+Rw1)C2计算：R4=1K、C2=0.1uF 通过计算可得Rw1无的阻值变化范围应为030K可变

10、（3）正弦波发生电路 图3如图3所示，锯齿波到正弦波的变换电路主要由差动放大电路来完成。差动放大器具有工作点稳定，输入阻值高，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。波形变换的原理是利用差动放大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 Ic1=Ie1=Io/(1+e Ic2=Ie2=Io/(1+e式中 =Ic/Ie1； Io差动放大器的恒定电流； Ut温度的电压当量，当室温为25时，Ut26mA。又因为Uid为三角波，设表达式为 Uid=4Um(t-T/4)/T, 0tT/2 Uid=-4Um(t-3T/4)/T, T/2tT式中 Um三角波幅度；

11、T三角波的周期。则 Ic1=Io/(1+e 0tT/2 Ic2=Io/(1+e T/2tT2.设计方案的原理框图矩形波发 积分电路 差动放大电路生电路 3. 总体电路图 总体波形如下：4.主要元器件的选择该电路主要包括LM301集成运算放大器和555定时器构成的多谢振荡器，同时还有若干电容，二极管等。元器件清单名称标号规格运放A1、A2Default741电容Cp240uFC1 0.01uFC3 C4 C6400uFC2、C50.1uFC0.1uF二极管D1、D21N4148稳压管DW1、DW21N4733l三极管T1、T22N3904T3、T42N2222电阻R1、R2、R41KR3 R10

12、2KR7 R820kR5、R6、R11 R12 10K可变电阻Rp、Rf Rw1、Rw2 Rw3 4K、5k .30K、100K 100k555定时器CB5555V直流电源E1、E2、E3、E4、E5、E612V五、收获与体会、存在的问题1收获与体会 通过这次课程设计使我对所需的三部分电路有了进一步的了解和认识，并且清楚了每一部分工作时所需要的条件，也对集成芯片有了初步的认识，虽然在设计中没有使用复杂的芯片，不过还是了解到了像555、8038等芯片的基本知识。本次绘图用了CAD,期间花费了很长时间，学到了好多绘图方面的知识，这是第一次靠自己去查资料完成的任务，充分的利用了图书馆的资源，并且为以

13、后更复杂的设计打下了基础。2存在的问题 在设计中，对各元器件型号的选择还很陌生，无法很顺利地把书中所学电路知识灵活的运用到设计中，尤其是在绘图部分，设计进展的很缓慢。另外，在完成设计电路时，无法处理由于元器件参数与实际选择之间的关系。对于参数大小及相互之间的关系掌握不够完整，不够全面。六、参考文献1电路与模拟电子技术基础. 林涛 林薇 顾樱华 编 2004年6月 科学出版社2.模拟电子技术基础与应用实例 戈素贞 杜群羊 吴海青 等编著 2007年2月 北京航空航天大学出版社3.电子技术试验与课程设计指导模拟电路分册 郭永贞 刘勤编 2004年10月 东南大学出版社4.模拟电子技术基础 设计 仿真 编程与实践 李万臣主编