簡(jiǎn)易函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

1、武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 簡(jiǎn)易函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 初始條件：主要元件：A741，三極管3DG130電阻、電位器、電容若干直流電源Vcc= +8V，VEE= -8V要求完成的主要任務(wù): 1.設(shè)計(jì)任務(wù)：根據(jù)已知條件，完成對(duì)方波三角波正弦波發(fā)生器的設(shè)計(jì)、裝配與調(diào)試。2設(shè)計(jì)要求 頻率范圍10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；方波VPP14V,幅度連續(xù)可調(diào) ，線性失真小三角波VPP5V,幅度連續(xù)可調(diào) ，線性失真小正弦波VPP3V，幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真小 選擇電路方案，完成對(duì)確定方案

2、電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫(huà)出總體電路原理圖，闡述基本原理。 安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫(xiě)出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。時(shí)間安排： 2013年1月14日上午8:00在新三202理論講解 第20周理論設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)室安裝調(diào)試，地點(diǎn)：鑒主13樓通信工程綜合實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)教師簽名： 2013年 1月 26日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2013 年 1月27日目錄摘 要3Abstract3簡(jiǎn)易函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的制作41 概述41.1函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的介紹41.2性能指標(biāo)42 電路方案比較與選擇52.1電路方案的列舉52.2電路方案的選擇52.2.1方案選擇的原因52.2.2原理框圖63 單元電路設(shè)計(jì)63.1方波發(fā)生

3、電路63.2方波三角波轉(zhuǎn)換工作電路73.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路103.3.1 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路原理圖103.3.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路原理103.4電路參數(shù)計(jì)算123.4.1方波-三角波部分123.4.2 三角波正弦波部分133.5 總電路圖144 電路仿真及實(shí)際波形對(duì)比154.1 方波波形154.2 三角波波形184.3 正弦波波形214.4 仿真結(jié)果分析245 電路的安裝與調(diào)試245.1 靜態(tài)調(diào)試245.2 波形的調(diào)試245.2.1方波三角波發(fā)生器的調(diào)試245.2.2 三角波正弦波變換的調(diào)試255.3 調(diào)試中的注意事項(xiàng)265.4 誤差分析265.5 實(shí)物圖276 課程設(shè)計(jì)總結(jié)

4、277.元器件明細(xì)清單288 參考文獻(xiàn)29摘 要函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)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(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)函數(shù)波形發(fā)生器的原理以及構(gòu)成分析設(shè)計(jì)出方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器。設(shè)計(jì)中首先確定了電路方案：由遲滯比較器、積分器和差分放大電路組成；接著對(duì)各單元電路的工作原理進(jìn)行了分析，對(duì)電路中各元器件的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算；再用Multisim仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真分析。仿真達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。最后展示實(shí)物及波形并分析出現(xiàn)誤差的原因以及影響因素。關(guān)鍵詞：遲滯比較器，積分器，差分放大電路 AbstractFunct

5、ion Generator is widely used in circuit experiment and maintenance of equipment. This article described the composition, function, and principle of the Function Generator which can provide square wave, triangular wave and sine wave. The Function Generator is made up by hysteresis comparator, integra

6、tor and differential amplifier. After I decided the plan, I use the software called Multisim to make a simulation. At last, the real object is displayed. Key words: hysteresis comparator, integrator, differential amplifier 簡(jiǎn)易函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的制作1 概述1.1函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的介紹把能產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、方波、正弦波的電路被稱(chēng)為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，又稱(chēng)信號(hào)源或振蕩器。

7、在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中都需要射頻、高頻發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。1.2性能指標(biāo)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)信號(hào)發(fā)生器具體要求如下：1、能夠輸出正弦波、方波、三角波 2、輸出信號(hào)頻率范圍為10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；3、輸出信號(hào)幅值：方波VPP14V,幅度連續(xù)可調(diào) 三角波VPP5V,幅度連續(xù)可調(diào) 正弦波VPP3V，幅度連續(xù)可調(diào)4 電源：±

8、;8V直流電源供電2 電路方案比較與選擇2.1電路方案的列舉產(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(guò)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?。方案一：用方波和三角波產(chǎn)生電路（遲滯比較器和積分器）輸出方波和三角波，再通過(guò)三角波正弦波轉(zhuǎn)換器（差分放大電路）產(chǎn)生正弦波。方案二：用RC文氏橋振蕩電路產(chǎn)生正弦波，正弦波振蕩電路的輸出端作為電壓比較的輸入端，比較器又可產(chǎn)生方波，比較器的輸出端可作積分器的輸入端通過(guò)積分器輸出三角波。方案三：先由過(guò)零比較器和穩(wěn)壓管組成方波產(chǎn)生電路產(chǎn)生方波，再經(jīng)過(guò)RC積

9、分電路后輸出得到三角波，產(chǎn)生的三角波經(jīng)二極管折線近似電路實(shí)現(xiàn)三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換。2.2電路方案的選擇2.2.1方案選擇的原因由于差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。所以決定選用方案一。2.2.2原理框圖 圖2.2.23 單元電路設(shè)計(jì)3.1方波發(fā)生電路3.1.1方波發(fā)生電路的原理圖 圖3.1.13.1.2方波發(fā)生電路原理此電路由反相輸入的遲滯比較器和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(guò)RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓=+,則同相輸入端電位=+

10、。通過(guò)R3對(duì)電容C正向充電。反相輸入端電位n隨時(shí)間t的增長(zhǎng)而逐漸增高，當(dāng)t趨于無(wú)窮時(shí)，趨于+；但是，一旦=+,再稍增大，從+躍變?yōu)?,與此同時(shí)從+躍變?yōu)?。隨后，又通過(guò)R3對(duì)電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)而減低，當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，趨于-；但是，一旦=-,再減小，就從-躍變?yōu)?，從-躍變?yōu)?，電容又開(kāi)始正相充電。上述過(guò)程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。3.2方波三角波轉(zhuǎn)換工作電路圖3.1.1所示的電路能自動(dòng)產(chǎn)生方波三角波。電路工作原理若下：若A點(diǎn)斷開(kāi)，運(yùn)放A1與R1、R2及R3、RP3組織成比較器，R1成為平衡電阻，運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，及U_=0，同相端接輸入電壓；比較器的

11、輸出的高電平等于正電源電壓+，低電平等于負(fù)電源電壓VEE（|+|=| |）,當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出從高電平+跳到低電平，或從低電平跳到高電平+。設(shè)U01=+，則 （3-2-1）式子中，RP1指的是電位器（以下同）。 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門(mén)限電位 （3-2-2）若Uo1=VEE，則比較器翻轉(zhuǎn)的上門(mén)線電位 （3-2-3） 比較器的門(mén)限寬度 (3-2-4) 由式子（3-2-1）(3-2-4)可以得到比較器的電壓傳輸特性，如圖所示。圖3-2-1 A點(diǎn)斷開(kāi)后，運(yùn)放U2與R4、RP3、C1或C7或C8組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波U01。以C1為例，則積分器的輸出 (3-2

12、-5)當(dāng)=+時(shí)， (3-2-6)當(dāng)=-時(shí)， (3-2-7)可見(jiàn)積分器輸入方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速率與下降速率相等的三角波，其波形如圖所示。 圖3-2-2 方波三角波波形當(dāng)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 （3-2-8）方波三角波的頻率 （3-2-9）由式子（3-2-8）及（3-2-9）可以得出以下結(jié)論：1. 電位器RP2在調(diào)整方波三角波的輸出頻率時(shí)，一般不會(huì)影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍比較寬，則可用C2改變頻率的范圍，RP2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。2. 方波的輸出幅度約等于電源電壓+ 。三角波的輸出幅度不超過(guò)電源電壓+。電位器RP1可以

13、實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波三角波的頻率。3.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路3.3.1 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路原理圖 三角波正弦波的變換電路主要由差分放大電路來(lái)完成。原理圖如下： 圖3-3-13.3.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路原理差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點(diǎn)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： （3-3-1） Ic1=aIE1=a/1+e(-Uid/UT) （3-3-2）式中差分放大器的恒定電流；溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25oc時(shí)，26

14、mV。如果為三角波，設(shè)表達(dá)式為 （3-3-3）式中三角波的幅度； T三角波的周期。 將式（3-3-3）代入式（3-3-2），得 4Um/T(t-T/4) (0<=t<=T/2)Uid= -4Um/T(t-3T/4) (T/2<=t<=T) （3-3-4） 波形變換過(guò)程如下圖： 圖3-3-2 為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見(jiàn)：（1） 傳輸特性曲線越對(duì)稱(chēng)，線性區(qū)越窄越好；（2） 三角波的幅度應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。（3） 圖為實(shí)現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中Rp3調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp4調(diào)整電路的對(duì)稱(chēng)性，其并聯(lián)電阻RE2用來(lái)減小差分放大器的線性區(qū)。電容C3,C4

15、,C5為隔直電容，C6為濾波電容，以濾除諧波分波形量，改善輸出3.4電路參數(shù)計(jì)算3.4.1方波-三角波部分運(yùn)放U1與U2用uA741，因?yàn)榉讲ǖ姆冉咏娫措妷?VCC=+8V,-VEE=-8V.比較器A1與積分器A2的元件參數(shù)計(jì)算如下。由式 （3-8）得 取=15K，則R3+RP1=45K，取R3=30K，RP1為20K的電位器。平衡電阻R1=R2(R3+RP1) 15k，取R1=15K由（3-2-9）得（R4取0）即RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2)1. 當(dāng)10Hzf100Hz時(shí) ，C1=0.47uF，0因10K< RP2<100K，所以RP2 =100K（這里C取1u

16、F時(shí)不容易起振，所以換成0.47uF）。2.當(dāng)100Hzf1kHz時(shí)，RP2的取值不變，取C7=0.1uF以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換。3.當(dāng)1kHzf10kH時(shí)，RP2的取值不變?nèi)8=0.01uF以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換。3.4.2 三角波正弦波部分3.4.2.1 差分放大電路元件參數(shù)確定取R5=R6=30 K, R11=R13=2K,取I0=0.4mA, 而I0=(R8/R9)IREF (3-4-1)IREF=（|V EE |- UEB） /(RE4+R)=（8-0.7）/（RE4+R ） (3-4-2)取R8=20 K，R=470,代入(3-4-2)，得IREF=0.35 mA，將IREF=0.3

17、5mA代入(3-4-1)，得R9=20 K3.4.2.2 三角波正弦波電路元件參數(shù)確定 隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率不是很大，取C3=0.47uF，C4=470uF,C=0.01uF，濾波電容C2、C5 、C6視輸出的波形而定，分別與各頻率范圍對(duì)應(yīng)，其中：C2對(duì)應(yīng)C1 （10Hzf100Hz） C5對(duì)應(yīng)C7（100Hzf1KHz）C6對(duì)應(yīng)C8（1KHzf10KHz）又取 R7=2K歐與RP4=2K歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。3.5 總電路圖 圖3-54 電路仿真及實(shí)際波形對(duì)比4.1 方波波形1. 開(kāi)關(guān)打到C2=0.47uF時(shí)的情況，此時(shí)f28.9Hz，V14.2V

18、圖4-1-1（a）實(shí)際波形圖4-1-1（b）2. 開(kāi)關(guān)打到C2=0.1uF時(shí)的情況，此時(shí)f134Hz，V14.2V圖4-1-2（a）實(shí)際波形 圖4-1-2（b）3.開(kāi)關(guān)打到C1=0.01uF時(shí)的情況，此時(shí)f1.22kHz，Vp-p14.1V 圖4-1-3（a）實(shí)際波形圖4-1-3（b）4.2 三角波波形1. 開(kāi)關(guān)打到C1=0.47uF時(shí)的情況，此時(shí)f28.9Hz，V4.76V圖4-2-1（a）實(shí)際波形圖4-2-1（b）2.開(kāi)關(guān)打到C2=0.1uF時(shí)的情況，此時(shí)f134Hz，V4.79V圖4-2-2（a）實(shí)際波形圖4-2-2（b）3.開(kāi)關(guān)打到C1=0.01uF時(shí)的情況，此時(shí)f1.22kHz，Vp

19、-p5.10V圖4-2-3（a）實(shí)際波形 圖4-2-3（b） 4.3 正弦波波形1. 開(kāi)關(guān)打到C2=0.1uF時(shí)的情況，此時(shí)f28.9Hz，V2.97V圖4-3-1（a）實(shí)際波形 圖4-3-1（b）2. 開(kāi)關(guān)打到C2=0.1uF時(shí)的情況，此時(shí)f134Hz，V2.13V圖4-3-2（a） 實(shí)際波形圖4-3-2（b）3. 開(kāi)關(guān)打到C1=0.01uF時(shí)的情況，此時(shí)f1.22KHz，Vp-p2.48V圖4-3-3（a）實(shí)際波形圖4-3-3（b）4.4 仿真結(jié)果分析由仿真結(jié)果可知：只要通過(guò)控制開(kāi)關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，而且可以看出當(dāng)RP2在調(diào)好后基本不變時(shí)，當(dāng)開(kāi)關(guān)打到C1輸出波形的頻率大體上是開(kāi)關(guān)打

20、到C2時(shí)的10倍，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)電路的預(yù)期效果。同時(shí)也可以看出在頻率.幅值.波形穩(wěn)定度等方面都產(chǎn)生了一定的誤差。5 電路的安裝與調(diào)試5.1 靜態(tài)調(diào)試整個(gè)電路連接完之后，就可以對(duì)該電路進(jìn)行調(diào)試和檢測(cè)了，以發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計(jì)方案的不足之處。在進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試之前，首先要對(duì)電路進(jìn)行檢查。對(duì)照原理圖按順序一一檢查，以免產(chǎn)生遺漏。以元件作為中心進(jìn)行檢查，把每個(gè)元器件的引腳依次檢查，看是否有接錯(cuò)線或者漏接等問(wèn)題，為了防止出現(xiàn)錯(cuò)誤，最好對(duì)已經(jīng)檢查好的線路在原理圖上做好標(biāo)記，倘若線路檢查無(wú)誤，則可以對(duì)線路進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試了。用萬(wàn)用表適當(dāng)?shù)臋n位對(duì)線路進(jìn)行測(cè)試，看線路是否有短路或者斷路等問(wèn)題，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，就立即進(jìn)行改進(jìn)

21、，修改再進(jìn)行調(diào)試。5.2 波形的調(diào)試5.2.1方波三角波發(fā)生器的調(diào)試由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時(shí)輸出方波和正弦波，所以這兩個(gè)單元電路可以同時(shí)安裝。但是需要注意的是，在安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計(jì)值，否則會(huì)導(dǎo)致電路不起振。如果電路接線正確。則在接通電源后，A1輸出為方波，A2輸出為三角波，微調(diào)RP1，使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率連續(xù)可變。5.2.2 三角波正弦波變換的調(diào)試 調(diào)節(jié)RP3使三角波的輸出幅度經(jīng)由RP3 后輸出等于要求值，這時(shí)U03的輸出波形應(yīng)接近正弦波。如果U03的波形出現(xiàn)如圖5-2-2所示的幾種正弦波失真，則應(yīng)調(diào)

22、整和修改電路參數(shù)，產(chǎn)生失真的原因及采取的相應(yīng)措施有： 鐘形失真，如圖5-2-2（a）所示 ，傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬，應(yīng)調(diào)節(jié)Rp4。 波圓頂或平頂失真，如圖5-2-2（b）如示，傳輸特性曲線對(duì)稱(chēng)性差，工作點(diǎn)Q偏上或偏下，應(yīng)調(diào)整電阻R。非線性失真，如圖5-2-2（c）所示，三角波的線性度較差引起的失真，主要受運(yùn)放性能的影響?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡(luò)改善輸出波形。圖5-2-2 幾種正弦波失真5.3 調(diào)試中的注意事項(xiàng)為了保證效果，必須減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。為此，需注意以下幾點(diǎn)： （1）正確使用測(cè)量?jī)x器的接地端（2）測(cè)量電壓所用儀器的輸入端阻抗必須遠(yuǎn)大于被測(cè)處的等效阻抗。因?yàn)?，若測(cè)量?jī)x器輸入阻抗小，則在測(cè)量時(shí)會(huì)引起分流給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)很大的誤差。（3）儀器的帶寬必須大于被測(cè)電路的帶寬。（4）用同一臺(tái)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量進(jìn)，測(cè)量點(diǎn)不同，儀器內(nèi)阻引起的誤差大小將不同。（5）調(diào)試過(guò)程中，不但要認(rèn)真觀察和測(cè)量，還要記錄。記錄的內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)條件，