函數(shù)信號發(fā)生器武漢理工

1、武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 劉朝陽 專業(yè)班級： 通信1203 指導(dǎo)教師： 江雪梅 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 方波、三角波、正弦波信號發(fā)生器 初始條件：集成運放LM318，電位器，電阻，電容，三極管，二極管等要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）（1）頻率可調(diào)范圍：10Hz10kHz；(2)輸出電壓：正弦波VPP=03V, 三角波VPP=05V, 方波VPP=015V；（3）輸出電壓幅度連續(xù)可調(diào)（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% （5）矩形波占空比50%95%連續(xù)

2、可調(diào)； （6）鋸齒波斜率連續(xù)可調(diào)。（7）根據(jù)理論知識書寫課程設(shè)計報告。（8）按照要求焊接實物，并調(diào)試電路功能。時間安排：原理理解并設(shè)計電路原理圖：3天實物安裝與調(diào)試：2天撰寫報告：1天答辯：1天指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要3正弦波、三角波、方波函數(shù)發(fā)生器41.原理電路的實際與說明41.1實驗方案的選擇41.1.1 方案一原理及框圖41.1.2方案二原理及框圖51.1.3 函數(shù)發(fā)生器的選擇方案51.2 實驗原理的說明61.2.1方波工作原理的說明61.2.2三角波工作原理的說明71.2.3 正弦波工作原理說明101.2.4 占空比可調(diào)的矩形波、鋸齒波產(chǎn)

3、生原理121.3 實驗元件參數(shù)的確定和計算131.3.1 方波、三角波主要元件參數(shù)131.3.2 正弦波部分主要元件參數(shù)131.4 總電路圖142Multisim電路仿真152.1 方波三角波電路仿真152.2 正弦波仿真波形172.3 占空比可調(diào)的矩形波、鋸齒波仿真183函數(shù)發(fā)生器的安裝與調(diào)試193.1 電路的安裝與調(diào)試193.2調(diào)試結(jié)果分析及結(jié)論203.3 示波器觀察波形213.4電路的實驗結(jié)果223.4.1 方波-三角波發(fā)生電路的實驗結(jié)果223.4.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實驗結(jié)果224.其他234.1元器件清單234.2課設(shè)總結(jié)234.3心得體會24參考文獻(xiàn)25摘要信號發(fā)生器作為信

4、號源的一種，能夠給被測電路提供所需要的波形廣泛地應(yīng)用于各大院校和科研場所。隨著科技的進(jìn)步，社會的發(fā)展，單一的波形發(fā)生器已經(jīng)不能滿足人們的需求，而我們設(shè)計的正是多種波形發(fā)生器。本次設(shè)計用運放來組成基本電路來分別實現(xiàn)方波、三角波和正弦波的輸出。它的制作成本不高，電路簡單，使用方便，有效的節(jié)省了人力，物力資源。本次課程設(shè)計是要求做一個能夠產(chǎn)生方波、三角波、正弦波的函數(shù)發(fā)生器。眾所周知，制作函數(shù)發(fā)生器的電路有很多種。本次設(shè)計采用的電路是基于運放和晶體三極管的電路。由理論分析知，電壓比較器可以產(chǎn)生方波積分電路可以產(chǎn)生三角波，三角波再經(jīng)過差動放大器可以產(chǎn)生正弦波。向電壓比較器輸入三角波就可以產(chǎn)生方波，于是

5、可以將積分電路的輸出作為電壓比較器的輸入。各種波形頻率段的調(diào)整可以由外電路的改變來實現(xiàn)。電路的原理部分的設(shè)計，可以是先設(shè)計單元電路，然后用仿真軟件模擬。等到各個單元都設(shè)計完成后，可以將各個單元結(jié)合到一起，由仿真軟件模擬是否符合制作要求。本次試驗中，就是先做方波發(fā)生電路：電壓比較器，然后是積分電路，最后是差分放大電路。關(guān)鍵詞：信號發(fā)生器；方波；三角波；正弦波1.原理電路的實際與說明1.1實驗方案的選擇1.1.1 方案一原理及框圖 圖1.1.1方波、三角波、正弦波、信號發(fā)生器的原理框圖本方案采用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法。我們計劃采用先產(chǎn)生方波

6、三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計方法，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，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(qiáng)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。1.1.2方案二原理及框圖 正弦波 方波 三角波積分電路電壓比較器RC正弦波振蕩電路 圖1.1.2弦波、方波、三角波信號發(fā)生器的原理框圖RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波方波三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法，電路框圖

7、如圖1-2。先通過RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成三角波。此電路具有良好的正弦波和方波信號。但經(jīng)過積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號，存在難度。原因是積分器電路的積分時間常數(shù)是不變的，而隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時改變。若要保持三角波幅度不變，需同時改變積分時間常數(shù)的大小。1.1.3 函數(shù)發(fā)生器的選擇方案函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(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

8、單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038)。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實驗調(diào)試技術(shù)，本課題未采用單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038。 方案一的電路結(jié)構(gòu)、思路簡單，運行時性能穩(wěn)定且能較好的符合設(shè)計要求，且成本低廉、調(diào)整方便，關(guān)于輸出正弦波波形的變形，可以通過可變電阻的調(diào)節(jié)來調(diào)整。而方案二，關(guān)于三角波的缺陷，不是能很好的處理，且波形質(zhì)量不太理想，且頻率調(diào)節(jié)不如方案一簡單方便。綜上所述，我們選擇方案一。1.2 實驗原理的說明1.2.1方波工作原理的說明 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(luò)，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端

9、電位Up=+UT。Uo通過R對電容C正向充電。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當(dāng)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。Un隨時間逐漸增長而減低，當(dāng)t趨于無窮大時，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,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(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。其中周期為圖1.2.1 方波發(fā)生原理圖圖1.2.2方波產(chǎn)生示意圖1.2.2三角波工作原理的說明矩形波經(jīng)過積分器就是變成了三角波，如下圖所示，可見

10、三角波發(fā)生器是由方波發(fā)生器和反相積分器組成的。但是要注意前后電路的時間常數(shù)配合好，不能讓積分器飽和。常常實際電路如圖所示 公式（1） 公式（2）工作原理：運算發(fā)大器U1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(zhuǎn)。運放的反相端接基準(zhǔn)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(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當(dāng)比較器的U+=U-=0時，比較器翻轉(zhuǎn)，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(shè)Uo1=+Vcc,則 公式（3） 將上式整理

11、，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia-為 公式（4）若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為 公式（5）比較器的門限寬度公式（6）由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖所示。 圖1.2.3傳輸特性曲線運放U2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為公式（7）時，公式（8）時，公式（9）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(guān)系下圖所示。 圖1.2.4波發(fā)生器工作波形三角波的幅度為 公式（10）方波-三角波的頻率f為公式（11）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

12、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(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可實現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波-三角波的頻率。圖1.2.5方波、三角波波形原理圖1.2.3 正弦波工作原理說明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(qiáng)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。分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為：式中差分放大器的恒

13、定電流；溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25oc時，UT26mV。如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)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(yīng)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(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp2調(diào)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。 圖1.2.6正弦波變換電路1.2.4 占空比可調(diào)的矩形波、鋸齒波產(chǎn)生原理矩形波、鋸齒波是在方波三角波的基礎(chǔ)上改進(jìn)過來的

14、，即是在三角波電路中RP2并聯(lián)一個可調(diào)的電阻和一個二極管即可。其中二極管的作用是用來控制單向?qū)щ姷?，通過電阻的聯(lián)使得電容充放電的時間不同，即可改變占空比。實際的矩形波、鋸齒波電路如下圖。圖1.2.7 矩形波、鋸齒波電路上圖中S3閉合，則產(chǎn)生占空比可調(diào)的矩形波和鋸齒波。占空比的調(diào)節(jié)靠其電位器來完成。1.3 實驗元件參數(shù)的確定和計算1.3.1 方波、三角波主要元件參數(shù)此部分主要是由運算放大器和積分電容、電阻等確定。其中運算放大器我選用的是LM318型號的。此運放轉(zhuǎn)換速率很大，屬于高速型集成運放速率達(dá)到50-70V/ms。適合高頻頻率方波信號的產(chǎn)生。其中頻率公式，式中R2取10K，R3取30K，R4

15、取5K，RP2為100K的可調(diào)電位器，根據(jù)公式及課程設(shè)計對波的頻率的要求，電容C取1uF、0.1uF、0.01uF三個量程，對三個電容量程的切換可以實現(xiàn)頻率量程的切換，且電阻RP2可實現(xiàn)對頻率的細(xì)調(diào)。在方波和三角波的輸出端各增加一組分壓電阻，即可控制其分別的輸出的電壓值。綜合以上參數(shù)即可調(diào)出方波峰峰值0-15V，三角波峰峰值0-5V的輸出電壓，同時，其輸出峰值互不影響。通過計算，在C取1uF時，通過電阻器調(diào)節(jié)大約能得到7-150Hz波輸出，在C取0.1uF時，能得到70-1500Hz的波輸出，在C取0.01uF時，能輸出700-15000Hz的輸出，故能符合要求。1.3.2 正弦波部分主要元件

16、參數(shù)此部分主要有三極管組成的差分放大電路組成，其中三極管選取常用的9013，能符合要求，并且差放的射極由鏡像恒流源組成，能夠顯著改善其性能，穩(wěn)定靜態(tài)工作點。其中滑動變阻器能調(diào)節(jié)使其差放對稱，減小其線性區(qū)，保證了波形的不失真。其中選取3個470uF的電容是為了隔離直流成分，改善波形。1uF的電容是起濾波的作用。1.4 總電路圖圖1.4.1總電路圖2Multisim電路仿真2.1 方波三角波電路仿真各電路仿真圖如下：圖2.1.1 方波仿真波形圖2.1.2 三角波仿真波形圖2.1.3 方波三角波仿真波形圖圖2.1.4 方波三角波仿真波形圖2.2 正弦波仿真波形圖2.2.1 正弦波仿真波形圖2.2.2

17、 三角波和正弦波仿真2.3 占空比可調(diào)的矩形波、鋸齒波仿真圖2.3.1 占空比可調(diào)的矩形波圖2.3.2 鋸齒波波形3函數(shù)發(fā)生器的安裝與調(diào)試3.1 電路的安裝與調(diào)試安裝方波三角波產(chǎn)生電路：把兩塊LM318集成塊插入面包板，注意布局；分別把各電阻，電容放入適當(dāng)位置，尤其注意電位器的接法；按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。調(diào)試方波三角波產(chǎn)生電路：接入電源后，用示波器進(jìn)行雙蹤觀察；調(diào)節(jié)RP1使三角波的幅值滿足指標(biāo)要求；調(diào)節(jié)RP2，微調(diào)波形的頻率；觀察示波器，各指標(biāo)達(dá)到要求后進(jìn)行下一部按裝。安裝三角波正弦波變換電路：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；搭生成直流源電路，注意R阻值選取

18、；接入各電容及電位器，注意C6的選??；按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。調(diào)試三角波正弦波變換電路：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；測試V1、V2的電容值，當(dāng)不相等時調(diào)節(jié)RP4使其相等；測試V3、V4的電容值，使其滿足實驗要求；在C4端接入信號源，利用示波器觀察，逐漸增大輸入電壓，當(dāng)輸出波形剛好；不失真時記入其最大不失真電壓。調(diào)試結(jié)果表明，各項指標(biāo)基本達(dá)到最初設(shè)計的目標(biāo)。焊接好的電路板如下圖所示圖3.2.1 實際焊接圖3.2調(diào)試結(jié)果分析及結(jié)論方波輸出的峰峰值小于2Vcc,因為運放輸出級是由NPN或PNP兩種晶體管組成的符合互補(bǔ)對稱電路,輸出方波時,兩管截止或飽

19、和導(dǎo)通,導(dǎo)通時受輸出電阻的影響,是方波輸出幅度小于電壓值，并且有電阻分壓，能方便的調(diào)節(jié)出方波、三角波、正弦波的峰值。當(dāng)比較器與積分器首尾相連,形成比環(huán)電路時,三角波的幅度為Vo2m=R2*Vcc/R3+RP1，為了使輸出的三角波的峰峰值為5v,可以調(diào)整RP1的值。電位器RP2在調(diào)整方波-三角不波的輸出頻率時,一般不會影響輸出波形的幅度.若要求輸出頻率范圍較寬,可用C改變頻率的范圍,RP2實現(xiàn)頻率微調(diào)調(diào)節(jié)電位器RP3即可以獲得符合要求的正弦波輸。3.3 示波器觀察波形圖3.3.1方波波形圖 圖3.3.2 三角波波形圖圖3.3.3 占空比可調(diào)矩形波波形 圖3.3.4 正弦波輸出波形3.4電路的實驗

20、結(jié)果3.4.1 方波-三角波發(fā)生電路的實驗結(jié)果 表一 電容對應(yīng)頻率C=0.01uffmin=713kHZfmax=12.6HZC=0.1uffmin=72HZfmax=1500HZC=1uffmin=8HZfmax=150HZ表二 各波形的峰值波形最小值最大值峰峰值方波-10.5v10.5v21v三角波-3.5v3.5v7v正弦波-1.6v1.6v3.2v3.4.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實驗結(jié)果 表二 電路參數(shù)R=15KVc1=Vc2=6.530VVc3=-0.6218VVc4=-10.307VIc1=Ic2= 0.6813mA 4.其他4.1元器件清單序號名稱規(guī)格數(shù)量備注1電阻10k92

21、電阻30k13電阻20k14電阻5.1k15電阻6.8k26電阻2k27電阻8k18電解電容470uf325v9電解電容1uf150v10磁片電容1uf111瓷片電容0.1uf112瓷片電容0.01uf113電位器050K514電位器0100K115電位器0100116三極管NPNC9013417運算放大器LM318218開關(guān)119排針若干4.2課設(shè)總結(jié) 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，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(qiáng)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

22、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。通過此次設(shè)計，我知道了函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計原理，也大致知道了各個信號的發(fā)出原理和各個波形的特性。4.3心得體會為期一個星期的課程設(shè)計已經(jīng)結(jié)束，通過這一個星期的學(xué)習(xí)，我知道了自己的知識是多么的匱乏。在這一個星期的學(xué)習(xí)、設(shè)計、焊接過程中我有了很深的感觸。通過這次課程設(shè)計讓我懂得了專業(yè)基礎(chǔ)知識的重要性，沒有好的理論基礎(chǔ)就不可能有實踐的正確性，當(dāng)自己邊看書邊做設(shè)計，通過分析總結(jié)，上網(wǎng)及圖書館的資料查閱，與老師同學(xué)的探討，更加掌握技術(shù)的支撐靠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)邏輯與實踐的檢驗。通過模仿，及與同學(xué)探討，明白了函數(shù)發(fā)生器的機(jī)理，學(xué)到了好多東西，Multisim仿真軟件，我安裝安了幾遍才安上，原因是搞不清軟件安裝的程序，進(jìn)入界面后添加器件，設(shè)置參數(shù)，畫電路圖，并仿真，到了輸出正弦波，無論如何修改元件，還是失