函数信号发生器

1、函数信号发生器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 车辆工程 班 级 学生姓名 学 号 6 月 24 日至 6 月 28 日 共 1 周目录1、 技术要求·································&

2、#183;··········2、 摘要······································&#

3、183;·········3、 总体设计方案论证及选择······························4、 方案原理框图······

4、83;·································5、 单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算··········6、 收获与体会·&

5、#183;········································7、 参考文献········

6、····································8、 附件·············&

7、#183;·································· 函数信号发生器1、 技术要求：（1）能产生正弦波、矩形波（占空比可调）、锯齿波等多种波形；（2）输出信号的工作频率范围10Hz10kHz，且连续可调；（3）输出信号波形幅值010V

8、，且连续可调；2、 摘要： 函数信号发生器，即波形发生器，能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。本次课程设计目的即产生题目所要求的三种波形，为此，我设计出三种方案以实现波形输出，分别为：1、用模拟信号发生器来实现正弦波、矩形波（占空比可调）、锯齿波等多种波形 ；2、用集成电路5G8038实现三种波形；3、用MAX308可以构成高频函数发生器来实现三种波形。最终经过比较与分析，决定采用第一种方式。基本原理为：利用RC正弦波发生器产生正弦波，利用555定时器

9、组成矩形波发生器来产生占空比可调的矩形波，利用锯齿波发生器产生锯齿波，再经由控制电路，输出波形，即可满足题目要求。三、总体设计方案论证及选择方案一：由RC正弦波发生电路产生正弦波，由555定时器组成矩形波发生电路产生矩形波，锯齿波发生电路产生锯齿波，三种波形经过控制电路，最后经过运放形成幅值可调的函数信号。原理方框图：输出波形正弦波发生器幅值调节电路控制器正弦波发生器正弦波发生器A正弦波形：uf=ui u0A图中A是基本放大电路，F是反馈电路。当振荡电路与电源接通时，在电路中激起一个微小信号，这就是起始信号。它是一个非正弦信号，含有一系列不同的正弦分量。振荡电路中含有放大和正反馈环节使其发展增

10、长；电路中的选频环节能够得到单一频率的正弦输出信号；电路中的稳幅环节可使它逐渐趋于稳定。常用的正弦振荡电路有RC振荡电路与LC振荡电路，这里，对于频率要求不高，所以可以采用频率低的RC振荡电路组成一个双联电位器，从而产生符合要求的正弦波形。矩形波形：555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT

11、=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。方案二：随着集成制造技术的不断发展，多功能信号发生器已被制作成专用集成电路。该集成电路使用方便，调试简单，性能稳定，它不仅能产生正弦波，同时能产生三角波和方波，5G8038就是其中一种，它与运算放大器LM318、电阻和电容等组合，就能实现一个多种波形输出的信号发生器。8038函数发生器方框图： 其工作原理为：上图即为8038多功能函数发生器的原理框图。它由一个恒流充放电振荡电路和一个正弦波变换器组成，恒流充放电振荡

12、器产生方波和三角波，三角波经正弦波变换器输出正弦波。图中两个比较器C1、C2组成一个参考电压分别设置在2/3Vcc和1/3Vcc上的窗口比较器。两比较器的输出分别控制R-S触发器的位置端和复位端。两个恒流源I1、I2担任对定时电容C的充放电，而充电与放电的转换则为R-S触发器的输出通过电子开关S的通或断来进行控制。电路设计I2=2I1，当电子开关S断开，电路对外接电容C充电，当电子开关S接通时，电容C放电，所以在电容C上产生线性良好的三角波，经缓冲器由3脚输出。为了得到在比较宽的频率范围内由三角波到正弦波的转换，一个由电阻与晶体管组成的折线近似转换网络将三角波转换为正弦波，由2脚输出。而用于控

13、制开关S的信号，及R-S触发器的输出，就是一方波，经缓冲器由9脚输出。恒流充放电振荡电路输出方波的振荡频率由下式决定：f0=1/T=I1/UHC(1-I1/I2)。其中UH是窗口电压比较器的上、下限门槛电压之差。对于UH=1/3Vcc，若取I2=2I1，则函数发生器产生典型的方波、三角波、正弦波。其振荡频率变为:f0=3I/2VccC。若由外部电路控制两恒流源的比值I1/I2，则可得到矩形波和锯齿波的输出。但此时不能获得正弦波输出。 方案三：MAX308可以构成高频函数发生器，能产生精度高达10MHZ的三角波/锯齿波，正弦波和方波/脉冲波形。输出频率和工作周期可以通过调整相应引脚的调整电位器轻

14、松调节。可以通过调整波形设置引脚的电平，决定输出波是正弦波、方波还是三角波。输出端连接一个MAX442放大器缓冲，可以驱动一个50的同轴电缆。MAX038原理方框图如下图：其工作原理：下图中主要包括主振器、主振荡控制器、2.5V基准电压源、正弦波形成器、方波形成器、比较器、多电路选择器，输出级和相位检测器。在COSC与GND(6)之间接上振荡电容Cr利用恒定电流IIN向Cr充电和放电，即可形成振荡，产生一个三角波和两个矩形波。图中，振荡器输出的三角波经正弦波形成器变换成等幅、低失真的正弦波。多路模拟开关则从输入的正弦波、三角波和矩形波中选择一种，作为输出。波形种类由地址A0、A1的逻辑电平来决

15、定。与此同时，三角波还经过比较器从SYNC端输出，可作为外部振荡器的同步信号。方案一的优点：1. 结构简单明了，各部分电路独立清晰2. 各部分电路稳定性好，互相之间影响小方案二的优点：1. 使用方便，调试简单2. 性能稳定，温度漂移小，正弦波输出失真度小，输出频率范围广方案三的优点：1. 占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不影响2. 波形失真小上述三种方案各有优点，都能够满足设计要求，但是方案二，三均超出了我们电工学习的范围，操作复杂，方案一各部分电路图都处于课本，源于我们所学知识，能够通过查找资料，阅读课本，结合所学设计出来，且便于操作。四、设计方案的原理框图、总体电路原理图

16、及说明1、原理框图： 正弦波发生器控制器幅值调节电路输出理想波形占空比可调的矩形波发生器锯齿波发生器2、总体电路原理图： 说明：上图即为函数信号发生器的工作原理图。他由RC正弦波发生器、555定时器组成的矩形波发生器、锯齿波发生器，幅值控制电路及开关五部分构成，其中前三部分电路分别产生正弦波，占空比可调的矩形波，锯齿波，经幅值控制电路输出波形幅值可控制在010V之间。五、单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算一、正弦波产生电路1、RC振荡电路如下图所示放大电路是同相比例运算电路，RC串并联电路既是正反馈电路，又是选频电路。输出电压。经RC串并联电路分压后在RC并联电路上得出反馈电压，加在运

17、算放大器的同相输入端，作为它的输入电压。由此得欲使i与。同相，则上式分母的虚数部分必须为零，即这时，而同相比例运算放大电路的电压放大倍数则为可见，当时，。在特定频率时，和同相，也就是RC串并联电路具有正反馈和选频作用。和都是正弦波电压。在起振时，应使，即。随着振荡幅度的增大，能自动减小，直到满足或时，振荡幅度达到稳定，以后并能自动稳幅。从到，这是自激振荡的建立过程。在图一中，是利用二极管正向伏安特性的非线性来自动稳幅的。图中，分和两部分。在上正,反向并联两只二极管，它们在输出电压的正负半周内分别导通。在起振之初，由于幅度很小，尚不足以使二极管导通，正向二极管近于开路，此时时，振荡稳定。振荡频率

18、的改变，可通过调节R或C或同时调节R和C的数值来实现。由集成运算放大器的RC振荡电路的振荡频率一般不超过1MHz。图一RC振荡电路2、正弦波发生器的设计通过双联电位器Rp改变正弦波发生电路的输出波形，输出电压幅值由幅值控制电路调节。3、主要元器件选择及参数计算，且10Hzf10KHz，C=0.2uf，代入中得到R+Rp的取值范围即：79.6R+Rp79617.8，取R=79.6则得出Rp取值范围为0Rp79538.2。+>取=20K =15K =28K集成运算放大器CF725；最大电源电压v，共模抑制比120dB，最大输入电压v。二极管D1，D2最大电流I=U0max/(+)=13.5/

19、（15000+20000）=0.39mA取2CZ52B型二极管，最大整流电流100mA，反向工作峰值电压50V。2、 矩形波产生电路由555定时器组成的多谐振荡器图是由CB555定时器组成的多谐振荡器。R1，R2和C是外接元件。555定时器的内部电路方框图上图所示，该集成电路由四部分组成：电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、输出缓冲器和放电三极管。   比较器的参考电压由三只5 k的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2Vcc3和Vcc3。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过

20、2Vcc3时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于Vcc3时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时充电，开关管截止。MR是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接Vcc。  CO是控制电压端(5脚)，平时输出2Vcc3作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个001F的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。   T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。接通电

21、源后，它经和对电容C充电，当上升略高于2/3时，比较器的输出为0,将触发器置0，为0.这时放电管T导通，电容C通过和T放电，下降略低于1/3时，比较器的输出为0,将触发器置1。，又由0变为1。这时，放电管T截止，又经和对电容C充电。如此重复此过程，为连续的矩形波。 第一个暂稳状态的脉冲宽度tp1，即电容C充电的时间： tp1(R1+R2)Cln2=0.7R2C 第二个暂稳状态的脉冲宽度tp2,即电容C充电的时间： tp2R2Cln2=0.7R2C振荡周期 T=tp1+tp20.7(RI+2R2)C 振荡频率 f=1/T=1.43/(R1+2R2)C由555定时器组成的振荡器，最高工作频率可达3

22、00kHz。输出波形的占空比 D=tp1/（tP1+tP2）=(R1+R2)/(RI+2R2)矩形波发生器的设计图是占空比可调的多谐振荡器。图中用DI和D2两只二极管将电容C的充放电电路分开，并接一电位器RP。 充电电路：UCCD1C“地” 放电电路：CD2T“地”充电和放电的时间分别为 tP10.7C, tp20.7C占空比为 电路元件的选择及参数设计,且10Hzf10KHz由此得出C=0.01uF10uF；=15K。为了使占空比有放大调节范围取Rp=12k，R1=R2=1.5K。占空比调节范围 取NE555定时器，电源电压2-18V。输出电平低于电源电压1-3V，取2V，Ucc=+15V即

23、输出高电平电压二极管D1最大电流二极管D2最大电流取两个2AP3型二极管，最大整流电流为25mA，反向工作峰值电压为30V三、锯齿波产生电路如果在三角波产生电路中，使积分电容充电和放电时间常数不同，而且相差悬殊，则在积分电路的输出端即可得到锯齿波信号1) 三角波发生器的原理所谓三角波是指波形呈三角形、且在一周期内上升沿与下降沿所对应的时间间隔相等的波。自激产生三角波的电路称为三角波发生电路。其中集成运放A1组成的迟滞比较器，其反相接地；A2组成的反相积分电路，积分器的作用是将迟滞比较器输出的矩形波转换为三角波，同时反馈给比较器的同相输入端，是比较器产生随三角波变化而翻转的矩形波。工作原理：图中

24、，集成运放A1同相输入端的电压由uo和u01共同决定，根据叠加原理 u+=u01+u0当uo>0时，u01=+Uz；当u+<0时，u01= -Uz；即迟滞比较器的翻转发生在u+=0的时刻，此时比较器的输入电压，即积分器的输出电压u0应是u0=+Uz，也就是比较器的上下门限电压。经计算，T=。2）锯齿波发生电路设计图中，利用了二极管的单向导电性。通过A1输出电压u01= ±UZ 去自动控制二极管VD1和VD2交替的导通、截止、改变Rw的中间活动头位置，就改变了RW1和下半部RW2的阻值，也就改变了积分电路中对电容C的充放回路的时间常数，从而改变u01占空比和改变锯齿波u0上

25、升沿和下降沿的时间。.工作原理分析图中，当u01=+UZ时，VD1导通、VD2截止，u01通过Rp、VD1、RW1对电容C正向充电，当忽略二极管导通电阻时，则电容C正向充电时间常数为 1=（RW1+Rp）C当u01=UZ时，VD2导通，VD1截止，u01通过Rp、VD2、RW2对电容C反向充电，当忽略二极管导通电阻时，则反向充电时间常数为 2（RW2+Rp）C改变RW的中间活动头位置，使RW1RW2,则12，则u01、u0分别为矩形波和锯齿波。 图中积分电路输出三角形电压u0的幅值为 ±Uom=±UT=±（R1/R2）UZ.震荡周期计算 设t=0的初始时刻，u01

26、(0)=+UZ,u0(0)=+R1UZ/R2，uc(0)=+R1UZ/R2,经过t1=T1的时间间隔，即t1时刻，输出电压为 u0=-=-+=- 所以 T1=2（Rp+Rw1）C 同理分析可得 T2=2（Rp+Rw2）C 所以震荡周期为 T=T1+T2=2（2Rp+Rw2）C 震荡频率为 综上所述可知：稳压管选定后，调整Rp阻值，可改变电路的震荡周期和频率；调整滑动端的位置，可改变u01的占空比及锯齿波形状（锯齿波上升和下降的斜率）。3）元件的选择与参数计算两个运算放大器选择CF725最大电源电压v，共模抑制比120dB，最大输入电压v。稳压管D1，D2选择2CW76，稳定电压为12v，稳定电

27、流20mAUz=发生电路输出电压幅值Uom=Uz，取R1=R2=6K，则Uom=12V运放输出电压最高13.5V对运放A1，i+=i-=0流过R1.R2电流,流过限流电阻R3最大电流,则，取R3=1K，取c=0.1uF，10Hzf10KHz，将R1，R2，C代入上式得5002Rp+Rw500K，取Rw=150，Rp175，为保证f=10KHz，且Rw=0时，二极管安全，取Rpmin=200即Rp=200-250K，R4=R1R2=3K,R5=120K取2CZ55B型二极管，最大整流电流为1A，反向工作峰值电压50V4.控制电路用一个单刀三掷开关S即可5幅值控制电路当滑动变阻器滑动头在最下面点时，输出uo=0；当滑动变阻器滑动头在中间时 ，输出 uo=(1+R1/R2)*ui改变滑动头的位置,即改变输出波形的幅值六、 收获与体会通过这次电工课程设计，我了解了很多书本上未曾有过的东西，明白了电工在我们社会生活中的重要作用。多次掌握陷入困境的时候，我没有放弃，通过不懈努力，找到了出路，完成了本次设计