函數(shù)信號發(fā)生器汽運二班

1、電工與電子技術基礎課程設計報告 題 目 函數(shù)信號發(fā)生器 學院（部） 汽車學院 專 業(yè) 汽車運用工程 班 級 學生姓名 學 號 2012220202 06 月 20 日至 06 月 27 日 共 1 周 指導教師（簽字） 函數(shù)信號發(fā)生器一、任務和要求1、設計并制作能產生正弦波、矩形波（占空比可調）和鋸齒波等多種信號的函數(shù)信號發(fā)生器。 2、主要技術指標和要求：（1） 能產生正弦波、矩形波（占空比可調）、鋸齒波等多種波形；（2） 輸出信號的工作頻率范圍10Hz10kHz，連續(xù)可調；（3） 輸出信號波形幅值010V，連續(xù)可調。二、摘要信號發(fā)生器是指產生所需參數(shù)的電測試信號的儀器。按信號波形可分為正弦信

2、號、函數(shù)（波形）信號、脈沖信號和隨機信號發(fā)生器等四大類。信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。通過分析課題要求，考慮多種因素影響，選定一個符合要求并且在經濟與合理的前提下最優(yōu)的方案。多諧振蕩器又稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后，經過一段時間可以自行觸發(fā)翻轉到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉換而輸出一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波發(fā)生器。555計時器是一種集成電路芯片，常被用于定時器、脈沖發(fā)

3、生器和振蕩電路。555可被作為電路中的延時器件、觸發(fā)器或起振元件。本方案即使用555定時器接成多諧振蕩器使用信號產生功能，由555產生占空比可調的方波信號，方波經RC積分電路積分后即可得到三角波（鋸齒波），再由三角波通過RC積分電路得到正弦波，這種方案經濟合理，集成度高，且方法較為簡便，易于實現(xiàn)。由上述三種發(fā)生電路產生的波形經控制電路和放大電路得到幅值可調的正弦波、矩形波和方波，頻率的改變則由發(fā)生電路中的相關元件改變。三、總體設計方案選擇及論證產生正弦波、方波與鋸齒波的方案有許多種，如可以先產生正弦波，再由過零比較器將正弦波轉換為矩形波，最后經積分電路將矩形波轉換為三角波。除此之外，也可以先產

4、生三角波再轉化為正弦波等等。具體方案有以下幾種：方案一：由文氏電橋產生正弦波波形，然后經由過零比較器得到方波，最后通過積分電路將其轉化為三角波（鋸齒波）。文氏電橋電路正弦波比較器積分器方波三角波這一方案結構簡單，易于實現(xiàn)電路，產生正弦波和方波的波形失真較小。但由于題目有較高的工作頻率范圍，而積分器的輸入輸出關系為顯然對于較大頻率變化會有積分時間dt的較大變化從而導致輸出電壓振幅的較大變化，而這是電路所不希望的。其幅度穩(wěn)定性難以達到要求。 方案二：由RC正弦波發(fā)生電路產生正弦波，由555定時器組成的占空比可調的多諧振蕩器產生矩形波，由鋸齒波發(fā)生電路產生鋸齒波（電壓比較器構成矩形波發(fā)生電路輸出矩形

5、波再轉化為鋸齒波），三種波形經過控制電路，最后經過運放形成幅值可調的函數(shù)信號。 該方案的最大優(yōu)點在于其簡單的可操作性，通過接入各個波形的發(fā)生電路從而實現(xiàn)三種波形的切換，再經由控制電路實現(xiàn)方案對頻率與輸出信號幅值的調整也易于實現(xiàn)。 方案三：由矩形波發(fā)生電路產生矩形波，在通過積分電路把矩形波轉換為鋸齒波，再經過差分放大電路將鋸齒波轉換為正弦波。通過對差分放大電路部分元器件的調節(jié)來改善正弦波產生的波形。 該方案線性良好、穩(wěn)定性好、頻率易調，而且頻率改變時，幅度恒定不變。且三角波和方波在半周期內是時間的線性函數(shù)，易于變換其他波形。但該方案矩形波占空比不可調。具體步驟如下圖：矩形波發(fā)生電路矩形波積分電路

6、三角波差分放大電路正弦波 鋸齒波 方案四：采用集成電路實現(xiàn)，主要部件有運算放大器LM318、單片函數(shù)發(fā)生器模塊5G8038、電阻和電容等。該方案可以通過調節(jié)函數(shù)發(fā)生器輸出改變振蕩頻率大小、占空比、正弦波的失真，可產生精度較高的方波、三角波、正弦波，且具有較高的溫度穩(wěn)定性和頻率特性。 方案四采用芯片雖然精度較高，溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性比較好，但產生的波形頻率和占空比不能單獨調節(jié)，從而給使用帶來很大不便。而且該方案操作不易，在短時間內要能熟練運用單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038有較大困難。 方案五：利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產生多種波形，達到較高的頻率，且易于調試。鑒于此，美國馬克西姆公司開發(fā)了新

7、一代函數(shù)信號發(fā)生器ICMAX038，它克服了方案二中芯片的缺點，可以達到更高的技術指標，是上述芯片望塵莫及的。MAX038頻率高、精度好，因此它被稱為高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器IC。在鎖相環(huán)、壓控振蕩器、頻率合成器、脈寬調制器等電路的設計上，MAX038都是優(yōu)選的器件。 方案五的輸出頻率穩(wěn)定性高，頻率輸出線形度好、頻率分辨度高、波形正確，頻率變換時間小，相位噪聲小、人機界面好、易于控制等優(yōu)點。但其結構相對復雜，需要有較高的電工學基礎，在較短時間內實現(xiàn)起來比較困難。 方案六：利用專用直接數(shù)字合成DDS芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產生任意波形并達到很高的頻率。該方案能產生任意波形且達到很高的頻率，但是成本較高

8、。 綜上所述，我們在保證短時間內實現(xiàn)任務要求的前提下，考慮方案的經濟與合理性及可操作性等多方面因素，選擇方案二來實現(xiàn)函數(shù)信號發(fā)生器。四、設計方案的原理框圖、總體電路圖、接線圖及說明原理框圖總體電路圖如圖，由RC正弦波發(fā)生電路（右上）產生正弦波；由555定時器組成占空比可調多諧振蕩器（左上）產生矩形波；三角波（鋸齒波）發(fā)生電路（左下）先使用電壓比較器構成矩形波發(fā)生電路，輸出的矩形波經積分電路變換獲得鋸齒波。三種波形經過控制電路，最后經過運放形成幅值可調的函數(shù)信號。五. 單元電路設計、主要元器件選擇與電路參數(shù)計算1.正弦波發(fā)生電路1).自激振蕩在振蕩電路中，如果在放大器的輸入端不加輸入信號，輸出端

9、仍有一定的幅值和頻率的輸出信號，這種現(xiàn)象叫做自激振蕩。無論在振蕩電路還是反饋電路中，自激振蕩都是正反饋的，而且反饋電路實現(xiàn)自激振蕩要有足夠的反饋量。電路中微小德爾起始擾動信號經選屏后，通過正反饋電路反饋到輸入端，只要滿足上述兩個條件，反饋電壓經放大電路放大后就會有更大的輸出。經過多次循環(huán)，最后利用非線性元件的非線性，使輸出電壓幅度自動維持在一個穩(wěn)定數(shù)值上。2). RC正弦波振蕩RC振蕩電路如下圖所示。放大電路是同相比例運算電路，RC串并聯(lián)電路既是正反饋電路，又是選頻電路。輸出電壓經RC串并聯(lián)電路分壓后在RC并聯(lián)電路上得出反饋電壓，加在運算放大器的同相輸入端，作為它的輸入電壓。由此得： RC振蕩

10、電路圖欲使i與。同相，則上式分母的虛數(shù)部分必須為零，即這時，而同相比例運算放大電路的電壓放大倍數(shù)則為可見，當時，。在特定頻率時，和同相，也就是RC串并聯(lián)電路具有正反饋和選頻作用。和都是正弦波電壓。在起振時，應使，即。隨著振蕩幅度的增大，能自動減小，直到滿足或時，振蕩幅度達到穩(wěn)定，以后并能自動穩(wěn)幅。從到，這是自激振蕩的建立過程。上圖是利用二極管正向伏安特性的非線性來自動穩(wěn)幅的。圖中，分和兩部分。在上正,反向并聯(lián)兩只二極管，它們在輸出電壓的正負半周內分別導通。在起振之初，由于幅度很小，尚不足以使二極管導通，正向二極管近于開路，此時時，振蕩穩(wěn)定。3).正弦波發(fā)生器的設計如圖，根據(jù)雙聯(lián)電位器Rp調節(jié)正

11、弦波發(fā)生電路的輸出波形，輸出電壓的幅值調節(jié)則由控制電路實現(xiàn)。4).主要元器件選擇及參數(shù)計算，且10Hzf10KHz，C=0.2uf，代入中得到R+Rp的取值范圍,即：79.6R+Rp79617.8取R=79.6則得出Rp取值范圍為 0Rp79538.2+>取=20K =15K =28K集成運算放大器CF725；最大電源電壓v，共模抑制比120dB，最大輸入電壓v。二極管D1，D2最大電流I=U0max/(+)=13.5/（15000+20000）=0.39mA取2CZ52B型二極管，最大整流電流100mA，反向工作峰值電壓50V。3.鋸齒波發(fā)生電路 鋸齒波（Sawtooth Wave）是

12、常見的波形之一。標準鋸齒波先呈直線上升，隨后陡落，再上升，再陡落，如此反復。在三角波發(fā)生電路中，使積分電容充電和放電時間常數(shù)不同,則能在積分電路的輸出端得到鋸齒波。1 ) .三角波發(fā)生器三角波是指波形呈三角形，且在一周期內上升沿與下降沿所對應的時間間隔相等的波。自激振蕩產生三角波的電路稱為三角波發(fā)生電路。如下圖：其中集成運算放大器A1組成遲滯比較器，其反相接地；A2組成的反相積分電路，積分器的作用是將遲滯比較器輸出的矩形波轉換為三角波，同時反饋給比較器的同相輸入端。工作原理：電路的工作穩(wěn)定后，當u01為- uz時，應用疊加原理求出A1同相輸入端的點位：u1+= (- uz) + ( u0)式中

13、，第一項是A1的輸出電壓u01單獨作用時（A2的輸出端接“地”短路，即u0=0）的A1同相輸入端電位；第二項是A2的輸出電壓u0單獨作用時（A1的輸出端接“地”短路，即u01=0）的A1同相輸入的電位。比較器的參考電壓uR=u1- =0。此時比較器的輸入電壓，即積分器的輸出電壓u0應是u0=+Uz。2 ) . 鋸齒波發(fā)生電路 鋸齒波發(fā)生器的電路與上述的三角波發(fā)生器電路基本相同，只是利用了二極管的單向導電性。如圖，積分電路反向輸入端的電阻R4分為兩路，使正、負向積分的時間常數(shù)大小不等，故兩者積分速率明顯不同。 當u01=+UZ時，VD1導通、VD2截止，u01通過Rp、VD1、RW1對電容C正向

14、充電，當忽略二極管導通電阻時，則電容C正向充電時間常數(shù)為1=（RW1+Rp）C當u01=UZ時，VD2導通，VD1截止，u01通過Rp、VD2、RW2對電 容C反向充電，當忽略二極管導通電阻時，則反向充電時間常數(shù)為2（RW2+Rp）C 改變RW的中間活動頭位置，使RW1RW2,則12，則u01、u0分別為矩形波和鋸齒波。圖中積分電路輸出三角形電壓u0的幅值為±Uom=±UT=±（R1/R2）UZ振蕩周期計算： 設t=0的初始時刻，u01(0)=+UZ,u0(0)=+R1UZ/R2，uc(0)=+R1UZ/R2,經過t1=T1的時間間隔，即t1時刻，輸出電壓為u0=

15、-=-+=-所以 T1=2（Rp+Rw1）C同理分析可得T2=2（Rp+Rw2）C所以振蕩周期為T=T1+T2=2（2Rp+Rw2）C振蕩頻率為 由上述內容可知，當穩(wěn)壓管選定后，調整Rp的阻值可以調整振蕩周期和頻率，調整滑動端位置可改變u01的占空比及鋸齒波鋸齒波上升和下降的斜率。3）.元件的選擇與參數(shù)計算兩個運算放大器選擇CF725最大電源電壓v，共模抑制比120dB，最大輸入電壓v。穩(wěn)壓管D1，D2選擇2CW76，穩(wěn)定電壓為12v，穩(wěn)定電流20mAUz=發(fā)生電路輸出電壓幅值Uom=Uz，取R1=R2=6K，則Uom=12V運放輸出電壓最高13.5V對運算放大器A1，i+=i-=0流過R1、

16、R2電流 流過限流電阻R3最大電流 則 ，取R3=1K，取c=0.1uF，10Hzf10KHz將R1，R2，C代入上式得5002Rp+Rw500K，取Rw=150，Rp175，為保證f=10KHz，且Rw=0時，二極管安全，取Rpmin=200，即 Rp=200250K ，R4=R1R2=3 K,R5=120K取2CZ55B型二極管，最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓50V。3.矩形波發(fā)生電路1).555定時器組成的多諧振蕩器 多諧振蕩器，即無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時無須外加觸發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖（自激振蕩）。因為矩形波含有豐富的諧波，故稱為多諧振蕩器。 如下圖是一個由

17、555定時器接成的多諧振蕩器,R1，R2和C是外接元件。555定時器的內部電路方框圖如下圖所示，該集成電路由四部分組成：電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、輸出緩沖器和放電三極管。接通電源后，它經和對電容C充電，當上升略高于2/3時，比較器的輸出為0,將觸發(fā)器置0，為低電平電壓（0）.這時放電管T導通，電容C通過和T放電，下降。 下降略低于1/3時，比較器的輸出為0,將觸發(fā)器置1。，又由低電平電壓（0）變?yōu)楦唠娖诫妷海?）。這時，放電管T截止，又經和對電容C充電。如此重復此過程，為連續(xù)的矩形波，如上圖波形圖所示。 第一個暫穩(wěn)狀態(tài)的脈沖寬度tp1，即電容C充電的時間： tp1(R1+R2)C

18、ln2=0.7(R1+R2)C 第二個暫穩(wěn)狀態(tài)的脈沖寬度tp2,即電容C充電的時間： tp2R2Cln2=0.7R2C振蕩周期 T=tp1+tp20.7(R1+2R2)C 振蕩頻率 f=1/T=1.43/(R1+2R2)C由555定時器組成的振蕩器，最高工作頻率可達300kHz。輸出波形的占空比 D=tp1/（tP1+tP2）=(R1+R2)/(R1+2R2) 2）.矩形波發(fā)生器的設計上圖是占空比可調的多諧振蕩器。圖中用DI和D2兩只二極管將電容C的充放電電路分開，并接一電位器RP。充電電路與放電電路可視為相互獨立，調節(jié)占空比時，振蕩頻率和周期保持不變，不受到影響。具體如下： 充電電路： UC

19、CD1C“地” 放電電路： CD2T“地”充電和放電的時間分別為 tP10.7C, tp20.7C占空比為 振蕩周期 T=tp1+tp20.7(R1+R2+Rp)C 振蕩頻率 f=1/T=1.43/(R1+R2+Rp)C3).電路元件的選擇及參數(shù)選定,且10Hzf10KHz由此得出C=0.01uF10uF；=15K。為了使占空比有放大調節(jié)范圍取Rp=12k，R1=R2=1.5K。占空比調節(jié)范圍 取NE555定時器，電源電壓2-18V。輸出電平低于電源電壓1-3V，取2V，Ucc=+15V即輸出高電平電壓二極管D1最大電流二極管D2最大電流取兩個2AP3型二極管，最大整流電流為25mA，反向工作峰值電壓為30V4.控制電路使用一個單刀三擲開關即可實現(xiàn)控制電路與各個波形的發(fā)生電路連接。幅值控制電路如下圖：說明：如圖，當滑動變阻器滑動頭在最下面點時，輸出uo=0；當滑動變阻器滑動頭在中間時，輸出 uo=(1+R1/R2)*ui；改變滑動頭的位置,即可改變輸出波形的幅值。最終總體波形如下：六.收獲與體會及存在的問題