函数信号发生器

1、模拟电子课程设计函数信号发生器设计1设计目的（1）掌握用分立元件或集成运放设计模拟电路的设计方法。（2）对设计的模拟电路进行仿真和调试。2设计任务函数信号发生器设计，要求如下：（1）输出波形：正弦波、方波、三角波等；（2）频率范围：1Hz，z；（3) 输出电压：方波Up-p=24V，三角波Up-p=6V，正弦波U1V；（4) 波形特征：方波tr10s（1kHz，最大输出时），三角波失真系数THD2%，正弦波失真系数THD1V；（4) 波形特征：方波tr10s（1kHz，最大输出时），三角波失真系数THD2%，正弦波失真系数THD5%。其目的如下：（1）为了进一步掌握模拟电子技术的理论知识，培养

2、工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力。（2）基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力。（3）学会运用Multisim11仿真软件对所作出的理论设计进行仿真测试，并能进一步完善设计。三 设计的具体实现3.1系统概述（1）函数发生器的总方案论证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)。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组成的方

3、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；也可以采用先产生方波-三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。（2）本系统的总体设计思路而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。首先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采用低通滤波的方法。总体思路转化成框图如下图所示：图1总体框架图3.2单元电路设计、仿真与分析 3.2.

4、1单元电路设计 （1）方波发生电路工作原理从一般原理来分析，可以在滞回比较器电路的基础上，靠正反馈和RC充放电回路组成矩形波发生电路。由于滞回比较器的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平，两种不同的输出电频使RC电路进行充电或放电，于是电容上的电压将升高或降低，而电容的电压又作为滞回比较器的输入电压，控制其输出端状态发生跳变，从而使RC电路由充电过程变成放电过程或相反，如此循环往复，周而复始，最后在滞回比较器的输出端即可得到一个高低电平变化周期性交替的方波信号。（2）方波-三角波发生转换电路工作原理在产生方波信号后，利用此波形输入到一个积分电路便可输出一个三角波。由于三角波信号是在电容充放电

5、过程中形成的指数曲线，所以线性度差。为了能够得到线性度较好的三角波，可以将运放和几个电阻、电容构成积分电路。由于电路存在RC电路和积分电路两个延迟环节，在实用电路中，将它们“合二为一”，即去掉方波发生电路中RC回路，使积分运算电路即作为延迟环节，又作为方波变三角波电路，滞回比较器和积分运算电路的输出互为另一个电路的输入图2 方波-三角波转换电路方波-三角波转换电路仿真图如图2所示，图中运放U2接成积分电路形式，利用电路的自激振荡由滞回比较电路输出的方波信号，经过积分电路后产生三角波信号，从输出端输出。在方波-三角波转换电路中，根据叠加定理可知：UP1=R9+R6R9+R7+R6UO2+R7R9

6、+R7+R6UO1 （1）即： UP1=R9+R6R9+R7+R6UO2R7R9+R7+R6UZ （2）式中UP1为U1的同相输入端电位，UZ为稳压管的稳定电压12V, UO2为U2的输出电压，UO1为U1的输出电压。令UP1=UN1=0，则阈值电压: UT=R7R9+R6UZ， （3）积分电路输入电压是滞回比较器，输出电压UO1，而且UO1不是+UZ， 就是-UZ，所以： UO2=-1R2+R3CXUZt1-t0+UO2t0 （4） 其中UO2t0为初态时输出电压， 图3 滞回比较器初态时UO1正好从从-UZ变为+UZ。当积分电路反向积分，UO2随时间增长线性下降，一旦UO2=-UT，再稍微

7、减小，UO1将从+UZ变为-UZ，式子变为：UO2=-1R2+R3CXUZt2-t1+UO2t1 （5）其中UO2t1为UO1产生跃变时的初态输出电压，当积分电路正向积分，UO2随时间增长线性增大，一旦UO2=+UT，再稍微增大，UO1将从-UZ变为+UZ，回到初态。积分电路又开始反向积分，电路重复以上过程，因此产生自激振荡。图4 由波形可知，正向积分起始值始终为-UT，积分时间12周期，代入式子（5）中得出：+UT=UZR3+R2CXT2+-UT （6）其中UT=R7R9+R6UZ，经计算 T=4R7CXR3+R2R9+R6, f= R9+R64R7CXR3+R2， （7） 其中R7R9+R

8、613。R1、R8都是补偿电阻，保证集成运放输入级差分放大电路对称性。由于f= R9+R64R7CXR3+R2,故R3+R2=34fCX。R3+R2=75K 7.5K，R2=5.1K，R3=100K。1HZf10HZ， 取CX=10F；10HZf100HZ， 取CX=1F；100HZf1KHZ， 取CX=0.1F；1KHZf10KHZ， 取CX=0.01F；通过改变开关和电容连接位置，即可以调节方波和三角波的频率。（3）三角波-正弦波转换电路图5三角波-正弦波转换电路三角波转换为正弦波，利用低通滤波器将三角波变换为正弦波。由RC串联接一个同相比例运算电路组成一个一阶有源低通滤波器，滤出一部分干

9、扰得到的想要的波形。 在电路中，当信号频率趋于零时，同相输入端电位UP=Ui,故电路的通带放大倍数等于同相比例运算电路比例系数，即：Aup=UPUi=1+R10R9 （8）电路电压放大倍数： Au=UOUi=1+RfR1UPUi=Aup1+jRC=Aup1+jffP （9） 其中fP=f0=12RC=f0=12RC，取C5=4.7F,R8=R9=500，R10取10 K。3.2.2单元电路仿真与分析（1）在方波-三角波发生电路中，当选择CX=10F时，产生1HZf10HZ的方波，如图所示：图6 频率为1HZ-10HZ方波-三角波图在方波-三角波发生电路中，当选择CX=1F时，产生10HZf10

10、0HZ的方波，如图所示：图7 频率为10HZ-100HZ方波-三角波图在方波-三角波发生电路中，当选择CX=0.1F时，产生100HZf1KHZ的方波，如图所示：图8 频率为100HZ-1KHZ方波-三角波图在方波发生电路中，用两个稳压管1N4741来使方波电路稳定在12V左右，以达到要求方波Up-p=24V。两个稳压管的对接，起到正、负向输出的双向限幅作用。通过调节R4电位器，来使三角波的Up-p=6V。（2）三角波-正弦波转换电路中，当选择CX=10F时，产生1HZf10HZ的正弦波，如图所示：图9 频率为1HZ-10HZ正弦波图在低频中，正弦波出现了失真情况，在正弦波失真系数THD1V即

11、可。此时的峰峰值为3.34V满足设计要求。通过调节电位器R10可以调节正弦波的峰峰值。图12 3.2.3 PCB电路版制作 在制作PCB电路板时，我选用了Altium Designer 软件，具体流程如下： (1)在PCB版制作前应先在SchematicDocument上绘制原理图，并且将所有元件的封装查出并标上，对于找不到的元件可选用相同管脚的元件进行代替。检查整个电路是否有错，并生成对应的网络表格。 （2）手动更改网络表，将一些原理图和PCB封装库中引脚名称不一致的器件引脚名称改成和PCB封装库中一致。 （3）进入PCB系统先设置PCB设计环境，包括格点大小和类型，半层参数，布线参数（这里

12、选择1mm）。点Place-Keepout-Track绘制电路版地边框.后点Design-LoadNets-Browse-.NET-下方的OK-Execute （4）然后进行PCB自动布线（重点是网络表），只有将网络表装入后才能进行电路版的布线。点击AutoRoute-All，等待电脑进行自动布线。有时布线不全面需要进行人工手动布线。（5）制作PCB印刷图点击File-New-PCBPrinter,出现一个框图，选择需要制作印刷图的电路图后点击OK，即可生成PCB印刷图。图13 函数信号发生器原理图图14 函数信号发生器PCB图四 心得体会及建议这次的模拟电子技术课程设计是我们进入大学以来对基

13、础和专业知识的首次应用。这次的课程设计让我发现了自己的许多不足，更让我明白了只有从基本的电的知识学起，并不断尝试用基本电子电路制作一些小的电子作品，将理论与实践相结合，才能真正掌握所学的知识，才能适应将来工作的要求。课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，电路设计已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握简单的电路技术是十分重要的。做了近三周的课程设计，有很多的心得体会，和在网上搜索课程设计的相关内容，也到学校图书

14、馆借相关书籍，经过不断比较与讨论，最终确定了函数信号发生器的电路原理图。通过这次课程设计，我明白了不管是学习哪种软件，如果以前从来没有接触，开始学得很费力，但到后来就好了。在每次的课程设计中，遇到问题，最好的办法就是查阅相关资料，如果找不到就向老师和其他同学请教，因为每个人掌握情况不一样，一个人不可能做到处处都懂，集合多个人的思想，复杂的事情就会变得很简单。这一点我深有体会。尽管现在只是初步学会了声控照明灯等电路的设计，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，让我又多掌握了一门新的技术，付出的过程中我也收获了很多快乐！五 附录元件名称型号数目作用稳压二极管1N47412稳压运放LM7413比较器、积分放大电阻阻值见原理图7分压、反馈电位器阻值见原理图3调节各点电位电容容值见原理图5变容，滤波开关SW-SPDT、SW DPDT2调节波形频率接口Header 24电源接口