函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)電路

1、北 華 航 天 工 業(yè) 學(xué) 院 電子技術(shù) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告報(bào)告題目： 信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)電路 作 設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生方波、三角波、正弦波的函數(shù)發(fā)生器，要求如下：1輸出波形頻率范圍為20Hz20kHz且連續(xù)可調(diào)；2正弦波幅值為05V之間可調(diào)，失真度小于2%；3方波幅值為012V之間可調(diào)；4三角波峰值為05V之間可調(diào)。 工作內(nèi)容及時(shí)間進(jìn)度安排第13周：周1-周3 ：立題、論證方案設(shè)計(jì)周4-周5 ：預(yù)答辯第14周：周1-周3 ：仿真實(shí)驗(yàn)周4-周5 ：驗(yàn)收答辯課程設(shè)計(jì)成果1與設(shè)計(jì)內(nèi)容對(duì)應(yīng)的軟件程序2課程設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告內(nèi) 容 摘 要 本方案主要用集成運(yùn)放LM324和UA741等元器件設(shè)計(jì)組成一個(gè)簡(jiǎn)易函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。該

2、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器主要由遲滯比較器、積分器電路、二階RC有源低通濾波器電路等三部份組成。遲滯比較器電路形成方波，經(jīng)積分器電路輸出三角波，再經(jīng)二階RC有源低通濾波器電路形成正弦波，通過電源實(shí)現(xiàn)112V可調(diào)，經(jīng)過電位器實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。由此構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)易的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。本實(shí)驗(yàn)主要通過使用Multisim、protel軟件等完成電路的軟件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵字：集成運(yùn)放 方波 三角波 正弦波目 錄一、 概 述 1二、方案設(shè)計(jì)與論證2 1方案一2 2方案二2三、單元電路設(shè)計(jì)與分析21遲滯比較器 32積分器 3 3低通濾波器3 四、總原理圖及元器件清單 4五、結(jié)論 6六、心得體會(huì) 6七、參考文獻(xiàn) 6 一、概述 通過集成

3、運(yùn)放構(gòu)成遲滯比較器、積分器和低通濾波電路，依次分別輸出方波、三角波、正弦波。通過調(diào)節(jié)電壓源或滑動(dòng)變阻器，可改變波形的幅值和頻率。二、方案設(shè)計(jì)與論證函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號(hào)函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038)。產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)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(chǎn)生三角波方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊取?/p>

4、1方案一采用分立器件實(shí)現(xiàn)電路組成，主要的部件有雙運(yùn)放uA741運(yùn)算放大器、電壓比較器、積分運(yùn)算電路、二階低通濾波電路、選擇開關(guān)、電位器和一些電容、電阻組成。該方案由三級(jí)單元電路組成的，第一級(jí)單元可以產(chǎn)生方波，第二級(jí)可以產(chǎn)生三角波，第三級(jí)可以產(chǎn)生正弦波。2方案二采用集成電路實(shí)現(xiàn)，主要部件有高速運(yùn)算放大器LM318、單片函數(shù)發(fā)生器模塊5G8038、選擇開關(guān)、電位器和一些電容、電阻組成。該方案通過調(diào)節(jié)不同電位器可調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器輸出振蕩頻率大小、占空比、正弦波信號(hào)的失真，可產(chǎn)生精度較高的方波、三角波、正弦波，且具有較高的溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。3方案比較與選擇方案二采用芯片雖然精度較高，溫度穩(wěn)定性和頻

5、率穩(wěn)定性比較好，而它們只能產(chǎn)生300kHz以下的中低頻正弦波、矩形波和三角波，且頻率與占空比不能單獨(dú)調(diào)節(jié)，從而給使用帶來很大不便，也無法滿足高頻精密信號(hào)源的要求。uA741是美國(guó)仙童公司較為早期的產(chǎn)品,由于其性能完善,如差模電壓范圍和共模電壓范圍寬,增益高,不需外加補(bǔ)償,功耗低,負(fù)載能力強(qiáng),有輸出保護(hù)等,因此具有較廣泛的應(yīng)用。uA741這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護(hù)和閉鎖自由運(yùn)作，可以方便的輸出精度較高的方波、三角波、正弦波。綜上所述，本課題選用方案一。三、總原理圖及元器件清單1總原理圖多波形信號(hào)發(fā)生器方框圖如下圖所示：比較器積分器低通濾波器總原理圖如下所示：本課題采用由集成運(yùn)算放大器

6、組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。并采用先產(chǎn)生方波三角波，再將方波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法：由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，方波到正弦波的變換電路主要由低通濾波電路來完成。2.各組成部分的工作原理2.1 方波發(fā)生電路從一般原理來分析,可以在滯回比較器電路的基礎(chǔ)上,靠正反饋和RC充放電回路組成矩形波發(fā)生電路,由于滯回比較器的輸出只有兩種可能的狀態(tài)，高電平或低電平，兩種不同的輸出電平式RC電路進(jìn)行充電和放電，于是電容上的電壓降升高或降低，而電容的電壓又作為滯回比較器的輸入電壓，控制其輸出端狀態(tài)發(fā)生跳變，從而使RC電路由充電過程變成放電過程或相

7、反，如此循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始，最后在滯回比較器的輸出端即可得到一個(gè)高低電平變化周期性交替的方波信號(hào)通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)頻率范圍。通過電壓源來控制幅值。方波發(fā)生電路仿真電路模型如圖所示：方波發(fā)生電路仿真模擬2.2三角波發(fā)生電路在產(chǎn)生方波之后，利用此波形輸入到一個(gè)積分電路便可輸出一個(gè)三角波。由于三角波信號(hào)是電容的充放電過程形成的指數(shù)形式，所以線性度較差，為了能得到線性度較好的三角波，可以將運(yùn)放和幾個(gè)電阻，電容構(gòu)成積分電路。它的幅值可通過調(diào)節(jié)Rp1來調(diào)節(jié)，頻率可通過調(diào)節(jié)兩個(gè)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。三角波發(fā)生電路原理圖：三角波發(fā)生電路仿真模擬2.3正弦波發(fā)生電路 正弦波電路是由二階低通濾波構(gòu)成的，是由方波經(jīng)低通

8、濾波電路濾掉高次諧波分量，剩下基波分量，即一個(gè)和方波頻率相同的正弦波，濾波電路中有同相比例放大器是因?yàn)榈屯V波之后波形幅值減小，需要一個(gè)放大電路來達(dá)到要求的幅值，這里可通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)幅值和頻率。正弦波發(fā)生電路產(chǎn)生的波形頻率為： f=1/2RC在Multisim 10.1中可得到圖所示的波形2.方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理圖為方波-三角波轉(zhuǎn)換電路，其中運(yùn)算放大器用雙運(yùn)放器741DIV工作原理如下：（1）若a點(diǎn)斷開，運(yùn)算發(fā)大器A1（左）與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，運(yùn)放A2（右）與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波Uo1,則積分器的輸出電壓Uo2為當(dāng)時(shí)，當(dāng)

9、時(shí)，（2）若a點(diǎn)閉合，即比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動(dòng)產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為：方波-三角波的頻率f為：由此可見積分器在輸入為方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關(guān)系如下圖所示：三角波的幅度為：方波-三角波的頻率f為：由以上兩式可以得到以下結(jié)論：1. 電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時(shí)，不會(huì)影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C1改變頻率的范圍，Rp2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。2. 方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波-三角波的頻率。(3)參數(shù)的選擇1）幅度的

10、選擇由于方波的幅值由電壓源決定，為了得到12V的電壓，輸入電壓為12V的雙電源，調(diào)節(jié)電壓可調(diào)節(jié)方波的幅值范圍。由于三角波的幅值與方波幅值的關(guān)系可知調(diào)節(jié)電壓源也可改變?nèi)遣ǖ姆秶?，同時(shí)電位器Rp1也可以實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)。2）頻率的選擇由頻率公式可知，頻率可通過調(diào)節(jié)電位器Rp1和Rp2來改變。通過實(shí)驗(yàn)可知，得到20kHz的頻率比較困難，兩個(gè)電位器選擇了100k歐，R3為22k歐，R4為5.6k歐姆，R2選用了10k歐。理論上通過計(jì)算可得到5.5kHz,但是實(shí)際上只達(dá)到了近5k歐，出現(xiàn)了誤差，這可能是由各個(gè)元器件存在誤差導(dǎo)致的。改進(jìn)思路是：如果要達(dá)到更大范圍，需改變R3和R4，可是改變一個(gè)R3或R4值就

11、會(huì)影響到整體的頻率范圍.，可實(shí)施性不強(qiáng)。只好通過電位器改變，100k歐已經(jīng)算比較大的電阻了，所以，只能考慮串聯(lián)兩個(gè)100k的電位器。在Rp1和Rp2后分別再串聯(lián)一個(gè)相同的電位器，就可能實(shí)現(xiàn)更大范圍的頻率要求。2.5方波正弦波轉(zhuǎn)換原理方波是由一個(gè)和其頻率相同的正弦波和許許多多高頻諧波合成后得到的，方波越理想化，其高頻諧波分量越多，傅里葉變換簡(jiǎn)而言之就是:任意一個(gè)信號(hào)可以用多個(gè)正弦波表示，將方波表達(dá)式用傅里葉級(jí)數(shù)展開，得到各個(gè)奇次諧波分量如下： 讓二階低通濾波器的截止頻率低于三次諧波頻率即可，由上式可知，三次諧波的頻率等于基波頻率的三倍，由于本課題要求達(dá)到的最低頻率為20Hz，但實(shí)際上為40Hz左

12、右，則讓低通濾波器的截止頻率等于100Hz即可。此二階低通濾波電路的截止頻率為： f=1/2RC所以在設(shè)計(jì)低通濾波電路時(shí)選擇了10k歐的電阻和100nF的電容，其中同相比例放大器穩(wěn)定工作的條件為A=1+R8|R93所以分別選擇了15k和10k歐的電阻。四總原理圖及元器件清單1.總原理圖總仿真圖：2.元器件清單雙蹤示波器1臺(tái)運(yùn)放741-DIV2片電位器100K2只電容100nF 3只電阻22k3只電阻10K3只電阻6.8k2只LM3241只穩(wěn)壓二極管2只五、結(jié)論本課題根據(jù)設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的功能，經(jīng)過自己認(rèn)真地分析、實(shí)踐，確立方案，書寫文檔，設(shè)計(jì)出電路，在設(shè)計(jì)過程中翻閱了大量資料，通過對(duì)所得的各種資料

13、的綜合分析，提煉出自己需要的信息，從而提高自己的分析能力；通過對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)的分析，認(rèn)真體會(huì)了設(shè)計(jì)時(shí)的各項(xiàng)技術(shù)政策；通過對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的各種問題的分析與解決，鍛煉了獨(dú)立分析，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的能力；通過對(duì)電路設(shè)計(jì)中的某些問題的較為深入的探索，培養(yǎng)了自己的科研工作能力；通過設(shè)計(jì)論文的書寫，進(jìn)一步鍛煉了繪圖技巧，文字表達(dá)能力和對(duì)工作的認(rèn)真態(tài)度。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)中遇到了一些實(shí)際困難，通過本人及同組同學(xué)多次查找參考資料，以及指導(dǎo)老師的悉心講解，終于豁然開朗；通過這次設(shè)計(jì)不僅鞏固了本專業(yè)的知識(shí)，加深了對(duì)課本知識(shí)的理解，為本人在這一學(xué)期所學(xué)專業(yè)知識(shí)做了一個(gè)系統(tǒng)的把握。六心得體會(huì)本次課設(shè)比我想象的收獲要大，這是我結(jié)束課設(shè)最大的體會(huì)，從開始對(duì)課設(shè)題目的了解并逐步分析原理，進(jìn)行仿真調(diào)試，焊接等一系列步驟下來，每一步都比想象的要難，原理是比較容易了解的，但是將原理圖仿真出來這就需要解決很多問題，元器件的參數(shù)等都會(huì)對(duì)結(jié)果有一定的影響，而當(dāng)我們?cè)诿姘暹M(jìn)行調(diào)試的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)仿真才只