函數(shù)發(fā)生器武漢理工大學

1、學 號： 0121309341420課 程 設 計題 目函數(shù)發(fā)生器的設計學 院信息工程學院專 業(yè)電子科學與技術班 級電子1303班姓 名涂飛指導教師韓屏2015年01月17日課程設計任務書學生姓名： 涂飛 專業(yè)班級： 電子1303班 指導教師： 韓屏 工作單位： 信息工程學院 題 目: 函數(shù)發(fā)生器的設計 初始條件： 可選元件：雙運放A741兩只，雙三極管3DG130兩對，電阻、電位器、電容若干，直流電源Vcc= +12V，VEE= -12V，或自備元器件?？捎脙x器：示波器，萬用表，直流穩(wěn)壓源，毫伏表要求完成的主要任務: （1）設計任務根據(jù)已知條件，完成對方波三角波正弦波發(fā)生器的設計、裝配與調試

2、。（2）設計要求 頻率范圍10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；正弦波Upp3V，幅度連續(xù)可調，線性失真小。三角波Upp5V，幅度連續(xù)可調，線性失真小。方波Upp14V，幅度連續(xù)可調，線性失真小。 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設計。計算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。（選做：用PSPICE或EWB軟件完成仿真） 安裝調試并按規(guī)定格式寫出課程設計報告書。時間安排：1、 2015 年1月12日分班集中，布置課程設計任務、選題；講解課設具體實施計劃與課程設計報告格式的要求；課設答疑事項。2、 2015 年1月13日 至2015年1月21日完成

3、資料查閱、設計、制作與調試；完成課程設計報告撰寫。3、 2015 年1月21日提交課程設計報告，進行課程設計驗收和答辯。指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目 錄摘要I1 緒論11.1設計目的及意義11.2設計任務及要求12 設計方案22.1方案一22.2方案二32.3方案三42.4最優(yōu)方案設計43 硬件電路設計53.1方波-三角波產生電路及工作原理53.2三角波-正弦波轉換電路及工作原理74元件的選擇及主要參數(shù)95 仿真測試105.1 仿真電路圖105.2 仿真波形115.3仿真數(shù)據(jù)126 制作實物126.1電路的安裝與調試126.2實物圖146.3實物測試147

4、收獲及心得168元件清單189參考文獻18武漢理工大學模擬電子技術基礎課程設計摘要函數(shù)信號發(fā)生器。能產生某些特定的周期性時間函數(shù)波形（正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）信號，頻率范圍可從幾個微赫到幾十兆赫函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻、視頻信號或脈沖信號運載出去，就需要能夠產生高頻的振蕩器。除供通信、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領域。關鍵字：函數(shù)發(fā)生器；方波；三角波；正弦波AbstractFunction generator can produce a variety

5、 of specific periodic time function waveform, such as the triangle wave, square wave, sine wave ASIC. When adjusting the external parameters, you can also get an adjustable duty cycle square wave and sawtooth. Frequency range from a few tens of micro-Hz to MHz. In addition to communications, instrum

6、entation and automatic control system testing, but also widely used in other non-electric measurement.Keywords: function generator, sine wave, square wave, triangle wave201 緒論函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產生正弦波、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(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊

7、8038)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調試技術。產生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產生正弦波，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；也可以首先產生三角波方波，再將三角波變成正弦波或將方波變成正弦波等等。 1.1設計目的及意義1、利用集成運算放大器和晶體管差分放大器等設計一個方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器。 2、進一步掌握模擬電子技術的理論知識，培養(yǎng)工程設計能力和綜合分析問題、解決問題的能力。 3、基本掌握常用電子電路的一般設計方法，提高電子電路的設計和實驗能力。學會運用Multisim12仿真軟件對所作出的理論設計進行仿真測試，并能進一步完善設計。 4、

8、掌握常用元器件的識別和測試，熟悉常用儀表，了解電路調試的基本方法。1.2設計任務及要求 頻率范圍10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；正弦波Upp3V，幅度連續(xù)可調，線性失真小。三角波Upp5V，幅度連續(xù)可調，線性失真小。方波Upp14V，幅度連續(xù)可調，線性失真小。 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設計。計算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。（選做：用PSPICE或EWB軟件完成仿真） 安裝調試并按規(guī)定格式寫出課程設計報告書。2 設計方案函數(shù)信號發(fā)生器電路可分為三個部分，即：方波；三角波；正弦波。經查閱資料，確定以下三種方案。2.1 方案一

9、用單片集成函數(shù)發(fā)生器5G8038。 隨著集成制造技術的不斷發(fā)展，多功能信號發(fā)生器已被制作成專用集成電路。該集成電路使用方便，調試簡單，性能穩(wěn)定，它不僅能產生正弦波，同時能產生三角波和方波，5G8038就是其中一種，它與運算放大器LM318、電阻和電容等組合，就能實現(xiàn)一個多種波形輸出的信號發(fā)生器。其工作原理為：  圖2即為8038多功能函數(shù)發(fā)生器的原理框圖。它由一個恒流充放電振蕩電路和一個正弦波變換器組成，恒流充放電振蕩器產生方波和三角波，三角波經正弦波變換器輸出正弦波。圖中兩個比較器C1、C2組成一個參考電壓分別設置在2/3VCC和1/3VCC上的窗口比較器。兩比較器的輸出分別控制R

10、-S觸發(fā)器的位置端和復位端。兩個恒流源I1、I2擔任對定時電容C的充放電，而充電與放電的轉換則為R-S觸發(fā)器的輸出通過電子開關S的通或斷來進行控制。電路設計I2=2I1，當電子開關S斷開，電路對外接電容C充電，當電子開關S接通時，電容C放電，所以在電容C上產生線性良好的三角波，經緩沖器由3腳輸出。為了得到在比較寬的頻率范圍內由三角波到正弦波的轉換，一個由電阻與晶體管組成的折線近似轉換網絡將三角波轉換為正弦波，由2腳輸出。而用于控制開關S的信號，及R-S觸發(fā)器的輸出，就是一方波，經緩沖器由9腳輸出。恒流充放電振蕩電路輸出方波的振蕩頻率由下式決定：f0=1/T=I1/UHC(1-I1/I2)。其中

11、UH是窗口電壓比較器的上、下限門檻電壓之差。對于UH=1/3Vcc，若取I2=2I1，則函數(shù)發(fā)生器產生典型的方波、三角波、正弦波。其振蕩頻率變?yōu)?f0=3I/2VccC。 若由外部電路控制兩恒流源的比值I1/I2，則可得到矩形波和鋸齒波的輸出。但此時不能獲得正弦波輸出。2.2 方案二如圖3所示：首先由555定時器組成的多諧振蕩器產生方波，然后由積分電路將方波轉化為三角波，最后用低通濾波器將方波轉化為正弦波，但這樣的輸出將造成負載的輸出正弦波波形變形，因為負載的變動將拉動波形的崎變。圖3當振蕩電路與電源接通時，在電路中激起一個微小信號，這就是起始信號。它是一個非正弦信號，含有一系列不同

12、的正弦分量。振蕩電路中含有放大和正反饋環(huán)節(jié)使其發(fā)展增長；電路中的選頻環(huán)節(jié)能夠得到單一頻率的正弦輸出信號；電路中的穩(wěn)幅環(huán)節(jié)可使它逐漸趨于穩(wěn)定。常用的正弦振蕩電路有RC振蕩電路與LC振蕩電路，這里，對于頻率要求不高，所以可以采用頻率低的RC振蕩電路組成一個雙聯(lián)電位器，從而產生符合要求的正弦波形。圖4 555振蕩電路555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的反相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的同相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器

13、C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。2.3方案三 首先產生三角波與方波，再將三角波變成正弦波或將方波變成正弦波。 由比較器和積分器組成方波三角波產生電路，比較器輸出的方波經積分器得到三角波，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，輸出阻抗高，抗干擾能力較強等特點，可以有效地抑制零點漂移，因此可以將頻率很低的三角波變成正弦波。也可以利用二極管折線近似電路實現(xiàn)

14、三角波變成正弦波的原理圖，如圖5：圖52.4最優(yōu)方案設計 方案一采用集成芯片使得電路大大簡化，但是由于實驗室條件和成本的限制，首先拋棄的是第一種方案，因為成本高昂帶來的方便不適合我們。方案二和方案三難易程度相似，方波產生部分不同剩余部分基本相同，成本也可以承受，但是方案一中555芯片比集成運算放大器稍微復雜，綜合各種因素，我們選擇方案三，其簡單便于理解、也容易購買材料。3 硬件電路設計3.1方波-三角波產生電路及工作原理 圖6 方波三角波發(fā)生器圖6所示的電路能自動產生方波-三角波。電路工作原理如下：運算放大器U1與R1、R2、RP1組成電壓比較器，C1(C2、C3)為加速電容，可加速比較器的翻

15、轉,運放的反向端接基準電壓，即V-=0，同向輸入端接輸入電壓Via；比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+VCC，低電平等于負電源電壓-VEE；（|+VCC|=-|VEE|）；當比較器的V+=V-=0時，比較器翻轉，輸出Uo1從高電平+VCC跳轉到低電平-VEE，或從低電平跳到高電平。設Uo1=+VCC,則：，式中RP1指電位器的調整值，（下同），將上式整理，可知比較器下門限電位為：當Vo1=+VCC,則比較翻轉器下門限電位為：比較器的門限寬度由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖7所示：圖7運放U2與R4、RP2、C2(C1、C3)及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1時，則輸出

16、積分器的電壓Uo2為當Uo1=+VCC時，輸出積分器的電壓Uo2為：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，如圖8所示圖8當比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，會自動產生方波-三角波。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論：電位器RP2在調整方波-三角波的輸出頻率時，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，RP2實現(xiàn)頻率微調。方波的輸出幅度應等于電源電壓+VCC。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+VCC。電位器RP1可實現(xiàn)幅度微調，但會影響方波-三角波的頻率。3.2三角波-正弦波轉換電路及工作原理 圖9

17、 三角波正弦波轉換電路圖9為三角波方波轉換電路，三角波-正弦波的變換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、抗干擾能力強等優(yōu)點。特別是做直流放大器時，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的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達式為： 式中，差分放大器的恒定電流；溫度的電壓當量，當室溫為25oc時，UT26mV。如果Uid為三角波，設表達式為： 式中 Um三角波的幅度； T三角波的周期。圖10為使輸出波形更接近正弦波，由圖10可見：傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止

18、區(qū)圖為實現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中Rp1調節(jié)三角波的幅度，Rp2調整電路的對稱性，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，C5為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。 4元件的選擇及主要參數(shù)采用圖8、8所示的電路，要求方波上升時間要小于2微秒，根據(jù)運算放大器的Sr值查詢相關數(shù)據(jù)后得知運放應選用Ua741雙運放，差分放大器中T1與T2使用9013，恒流源中的T3與T4使用較大的8050。比較器的U1與積分器U2的元件參數(shù)計算如下： 取R3=10K，取R3=20K,RP1為47K電位器，取平衡電阻R1=R2/（R3+RP1）=10K，由公式：可知： 當1H

19、zf100Hz時，取C2=1F，則R4+RP2=（757.5）k，取5.1 k，RP2為100 k電位器。當 100Hzf1000Hz，取C2=0.1F以實現(xiàn)頻率波段的轉換，R4、RP2的值不變。當1000Hzf10000Hz時，取C2=0.01F，取平衡電阻R5=10 k。三角波-正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得大，因為輸出頻率較低，取C3=C4=C5=470F，濾波電容C6的值視輸出的波形而定，若含有高次諧波較多，則C6一般為幾十皮法至0.1F。RE2=100與RP4=100，相并聯(lián)，以減少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

20、電位器及電阻R確定。5 仿真測試5.1 仿真電路圖圖11 方波-三角波-正弦波仿真電路圖5.2 仿真波形圖12正弦波、方波仿真波形圖13 正弦波仿真波形5.3仿真數(shù)據(jù)頻率范圍：C=0.01uffmin=3568HZfmax=8894HZC=0.1uffmin=204HZFmax=215HZC=1uffmin=16HZfmax=198HZ方波三角波正弦波電壓（絕對值）范圍：方波 0-15.691V 三角波 0-9.553V 正弦波 0-3.021V6 制作實物6.1電路的安裝與調試方波-三角-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級單元電路組成的，在裝調多級電路時，通常按照單元電路的先后順序進行分級裝調與級

21、聯(lián)。（1）方波-三角波發(fā)生器的裝調由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時輸出方波與三角波，這兩個單元電路可以同時安裝。需要注意的是，安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調整到設計值，如設計舉例題中，應先使RP1=10K，RP2?。?.570）內的任一阻值,否則電路可能會不起振.只要電路接線正確,上電后,U01的輸出為方波,U02的輸出為三角波,微調RP1,使三角波的輸出幅度滿足設計指標要求,調節(jié)RP2,則輸出頻率在對應波段內連續(xù)可變.（2）三角波-正弦波變換電路的裝調按照圖2.2.2所示電路，裝調三角波-正弦波變換電路，其中差分放大器可利用課題三設計完成的電路。電路的調試步驟如下

22、：1）經電容C4輸入差模信號電壓Uid=500mV，fi=100Hz的正弦波。調節(jié)RP4及電阻R*，使傳輸特性曲線對稱。再逐漸增大Uid，直到傳輸特曲線形狀如圖3-73所示，記下此時對應的Uid，即Uidm值。移去信號源，再將C4左端接地，測量差分放大器的靜態(tài)工作點I0、Uc1、Uc2、Uc3、Uc4。2）將RP3與C4連接，調節(jié)RP3使三角波的輸出幅度經RP3后輸出等于uidm值，這時U03的輸出波形應接近正弦波，調整C6大小可以改善輸出波形。如果U03的波形出現(xiàn)如圖的幾種正弦波失真，則應調整和修改電路參數(shù)，產生失真的原因及采取的相應措施有：鐘形失真如圖14所示，傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬，應

23、減小RE2。半波圓頂或平頂失真 如圖14如示，傳輸特性曲線對稱性差，工作點Q偏上或偏下，應調整電阻R*。 非線性失真 如圖14所示，三角波的線性度較差引起的非線性失真，主要受運放性能的影響?？稍谳敵龆思訛V波網絡（如C6=0.1mF）改善輸出波形。3）性能指標測量與誤差分析1、方波輸出電壓UP-P2Vcc是因為運放輸出級由NPN型與PNP型兩種晶體管組成復補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飽和導通，由于導通時輸出電阻的影響，使方波輸出度小于電源電壓值。2、方波的上升時間tr，主要受運算放大器轉換速率的限制。如果輸出頻率較高，可接入加速電容C1，一般取C1為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測量t

24、r。圖146.2實物圖圖15 裝配圖圖16焊接圖6.3實物測試圖17 方波波形圖18 三角波波形圖19 正弦波波形7收獲及心得 經歷了一周左右的時間，我們終于做完了這個讓我們既頭痛又快樂的模電課設。 剛剛拿到這個課設的題目，乍一看，毫無頭緒，復習了一下課本才發(fā)現(xiàn)，原來不是課設題目難，而是自己上課的不認真聽講讓自己很是害怕，怕做不出來，對基礎知識掌握的不牢固，對各種期末考試席卷而來的恐懼，讓我很頭痛。 在靜下心來之后，我開始仔細的琢磨課本，在網上查閱大量的資料，終于弄懂了所謂函數(shù)發(fā)生器的原理，在經過兩天的參數(shù)計算和計算機仿真后，我開始到市場買元件，焊接電路，在這過程中又體驗到了無比的快樂，看到一個個嶄新的電子元器件被我固定在電路板上，最終完成之后，更是高興。 焊好電路板之后，我到實驗室調試，在調試過程中，一下就出現(xiàn)了方波、三角波、正弦波，大大的增添了我的信心，模電枯燥的知識讓我點燃不了一絲的興趣，這些設計讓