函数发生器董芳

1、1河南科技大学河南科技大学课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书课程名称课程名称 微机应用技术课程设计微机应用技术课程设计题题 目目 函数发生器设计函数发生器设计学学 院院 医学技术与工程医学技术与工程班班 级级 生医生医12021202班班学生姓名学生姓名 董董 芳芳指导教师指导教师 宋卫东宋卫东 杨晓利杨晓利日日 期期 20142014 4 4 3 3课程设计任务书课程设计任务书2（指导教师填写）课程设计名称 专业课综合课程设计 学生姓名 董芳 专业班级 生医122班 设计题目 函数发生器设计 一、课程设计目的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

2、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元件（如视频信号函数发生器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5G8038）。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题要求设计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。二、设计内容、技术条件和要求1. 设计方波-三角波-正弦波函数发生器；2可以采用双运放A747差分放大器设计也可以采用其他电路完成。通过查找资料选定两个以上方案，进行方案比较论证，确定一个较好的方案。3使用Protel、Proteus或EWB等软件绘制电路图。三、时间进度安排第1周：查阅

3、资料；第2周：实现设计内容第3周：整理资料，撰写课程设计任务书四、主要参考文献参考模拟电子技术和医学仪器教材指导教师签字： 年 月 日3目录目录一、绪论.41.1本课题相关背景知识.41.2函数发生器的发展现状.51.3 函数信号发生器的发展趋势.5二、函数发生器设计总方案及其原理.62.1电路设计原理框图.62.2函数发生器的总方案设计.62.3方波发生电路的电路图及工作原理.72.4方波-三角波转换电路的电路图及工作原理.82.5 三角波-正弦波转换电路的工作原理.112.6电路的参数选择及计算.132.7总电路图.14三、仿真电路.163.1方波三角波发生电路的仿真.163.2 三角波-

4、正弦波转换电路的仿真.17四、电路的实验结果.174.1 方波-三角波发生电路的实验结果.174.2 三角波-正弦波转换电路的实验结果.184.3总电路的实验结果.19五、收获与体会.19六、参考文献.204一、绪论一、绪论 1.1本课题相关背景知识本课题相关背景知识随着电子技术和计算机技术的飞速发展，电子电路及其应用系统设计手段也越来越先进。传统的电子电路与系统设计方法，周期长、耗材多、效率低，难以满足电子技术飞速发展的要求。 “电子工作平台” ，即 EWB（Electronics Workbench） ，是将先进的计算机技术应用在电子设计与仿真过程中的新技术，它已被广泛应用于电子电路分析、

5、设计、仿真、印制电路板的设计等各项工作之中。EWB 为使用者提供了一个集成一体化的设计与试验环境，创建电路、试验分析和结果输出，在一个集成菜单系统中可以全部完成，使电子电路及系统的设计产生了划时代的变化，极大地提高了设计质量与效率。EWB 与电路分析软件 PSpice 完全兼容，而且具有界面形象逼真、操作方便，采用图形方式创建电路等优点。EWB 还有庞大的元器件库和比较齐全的仪器仪表库。集成电路（IC: Integrated Circuit）是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按照一定的电路互连， “集成”在一块半导体晶片（如硅，或砷化镓）上，

6、封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的一种器件。1965 年，Intel 公司创始人之一的 Gorden E.Moore 博士在研究存储器芯片上晶体管增长数的时间关系时预测，芯片上晶体管数目每隔 18 个月翻一番或每三年翻两番，这一关系称为摩尔定律（Moores Law） 。集成电路从 19 世纪 60 年代开始发展至今，其规模几乎仍然按照摩尔定律发展。从标志 IC 水平的两个指标集成规模（Integration Scale）和特征尺寸（Feature Size）来看，目前单个芯片上已经可以制作含有几百万个晶体管的一个完整的数字系统或数模混合的电子系统，集成电路的特征尺寸也已发展到深亚微米

7、水平，0.18工艺已经m走向规模化生产。随着应用领域的不断扩展，社会对集成电路芯片的需求量和种类越来越多，消费者对产品的整机性能要求越来越高。而集成电路设计技术与制造技术水平也在迅速发展，越来越多性价比好的电路不断推出。在这种需求牵引和技术进5步的双重作用下，集成电路正在向集成系统（IS：Integrated System）发展，即在一个微电子芯片上将信息的采集、传输、存储、处理等功能集成在一起而构成系统芯片（SOC：System On Chip） 。为实现 SOC，提出了更多的基础研究、设计技术研究及工艺技术研究的方向。此外，这种微电子技术一旦与其他学科相结合，将会诞生出一些崭新的学科，ME

8、MS 技术和 DNA 生物芯片就是突出的例子。前者是微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的，后者则是与生物技术结合的产物。1.2函数发生器的发展现状函数发生器的发展现状目前，市场上的信号发生器多种多样，一般按频带分为以下几种:超高频:频率范围 1MHz 以上，可达几十兆赫兹；高频: 几百干赫兹到几兆赫兹；低频: 频率范围为几十赫兹到几百千赫；超低频:频率范围为零点几赫兹到几百赫兹；超高频信号发生器，产生波形一般用 LC 振荡电路。高频、低频和超低频信号发生器，大多使用文氏桥振荡电路，即 RC 振荡电路，通过改变电容和电阻值，改变频率。用以上原理设计的信号发生器，其输出波形一般只有两种，即正弦

9、波和脉冲波，其零点不可调。而且价格也比较贵，一般在几百元左右。在实际应用中，超低频波和高频波一般是不用的，一般用中频，即几十赫兹到几十千赫兹。用单片计算机 Inte18031，加上一片DAC0832,就可以做成一个简单的信号发生器，其频率受计算机运行的程序的控制。我们可以把产生各种波形的程序，写在 EPROM 中，装入本机，按用户的选择，运行不同的程序，产生不同的波形。再在 DAC0832 输出端加上一些电压变换电路，就完成了一个频率、幅值、零点均可调的多功能信号发生器的设计。1.3 函数信号发生器的发展趋势函数信号发生器的发展趋势中国电子测量仪器，随着世界高科技发展的潮流，走进了高科发展的道

10、路，为我国国民经济、科学教育、特别是国防军事的发展做出了巨大贡献。我国电子测量仪器在若干重大领域取得了突破性进展，为我国电子测量仪器走向世界水平奠定了良好的基础。6二、函数发生器设计总方案及其原理二、函数发生器设计总方案及其原理2.1电路设计原理框图电路设计原理框图图2-1函数发生器原理框图2.22.2函数发生器的总方案设计函数发生器的总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

11、 8038)。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或方波，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。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

12、为直流7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。2.3方波发生电路的电路图及工作原理方波发生电路的电路图及工作原理2.3.12.3.1方波发生电路电路图方波发生电路电路图图2-3-1方波产生电路方波产生电路是由滞回比较电路和 RC 定时电路构成的。其上下限: （2-3-1）（2-3-2）2.3.22.3.2工作原理工作原理（1） 设 uo = + UOM ，则：u+=UT+；此时，输出给 C 充电， UC ，设 UC初始值 UC(0+)= 0，在 uc UT+ 时，u- UT+ ， 就有 U-U+ ， UO 立

13、即由UOM 变成UOM 。 (2) 当 UO= -UOM 时，U+=UT- ，此时，C 经输出端放电,再反向充电 UC，达到 UT-时，uo 上翻，实现状态反转。当 uo 重新回到UOM 以后，电路又进omURRRU211TomURRRU211T8入另一个周期性的变化。图2-3-2工作原理示意图2.4方波方波-三角波转换电路的电路图及工作原理三角波转换电路的电路图及工作原理2.4.12.4.1方波方波-三角波转换电路的电路图三角波转换电路的电路图R110kohmR210kohm27413247651-12VVDD12VVCCR320kohm 26%47kOhmKey

14、= aRp1R45.1kohm 0%100kOhmKey = bRp2-12VVDD12VVCCR510kohmC1 10uFC5 470uFUo1图2-4-1方波三角波产生电路2.4.22.4.2工作原理工作原理若放大器 A1 同相输入端断开，运算放大器 A1与 R1、R2及 R3、RP1组成电压比较器。运放的反相端接基准电压，即 U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。比较器的输出 Uo1 的高电平等于正电源电压+Vcc，低9电平等于负电源电压-Vcc（|+VCC|=|-Vcc|）, 当比较器的 U+=U-=0 时，比较器翻转，输出 Uo1 从高电平跳到低电平-Vcc,或者

15、从低电平-Vcc跳到高电平 Vcc。设Uo1=+Vcc,则 （2-2-1） 312231231()0CCiaRRPRUVURRRPRRRP （2-2-1）312231231()0CCiaRRPRUVURRRPRRRP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 Uia-为 （2-2-2）223131()CCCCiaRRUVVRRPRRP若 Uo1=-Vcc,则比较器翻转的上门限电位 Uia+为 （2-2-3）223131()EECCiaRRUVVRRPRRP比较器的门限宽度 （2-2-4）2312HCCiaiaRUUUVRRP由式（2-2-1）（2-2-4）

16、可得比较器的电压传输特性，如图 2-2-2 所示。以及方波-三角波原理图，如图 2-2-3 所示。图2-2-2 比较器电压传输特性 图2-2-3 方波三角波原理图当比较器的门限电压为 Via+ 时输出 Vo1为高电平（+Vcc)。这时积分器开(-Vcc)10始反向积分，三角波 Vo2 线性下降。当 Vo2下降到比较器的下门限 电 位 Via 时，比较器翻转，输出 Vo1由高电平跳到低电平。这时积分器又开始正向积分，Vo2线性增加。如此反复，就可自动产生方波-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 Uo1，则积分器的输出 （2-2-5）21

17、4221()OOUU dtRRP C当时， 1OCCUV （2-2-6）2422422()()()CCCCOVVUttRRP CRRP C 当时， 1OEEUV （2-2-7）2422422()()()CCEEOVVUttRRP CRRP C 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，其波形如图 2-2-3 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 （2-2-8）2231O mCCRUVRRP方波-三角波的频率为 （2-2-9）3124224()RRPfR RRP C由式（2-2-8）以及（2-2-9）可以得到以下

18、结论：（1）电位器 RP2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。若要求输出频率的范围较宽，可用 C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。（2）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 RP1 可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。112.5 三角波三角波-正弦波转换电路的工作原理正弦波转换电路的工作原理2.5.12.5.1三角波三角波-正弦波转换电路的电路图正弦波转换电路的电路图图2-3-1 三角波正弦波的变换电路三角波正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。2.5.22.5.2工作原理工作原理差分放大器具有工作点稳定，输入

19、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12表明，传输特性曲线的表达式为： （2-3-1）011/1idTCEUUaIIaIe式中，差分放大器的恒定电流，温度的电压当量，/1CEaII0ITU当室温为 25 摄氏度时，UT26mV。如果 Uid 为三角波，设表达式为4()4(0)43() ()422midmUTtTUUTTttTTTt （2-3-2）式中 Um三角波的幅度；T三角波的周期。将式（2-3-2）代入式（2-3-1）得 （2-3-3）4()4143()4(

20、0)21( )()21mTmToVTtV TcoVttV TITteitITtTe 用计算机对式（2-3-3）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 2-3-2 所示：13为使输出波形更接近正弦波，由图可见要求：（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。（2）三角波的幅度 Um 应正好使晶体管截止电压。（3）RP 调整电路的对称性，其并联电阻 R 用来减小差分放大器的线性区。2.6电路的参数选择及计算电路的参数选择及计算2.6.12.6.1方波方波- -三角波中电容三角波中电容C1C

21、1变化（关键性变化之一）变化（关键性变化之一） 实物测试中，C1为 0.1uf 时，易出波形。2.6.22.6.2三角波三角波正弦波部分正弦波部分比较器 A1与积分器 A2的元件计算如下。31145Vcco2m132VRPRR取，取，为的电位器。取平衡电阻 210RK320RK1RPK501231/()10RRRRPK3141224RRPRRPR C f图2-3-2 三角波正弦波变换示意图14当时，取，则，取10100ZHf21CF42(75 7.5)RRPk，为电位器。当时 ，取；当45.1RkK1001001ZHfK20.1CF时 ，取以实现频率波段的转换，及的取110ZKHfK20.01

22、CF4R2RP值不变。取平衡电阻。510Rk三角波正弦波变换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，滤波电容视输出的波形而345470CCCF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。6C6C与相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的1002ER1004RP几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整及电阻确定。4RPR2.7总电路图总电路图15R110kohmR210kohm27413247651-12VVDD12VVCCR320kohm 26%47kOhmKey = aRp1R45.1kohm

23、 0%100kOhmKey = bRp2-12VVDD12VVCCR510kohmC110uFC5470uF 50%50kOhmKey = cRp3C6470uFR66.8kohmR720kohmR820kohm12VVCCR9100ohm 50%100OhmKey = dRp4R1015kohmR112kohmR122kohm-12VVDDR136.8kohmUo1Uo2C7470uFUo3Q52N2222AQ12N2222AC80.1uFQ32N2222AQ22N2222A1617三、仿真电路三、仿真电路3.1方波方波三角波发生电路的仿真三角波发生电路的仿真图3-1方波-三角波仿真结果18

24、3.2 三角波三角波-正弦波转换电路的仿真正弦波转换电路的仿真图3-2三角波-正弦波仿真结果四、电路的实验结果四、电路的实验结果4.1 方波方波-三角波发生电路的实验结果三角波发生电路的实验结果T1/msFmax/HzT2/msFmin/HzC1=0.01uf模拟值0.1ms/格*1.8格=0.1855561ms/格*9.5格=1.9551219实测值50us/格*3格=0.1566670.5ms/格*3.3格=1.65606模拟值0.5ms/格*1.65格=0.82512125ms/格*3.7格18.554C1=0.1uf实测值0.2ms/格*4.5格=0.911115ms/格*3.4格=1471模拟值5ms/格*1.45格=7.25137.950ms/格*3.7格=1855.4C1=1uf实测值1ms/格*4格=4250无值无值模拟值200ms/格*3.5格=7014200ms/格*8.8格=17600.56C1=10uf实测值无值无值无值无值4.2 三角波三角波-正弦波转换电路的实验结果正弦波转换电路的实验结果模拟值(V)实测值(V)Uc15.5615.493Uc25.4895.402Ue3-10.645-10.461Ue4-10.647-10.464204.3总电路的实验结果总电路的实验结果C1=0.01uf 时，Uim=94.67mV/1.414=66.95 mV三