多功能函數信號發(fā)生器

1、湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）湖 南 科 技 大 學畢 業(yè) 設 計（ 論 文 ）題目多功能函數信號發(fā)生器作者毛龍學院物理與電子科學學院專業(yè)電子信息科學與技術學號0908020104指導教師吳彾錫二 年 月 日湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設計（論文）任務書 院 系（教研室）系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日學生姓名: 學號: 專業(yè): 1 設計（論文）題目及專題： 2 學生設計（論文）時間：自 年 月 日開始至 年 月 日止3 設計（論文）所用資源和參考資料：4 設計（論文）應完成的主要內容：5 提交設計（論文）形式（設計說明與圖紙或論文等）及要求：6 發(fā)題時間： 年 月 日指導教師： （

2、簽名）學 生： （簽名）湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設計（論文）指導人評語主要對學生畢業(yè)設計（論文）的工作態(tài)度，研究內容與方法，工作量，文獻應用，創(chuàng)新性，實用性，科學性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價指導人： （簽名）年 月 日 指導人評定成績： 湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設計（論文）評閱人評語主要對學生畢業(yè)設計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內容與方法，實用性與科學性，結論和存在的不足等進行綜合評價評閱人： （簽名）年 月 日 評閱人評定成績： 湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設計（論文）答辯記錄日期： 學生： 學號： 班級： 題目： 提交畢業(yè)設計（論文）答辯委員會下列

3、材料：1 設計（論文）說明書共頁2 設計（論文）圖 紙共頁3 指導人、評閱人評語共頁畢業(yè)設計（論文）答辯委員會評語：主要對學生畢業(yè)設計（論文）的研究思路，設計（論文）質量，文本圖紙規(guī)范程度和對設計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價答辯委員會主任： （簽名）委員： （簽名）（簽名）（簽名）（簽名） 答辯成績： 總評成績： 20多功能函數信號發(fā)生器摘 要本方案主要用集成運放LM324N和三極管2N2925等元器件設計組成一個簡易函數信號發(fā)生器。該函數信號發(fā)生器主要由電壓比較器、積分運算電路、差分放大電路三個部分組成。電壓比較器生成方波，積分運算電路將方波轉換成三角波，差分放大電路將三角波轉

4、換成正弦波。由此，構成一個簡易的函數信號發(fā)生器。在方波轉三角波的過程中，假設電容上的電壓為零，比較器此時會輸出高電平，同相輸入遲滯比較器的輸出電壓為雙向穩(wěn)壓二極管的正電壓，進而通過電阻向電容充電；當比較器的輸出電壓為雙向穩(wěn)壓二極管的負電壓時，又會對電容進行反向充電。在三角波轉正弦波的過程中，差分放大器的傳輸曲線就是輸出差模信號隨輸入差模信號變化的曲線，它有一段非線性區(qū)，當三角波的正負峰值正好對應于差分放大管的截止電壓時，晶體管集電極電流接近于正弦波，從而實現了三角波正弦波的轉換。在方波轉三角波電路中，進行了詳細的理論推導，并在理論分析的基礎上，對該模塊的運行調試做了具體的分析；在三角波轉正弦波

5、電路中，對電路的工作原理進行了詳細的分析，運用傅里葉級數將三角波轉成正弦波進行了詳盡的公式推導。該設計方案可以說是集成信號發(fā)生器中成本比較低的一種方案，因此，可以廣泛應用于理論實驗以及精確度要求不太高的實驗，因而具有非常重要的實踐意義和廣闊的應用前景。關鍵詞：函數；信號；發(fā)生器；方波；三角波；正弦波ABSTRACTThis scheme mainly with integrated op-amp LM324N and triode 2 n2925 components design of a simple function signal generator. The function sign

6、al generator is mainly composed of voltage comparator, integral operation circuit, differential amplifier circuit of three parts.Voltage comparator generate square wave, integral operation circuit will square wave into a triangle wave, differential amplifier circuit converts triangular wave sine wav

7、e. Thus, form a simple function signal generator.In the process of square wave turned triangle wave, assumes that the voltage on the capacitor is zero, the comparator output at this high level, in-phase input hysteresis comparator to bi-directional zener diode voltage, output voltage and capacitance

8、 charging via the resistance; When the output voltage of the comparator is bi-directional zener diode, when the negative voltage and reverse charging of the capacitor.Around the triangle wave sine wave in the process of the differential amplifier output differential mode signal transmission curve is

9、 the curve changes with input differential mode signal, it has a nonlinear area, when the triangle wave of positive and negative peak corresponds on the cut-off voltage of the differential amplifier tube, transistor's collector current is close to sine wave, so as to realize the transformation o

10、f the triangle wave, sine wave.Turn triangle wave by square wave circuit, makes a detailed theoretical derivation, and on the basis of theoretical analysis, made specific for the operation of the the module debugging analysis; Around the triangle wave sine wave circuit, the circuit principle has car

11、ried on the detailed analysis, using the Fourier series the triangle wave into sine wave has carried on the detailed formula is derived. This design scheme is integrated signal generator with low cost in a solution, therefore, can be widely used in the theory of experiment as well as the accuracy re

12、quirement is too high, thus has very important practical significance and broad application prospects.Key words: function; Signal; The generator; Square wave; Triangle wave; Sine wave目錄第一章 前言3第二章 設計的任務和要求42.1 設計任務42.2 設計目的42.3 性能指標要求4第三章 設計的方案選擇與論證53.1 方案的選擇53.1.1 方案一53.1.2 方案二53.2 方案的優(yōu)點5第四章 多功能函數信號

13、發(fā)生器的具體方案64.1 函數信號發(fā)生器組成框圖64.2 各組成部分的工作原理64.2.1 方波三角波轉換電路的工作原理64.2.2 三角波正弦波轉換電路工作原理94.2.3 總電路圖12圖8 方波三角波正弦波函數信號發(fā)生器第五章 電路的調試與仿真135.1 電路的調試145.1.1 方波三角波產生電路的調試145.1.2 三角波正弦波轉換電路的調試145.2 電路的仿真145.2.1 方波三角波部分145.2.2 三角波正弦波部分16第六章 仿真結果分析186.1 輸出頻率18 6.2 輸出電壓18第七章 實驗總結19參考文獻20第一章 前言信號源是根據用戶的需求而產生特定信號的一種電子設備

14、。信號源主要給被測電路提供需要的已知信號，然后同其他儀表測量感興趣的參數。多功能函數信號發(fā)生器是信號源的一種，廣泛應用于電子電路、自動控制和科學實驗等領域。多功能信號發(fā)生器很早就用于儀器測量了，20年代初電子設備應運而生，與此同時，信號發(fā)生器也產生了。伴隨著通信和雷達技術飛速的向前的發(fā)展，40年代的信號發(fā)生器主要用于測試各種接收機，因此，使信號發(fā)生器產生了巨大的飛躍，從定性分析發(fā)展成為定量分析。同時用于測量脈沖的獲用作脈沖調制的脈沖信號發(fā)生器也產生于這個時期。由于早期的信號發(fā)生器結構比較笨重，功能比較單一，但功耗比較大，因而發(fā)展速度非常緩慢。1964年，第一臺全晶體管的信號發(fā)生器問世了。60年

15、代以后，信號發(fā)生器的發(fā)展速度慢慢的快了起來，函數發(fā)生器產生了，這個時期的發(fā)生器大多數采用模擬技術，由模擬集成電路或分立元件組成，其結構復雜，能產生幾種簡單的波形，包括正弦波、方波、鋸齒波、三角波等。由于模擬的電路的漂移非常大，因而輸出的波形的穩(wěn)定性就比較差，由于模擬器件電路存有著體積大、耗能高、價格昂貴等缺點，因而產生復雜的信號波形對電路結構的要求就非常高了。70年代微處理器出現了，微處理器的應用也隨之展開，模數轉換器、數模轉換器和微處理器以及硬件、軟件的集合，這使得信號發(fā)生器的功能得以擴大，從而產生的波形比以前更加復雜。這個時期的以軟件為主的信號發(fā)生器成為大家爭相追捧的對象，一時間成為主流，

16、這個過程的關鍵點在于通過微處理器控制DAC的程序，從而得到各種簡單的波形。用微處理器控制波形的有一個很致命的弱點，就是輸出波形的頻率會很低，影響這一性能的主要是CPU的工作速度，提高CPU的時鐘周期或改進軟件程序減少其執(zhí)行周期時間可以改變頻率，但這些辦法不能從根本上解決問題，最實質辦法是要對硬件電路進行改進。數字化技術可以應用于電子測量儀器中得益于信號處理、計算機、和現代電子技術的發(fā)展，讓數字信號處理逐步代替模擬信號處理，從而使儀器處理信號的能力得到擴大，使信號測量的各項指標得到很大的改善，包括變換速度、精確度和準確度，使模擬信號處理的很多缺點得以彌補，這讓人們看到了數字信號發(fā)生器的許多優(yōu)點和

17、無限商業(yè)前景，因此，它便發(fā)展起來了。信號發(fā)生器作為電子領域不可缺少的測量工具，它必然將向更高性能、更高精確度、更高智能化方向發(fā)展，就像現在在數字信號發(fā)生器的崛起一樣。但作為一種儀器，我們必然要考慮其所用領域，也就是說要因地制宜，綜合考慮性價比，用低本制作的集成信號發(fā)生器短期內還不會被完全取代，還會比較廣泛的應用于理論實驗以及精確度要求不太高的實驗。因此，完整的信號發(fā)生器的設計具有非常重要的實踐意義和廣闊的應用前景。第二章 設計的任務和要求2.1 設計任務設計一個基于運算放大器的方波三角波正弦波函數信號發(fā)生器，具體分析運放在開環(huán)和正反饋條件下的工作特點；能夠熟練掌握同相遲滯比較器電路及其工作原理

18、，熟練掌握差動放大器電路及其工作原理；能夠通過電路進行實驗調試仿真，并能夠結合仿真圖對電路進行具體動態(tài)的分析。2.2 設計目的（1）鞏固和加深對電子電路基本知識的理解，提高綜合運用本課程所學知識的能力。（2）掌握由運放構成的壓控振蕩電路的原理和設計方法。（3）掌握方波三角波正弦波變換的原理和方法。（4）通過電路方案的分析、論證和比較，設計計算和選取元器件，初步掌握簡單實用電路的分析方法和工程設計方法。2.3 性能指標要求（1）頻率范圍：100Hz1KHz；1Hz500KHz；（2）波形特性：方波tr<30µs；-<5；三角波<2%；（3）輸出電壓：方波Up-p12V

19、；正弦波Up-p>1；三角波Up-p=5V。第三章 設計的方案選擇與論證函數信號發(fā)生器一般是能自動產生正弦波、方波、三角波以及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。有很多方法可以產生產生方波、三角波、正弦波，比如首先通過遲滯比較器和積分電路可以產生方波三角波，再將三角波變成正弦波，或是將方波變成正弦波；也可以先產生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變成方波，再由積分電路將方波變成三角波。3.1 方案的選擇3.1.1 方案一首先生成方波，然后將方波轉換成三角波，再將三角波轉換成正弦波。采用分立器件實現電路組成，主要部件由集成運放LM324N、電壓比較器、積分運算電路、差分放大電路、電位器和一

20、些電容、電阻組成。該方案由三級單元電路組成的，第一級單元可以產生方波，第二級單元可以產生三角波，第三級單元可以產生正弦波，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。3.1.2 方案二采用運算放大器和單片機函數發(fā)生模塊、選擇開關、一些電位器、電容和電阻組成。通過調節(jié)電位器，可以調節(jié)該電路的輸出震蕩頻率、正弦波的失真和方波的占空比，因而該電路具有較高的穩(wěn)定性。3.2 方案的優(yōu)點方案一集成運放LM324N，性能完善，差模電壓范圍和共模電壓范圍寬，增益高，不需要外加補償，功耗低，負載能力強，有輸出保護等，因此具有較為廣泛的應用。LM324N提供輸出短路保護，可以方便的輸出精度較高的方波

21、、三角波、正弦波，通過調節(jié)差分放大電路各個部件的參數，可以調節(jié)正弦波的失真。方案二雖然精確度高，穩(wěn)定性也高，但是頻率可調范圍比較窄，而且占空比一般不能單獨調節(jié)。方案二成本比較高。而方案一成本較低，性價比相對來說比較高。因此，選定方案一。第四章 多功能函數信號發(fā)生器的具體方案4.1 函數信號發(fā)生器組成框圖圖1 函數信號發(fā)生器組圖本課題采用有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信號發(fā)生器的設計方案。設計流程是這樣的：遲滯比較器和積分器組成的電路產生方波三角波，遲滯比較器產生方波，產生的方波經過積分器形成三角波，然后三角波經差分放大電路得到正弦波。差分放大電路設計時，傳輸特

22、性曲線要對稱、線性區(qū)要窄。三角波轉換成正弦波的原理正是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。4.2 各組成部分的工作原理4.2.1 方波三角波轉換電路的工作原理圖2 方波三角波轉換電路（1）電路組成由圖2可見，它包括同相輸入遲滯比較器（U1A）和充放電時間常數相等的積分器（U2A），共同組成方波三角波電壓產生電路。（2）門限電壓估算為方便討論，單獨畫出圖2中由U1A組成的同相輸入遲滯比較器，如圖3所示。由圖3有， 考慮到電路翻轉時，有Error! No bookmark name given.，即得 由于，由公式（4.2），可分別求出上、下門限電壓和門限寬度為 圖3 同相輸入遲滯比較器（3）工作

23、原理設t=0時接通電源，有，則向充電，使輸出電壓按線性規(guī)律增長。當上升到門限電壓使時，比較器輸出由上跳到，同時門限電壓下調到值。以后時，則向反向充電，由于時間常數減小，迅速下降到負值。當下降到門限電壓使時，比較器輸出又由下跳到。如此周而復始，產生震蕩。由于電容正向與反向充電時間常數相等，故輸出波形為三角波電壓，為方波電壓，如圖4所示。圖4方波三角波轉換電路的波形由電路圖形可以得知，其振蕩周期為 由以上可以得到以下結論：（1）由于電壓比較器通常工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)，運放工作在非線性區(qū)，其輸出電平只有高電平和低電平兩種情況。（2）一般用電壓傳輸特性來描述輸出電壓與輸入電壓的函數關系。（3）電壓傳

24、輸特性的三個要素是輸出電壓的高電平和低電平、門限電壓和輸出電壓的跳變方向。令所求出的就是門限電壓；等于門限電壓時輸出電壓的跳變方向決定于輸入電壓作用于同相輸入端還是反向輸入端。4.2.2 三角波正弦波轉換電路工作原理圖5三角波正弦波轉換電路（1）電路組成圖5電路是將三角波轉換成正弦波，其中晶體管選用4只特性完全相同的三極管。調節(jié)輸出三角波的幅度，調整差動放大電路的對稱性，并聯電阻用來減小差分放大器的線性區(qū)；、為隔直耦交電容，為濾波電容，用來濾除諧波分量，改善輸出波形。（2） 計算主要元件參數在三角波轉換成正弦波的過程中，因為要得到效果比較明顯的波形，故要求三角波的想、正負峰值正好對應于差分放大

25、管的截止電壓，此時晶體管集電極電流接近于正弦波。結合后面的仿真截圖三角波的正負峰值，三角波正弦波轉換電路的參數選擇是：隔直耦合電容=470µF，因為輸出頻率很低，所以、的取值較大。濾波電容視輸出高次諧波而定，一般取=0.1µF。與相并聯，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線調整來確定。（3）差分放大器傳輸特性曲線的非線性及三角波正弦波變換原理如下圖圖6 三角波正弦波變換原理（4） 三角波正弦波轉換公式推導圖7 三角波由數學分析課程已知，按照傅里葉級數的定義，周期函數可有三角函數的線性組合來表示，若的周期為，角頻率，頻率，傅里葉級數展開表達式

26、為式中為正整數，各次諧波的幅度值按以下各式計算：直流分量余弦分量的幅度正弦分量的幅度其中由以上知識結合圖7可得三角波的傅里葉級數：直流分量余弦分量的幅度正弦分量的幅度 因此，三角波的傅里葉級數如下式（5） 工作原理在三角波轉正弦波模塊，三角波首先通過一個RC濾波器，由上面的分析可知，第一個RC濾波器會濾掉一大部分的諧波成分，然后再通過一個RC濾波電路，再對之前的一個輸出成分做進一步的濾除；第一個差動放大器是后面這個模塊的一個主體部分，從前面的差動放大器的傳輸特性曲線可以看出，它有一個線性區(qū)和一個非線性區(qū)，從第二個濾波器輸出的波形在經過差動放大器后，會因為差動放大器的線性區(qū)而得到放大，也會因為差

27、動放大器的非線性區(qū)而使輸出的波形更接近正弦波形，故這一部分電路的作用是對輸入的波形有一個放大和修正作用，而差動放大器下面的一個模塊就是構成一個電流源，為電路提供一個穩(wěn)定的靜態(tài)電流。4.2.3 總電路圖整個設計電路如圖8所示圖8 方波三角波正弦波函數信號發(fā)生器第五章 電路的調試與仿真5.1 電路的調試5.1.1 方波三角波產生電路的調試由于電壓比較器U1A與反向積分器U2A組成正反饋閉環(huán)回路，同時輸出方波與三角波，故這兩個單元電路要同時組裝。如果電路接線正確，則在接通電源后，U1A的輸出為方波，U2A的輸出為三角波。5.1.2 三角波正弦波轉換電路的調試先將與的連線斷開，經電容輸入差模信號=50

28、mV，=100Hz的正弦波，調節(jié)，是傳輸特性曲線對稱。再逐漸增大，直到傳輸特性曲線符合技術要求。再將與連接，調節(jié)使三角波幅度達到技術要求。5.2 電路的仿真本課題采用Multisim12.0作為仿真軟件。Multisim是Interactive Image Technologies（Electronics Workbench）推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。NI Multisim軟件結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效的對電路進行設計和驗證。Multi

29、sim12.0通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境，輕松設計電路；通過交互式SPICE仿真，迅速了解電路行為；借助高級電路分析，理解基本設計特征；本課題Multisim交互式的搭建電路原理圖，并對電路行為進行仿真。5.2.1 方波三角波部分（1）方波三角波電路仿真：在Multisim12.0中按照方波三角波轉換電路圖（圖2）接線,。檢查無誤后，在正確的位置上接上示波器觀察輸出波形，即可得到如圖8所示的波形：圖9（a）方波圖9（b）三角波圖10方波三角波輸出波形5.2.2 三角波正弦波部分（2）三角波正弦波電路的仿真：在Multisim12.0中按方波三角波轉換電路圖（圖5）接線。保證參數正確，檢查無誤后，在正確位置上接上示波器觀察輸出波形，調整和的大小，即可得到如圖11所示波形：圖11 三角波正弦波輸出波形第六章 仿真結果分析6.1 輸出頻率由圖9可以看出，其輸出頻率為200Hz；由圖10可以看出，其輸出頻率為100KHz；可以知道，它們都在性能指標要求的范圍之內。通過調節(jié)電路的頻率來改變波形，使之達到要求。6.2 輸出電壓（1） 方波：方波信號接入虛擬示波器，測