模擬電子技術：模電課設之函數(shù)發(fā)生器1

1、武漢理工大學模擬電子技術基礎課程設計報告課程設計任務書學生姓名： 張青青 專業(yè)班級： 通信gj1202班 指導教師： 楊福寶 工作單位： 國教學院 題 目: 低頻函數(shù)信號發(fā)生器設計 初始條件： 示波器，萬用表，直流穩(wěn)壓源，毫伏表要求完成的主要任務: 1頻率可調范圍：10Hz10kHz2.輸出電壓：正弦波VPP=03V, 三角波VPP=05V, 方波VPP=015V3.輸出電壓幅度連續(xù)可調4.方波上升時間小于2微秒，三角波線性失真小于1%，正弦波失真度小于3%時間安排：第17周（7、8節(jié)）：理論講解第18周：理論設計及實驗室安裝調試；地點：鑒主15通信工程實驗室（1），鑒主13通信工程專業(yè)實驗室

2、；第19周：撰寫設計報告及答辯；地點：鑒主17樓研究室。指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目 錄摘要(4)Abstract(5)1 函數(shù)發(fā)生器的設計方案及原理框圖（6） 1.1函數(shù)發(fā)生器的設計方案 （6） 1.2原理框圖（6）2設計的目的及任務（7）2.1 課程設計的目的（7）2.2 課程設計的任務與要求（7）2.3 課程設計的技術指標（7）3函數(shù)發(fā)生器元件選擇（8）4 各組成部分的工作原理及實現(xiàn)功能（9）4.1 方波發(fā)生電路的工作原理（9）4.2 方波-三角波轉換電路的工作原理（10）4.3 三角波-正弦波轉換電路的工作原理 （13） 4.4電路的參數(shù)選擇及計算

3、（15）4.5 總電路圖（16）5電路的安裝與調試 （17）5.1 方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調試 （17）5.2 三角波-正弦波轉換電路的安裝與調試（17）5.3 總電路的安裝與調試（17）5.4 電路安裝與調試中遇到的問題及分析解決方法（17）6 實驗總結（18）7 參考文獻(19)摘 要 函數(shù)信號發(fā)生器是一種能夠產生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。通過對函數(shù)波形發(fā)生器的原理以及構成分析，可設計一個能變換出三角波、正弦波、方波的函數(shù)波形發(fā)生器。其電路中使用的器件可以是分立器件（如低頻函數(shù)信號發(fā)生器S101

4、全部采用晶體管），也可以是集成電路（如單片集成電路函數(shù)發(fā)生器ICL8038）。產生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如先產生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變換成三角波；也可以先產生方波-三角波，再將三角波變換成正弦波。本設計中依靠自激振蕩產生正弦波，利用施密特觸發(fā)器原理組成多諧振蕩器方波方波，將方波積分產生三角波。該電路能實現(xiàn)正弦波、三角波的幅值、頻率可調，方波頻率、占空比可調。 關鍵字：函數(shù) 觸發(fā)器 集成 Abstract Function Generator is able to generate a variety of waveforms, such a

5、s the triangle wave, sawtooth, rectangular wave (including square), sine wave circuit. Function generator experiments and equipment testing at the circuit has a very wide range of uses. Through the principle of the function waveform generator and the composition analysis, can be designed to be able

6、to change out of a triangular wave, sine wave, square wave function waveform generator. The circuit used in the device can be discrete devices (such as the low-frequency signal generator S101 function used in all transistors), it can be integrated circuits (such as the monolithic integrated circuit

7、function generator ICL8038). Generate sine, square, triangle wave a variety of programs, such as created in the first sine wave, and then shaping circuit will transform into a square wave sine wave, square wave by the integral circuit will be transformed into the triangle wave; also be created in th

8、e first square - - triangular wave, and then transform into a triangular-wave sine wave. The design of relying on self-oscillating sine wave generated using the principle of the composition of the Schmitt trigger multivibrator square wave square wave triangle wave will produce square points. The cir

9、cuit can achieve sine wave, triangle wave amplitude, frequency adjustable, square-wave frequency, duty cycle adjustable.1.函數(shù)發(fā)生器設計方案及原理框圖1.1函數(shù)發(fā)生器的設計方案 本方案設計的函數(shù)發(fā)生器主要產生三種波，即正弦波、方波、三角波。產生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產生三角波方波，再將三角波變成正弦波或將方波變成正弦波等等。本課題采用先產生方波三角波，再將三角波變換成正

10、弦波的電路設計方法，其原理方框圖如下：由比較器和積分器組成方波三角波產生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。1.2原理框圖 2課程設計的目的和設計的任務及要求指標2.1 設計目的1掌握電子系統(tǒng)的一般設計方法2掌握模擬IC器件的應用3掌握常用元器件的識別和測試4熟悉常用儀表，了解電路調試的基本方法5培養(yǎng)綜合應用所學知識來指導實踐的能力2.2設計任務

11、 設計方波三角波正弦波函數(shù)信號發(fā)生器2.3課程設計的要求及技術指標1設計、組裝、調試函數(shù)發(fā)生器2輸出波形：正弦波、方波、三角波；3頻率范圍 ：10 Hz10 ；4輸出電壓：正弦波Vpp=03V，三角波Vpp=05V，方波Vpp=015V，幅度連續(xù)可調，線性失真小。3函數(shù)發(fā)生器元件選擇設計所用儀器及器件1直流穩(wěn)壓電源 1臺2雙蹤示波器 1臺3萬 用 表 1只4運 放741 2片5電位器50K 2只 100K 1只 100 1只6電 容470F 3只 10F 1只 1F 1只 0.1F 2只 0.01F 1只7三極管9013 4只8面包板 1塊9剪刀把10儀器探頭線 2根11電 源 線 4根4各組

12、成部分的工作原理及實現(xiàn)功能4.1 方波發(fā)生電路的工作原理此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉換。設某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當t趨于無窮時，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時間逐漸增長而減低，當t趨于無窮大時，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut

13、,再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產生了自激振蕩。4.2 方波-三角波轉換電路的工作原理 方波三角波產生電路UT=(R2Uo2m)(R3+Rp1) T=4R2(R4+Rp2)C1(R3+Rp1)工作原理如下：若a點斷開，運算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉。運放的反相端接基準電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當比較器的U+=U-=

14、0時，比較器翻轉，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設Uo1=+Vcc,則 將上式整理，得比較器翻轉的下門限單位Uia-為 若Uo1=-Vee,則比較器翻轉的上門限電位Uia+為 比較器的門限寬度由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3-71所示。a點斷開后，運放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為時，時，可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關系下圖所示。a點閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產生方波-三角波。三角波的幅度為方波-三角波的頻率

15、f為由以上兩式可以得到以下結論：1. 電位器RP2在調整方波-三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實現(xiàn)頻率微調。2. 方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可實現(xiàn)幅度微調，但會影響方波-三角波的頻率。4.3 三角波-正弦波轉換電路的工作原理三角波正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性

16、。分析表明，傳輸特性曲線的表達式為：式中差分放大器的恒定電流；溫度的電壓當量，當室溫為25oc時，UT26mV。如果Uid為三角波，設表達式為式中Um三角波的幅度；T三角波的周期。為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：（1） 傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；（2） 三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。（3） 圖為實現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中Rp1調節(jié)三角波的幅度，Rp2調整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1,C2,C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。三角波正弦波變換電路4.4電路的參數(shù)選擇及計算1.方波-三角波中電容

17、C1變化（關鍵性變化之一）實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，后來將C2從10uf（理論時可出來波形）換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當C2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現(xiàn)。2.三角波-正弦波部分比較器A1與積分器A2的元件計算如下。由式（3-61）得即取 ，則，取 ，RP1為47K的電位器。區(qū)平衡電阻由式（3-62）即當時，取，則，取，為100K電位器。當時 ，取以實現(xiàn)頻率波段的轉換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻。三角波正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波

18、成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調整RP4及電阻R*確定。4.5 總電路圖先通過比較器產生方波，再通過積分器產生三角波，最后通過差分放大器形成正弦波。5.電路的安裝與調試5.1 方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調試1.按裝方波三角波產生電路1. 把兩塊741集成塊插入面包板，注意布局；2. 分別把各電阻放入適當位置，尤其注意電位器的接法；3. 按圖接線，注意直流源的正負及接地端。 2.調試方波三角波產生電路1. 接入電源后，用示波器進行雙蹤觀察；2. 調節(jié)RP1，

19、使三角波的幅值滿足指標要求；3. 調節(jié)RP2，微調波形的頻率；4. 觀察示波器，各指標達到要求后進行下一部按裝。5.2 三角波-正弦波轉換電路的安裝與調試1.按裝三角波正弦波變換電路1. 在面包板上接入差分放大電路，注意三極管的各管腳的接線；2. 搭生成直流源電路，注意R*的阻值選取；3. 接入各電容及電位器，注意C6的選??；4. 按圖接線，注意直流源的正負及接地端。2.調試三角波正弦波變換電路1. 接入直流源后，把C4接地，利用萬用表測試差分放大電路的靜態(tài)工作點；2. 測試V1、V2的電容值，當不相等時調節(jié)RP4使其相等；3. 測試V3、V4的電容值，使其滿足實驗要求；4. 在C4端接入信號

20、源，利用示波器觀察，逐漸增大輸入電壓，當輸出波形剛好不失真時記入其最大不失真電壓；5.3 總電路的安裝與調試1. 把兩部分的電路接好，進行整體測試、觀察2. 針對各階段出現(xiàn)的問題，逐各排查校驗，使其滿足實驗要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。5.4調試中遇到的問題及解決的方法方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級單元電路組成的,在裝調多級電路時通常按照單元電路的先后順序分級裝調與級聯(lián)。1 方波-三角波發(fā)生器的裝調由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時輸出方波與三角波，這兩個單元電路可以同時安裝。需要注意的是，安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調整到設計值，如設計舉例題中，應先

21、使RP1=10K,RP2?。?.5-70）K內的任一值,否則電路可能會不起振。只要電路接線正確，上電后，UO1的輸出為方波，UO2的輸出為三角波，微調RP1,使三角波的輸出幅度滿足設計指標要求有，調節(jié)RP2，則輸出頻率在對應波段內連續(xù)可變。2三角波-正弦波變換電路的裝調按照圖375所示電路，裝調三角波正弦波變換電路，其中差分發(fā)大電路可利用課題三設計完成的電路。電路的 調試步驟如下。（1）經(jīng)電容C4輸入差摸信號電壓Uid=50v，F(xiàn)i =100Hz正弦波。調節(jié)Rp4及電阻R*,是傳輸特性曲線對稱。在逐漸增大Uid。直到傳輸特性曲線形狀入圖373所示，記 下次時對應的 Uid即Uidm值。移去信號

22、源，再將C4左段接地，測量差份放大器的 靜態(tài)工作點I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.(2) Rp3與C4連接，調節(jié)Rp3使三角波俄 輸出幅度經(jīng)Rp3等于Uidm值，這時Uo3的 輸出波形應 接近 正弦波，調節(jié)C6大小可改善輸出波形。如果Uo3的 波形出現(xiàn)如圖376所示的 幾種正弦波失真，則應調節(jié)和改善參數(shù)，產生是真的 原因及采取的措施有；1）鐘形失真 如圖（a）所示，傳輸特性曲線的 線性區(qū)太寬，應減小Re2。2）半波圓定或平頂失真 如圖（b）所示，傳輸特性曲線對稱性差，工作點Q偏上或偏下，應調整電阻R*.3）非線性失真 如圖（C）所示，三角波傳輸特性區(qū)線性度 差引起的失真，主要是受到運放的影響?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡改善輸出波形。（3）性能指標測量與誤差分析 1）放波輸出電壓Upp=2Vcc是因為運放輸出極有PNP型兩種晶體組成復合互補