模電課程設(shè)計(jì)報(bào)告書函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)仿真與實(shí)現(xiàn)論文

1、 . . . 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題 目: 函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)仿真與實(shí)現(xiàn)1 初始條件：可選元件：運(yùn)算放大器，三極管，電阻、電位器、電容若干，直流電源Vcc= +612V， VEE= -6-12V，或自選元器件?？捎脙x器：示波器，萬(wàn)用表，直流穩(wěn)壓源，毫伏表等要求完成的主要任務(wù):（1）設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)要求，完成對(duì)方波三角波正弦波發(fā)生器的仿真設(shè)計(jì)、裝配與調(diào)試，鼓勵(lì)自制穩(wěn)壓源。（2）設(shè)計(jì)要求 正弦波Upp3V，幅度連續(xù)可調(diào)；三角波Upp5V，幅度連續(xù)可調(diào)；方波Upp14V，幅度連續(xù)可調(diào)。 頻率圍：三段：10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；頻率控制方式：改變RC時(shí)間常數(shù)；正弦波輸出電量：電

2、流； 選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。 利用Proteus或Multisim仿真設(shè)計(jì)電路原理圖，確定電路元件參數(shù)、掌握電路工作原理并仿真實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。 安裝調(diào)試并按規(guī)要求格式完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告書。 選做：利用仿真軟件的PCB設(shè)計(jì)功能進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。時(shí)間安排：1、 前半周，完成仿真設(shè)計(jì)調(diào)試；并制作實(shí)物。 2、 后半周，硬件調(diào)試，撰寫、提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行驗(yàn)收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日23 / 25目錄摘 要IAbstractII1. Multisim軟件簡(jiǎn)介32 方案論證與比較42.1總體設(shè)計(jì)方案論證與選擇43 系統(tǒng)方案與單元電路53.1 函

3、數(shù)發(fā)生器方案概述53.2 單元電路設(shè)計(jì)63.2.1.1方波-三角波產(chǎn)生電路6694 元器件的選擇114.1 元器件型號(hào)與參數(shù)計(jì)算115 完整的電路圖與實(shí)物圖166電路仿真與實(shí)物波形186.1方波三角波發(fā)生電路的仿真與實(shí)物186.2三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真197電路安裝與調(diào)試208 元器件清單229心得體會(huì)2310 參考文獻(xiàn)24摘 要函數(shù)發(fā)生器是一種多波形的信號(hào)源。它可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波，甚至任意波形。有的函數(shù)發(fā)生器還具有調(diào)制的功能，可以進(jìn)行調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、脈寬調(diào)制和VCO控制。函數(shù)發(fā)生器有很寬的頻率圍，使用圍很廣，它是一種不可缺少的通用信號(hào)源?？梢杂糜谏a(chǎn)測(cè)試、儀器維修和實(shí)

4、驗(yàn)室，還廣泛使用在其它科技領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)、教育、化學(xué)、通訊、地球物理學(xué)、工業(yè)控制、軍事和宇航等。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構(gòu)成各種信號(hào)波形發(fā)生器。用集成電路實(shí)現(xiàn)的信號(hào)波形發(fā)生器與其它信號(hào)波形發(fā)生器相比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，都有了很大的提高。電路形式可以采用由運(yùn)放與分離元件構(gòu)成；也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器。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，本課題介紹方波、三角波、正弦波函數(shù)發(fā)生器的方法。關(guān)鍵詞：方波；三角波；正弦波；鋸齒波；矩形波AbstractFunction generator is a multi-wave signal source.

5、It can produce sine, square, triangle wave, sawtooth, or arbitrary waveform. Some function generator also has a modulation function, can be AM, FM, phase modulation, pulse width modulation and VCO control. Function generator has a wide frequency range, using a wide range, it is an indispensable comm

6、on source. Can be used for production testing, equipment maintenance and laboratory, but also widely used in other technology areas such as medicine, education, chemistry, communications, geophysics, industrial control, military, and aerospace and so on. With the rapid development of integrated circ

7、uits, integrated circuits can be easily used to create various waveform generator. Integrated circuits to achieve the signal waveform generator and other waveform generators compared to the waveform quality, magnitude and frequency stability and other performance indicators, have been greatly improv

8、ed.Circuit form of the function generator can be used by the separation of components, the op amp; also be used monolithic integrated function generator. According to different purposes, there have three or more of the waveform function generator, introduced the subject of a square wave, triangle wa

9、ve, sine wave function generator method.Keywords: square wave; triangle wave; sine wave; sawtooth; rectangular wave1. Multisim軟件簡(jiǎn)介 Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借NI Multisim，您可以立

10、即創(chuàng)建具有完整組件庫(kù)的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級(jí)SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測(cè)量。單元電路、功能電路、單片機(jī)硬件電路的構(gòu)建與相應(yīng)軟件調(diào)試的仿真。系統(tǒng)的組成與仿真：Commsim 是一個(gè)理想的通信系統(tǒng)的教學(xué)軟件。它很適用于如信號(hào)與系統(tǒng)、通信、網(wǎng)絡(luò)等課程，難度適合從一般介紹到高級(jí)。使學(xué)生學(xué)的更快并且掌握的更多。Commsim含有200多個(gè)通用通信和數(shù)學(xué)模塊，包含工業(yè)中的大部分編

11、碼器，調(diào)制器，濾波器，信號(hào)源，信道等，Commsim 中的模塊和通常通信技術(shù)中的很一致，這可以確保你的學(xué)生學(xué)會(huì)當(dāng)今所有最重要的通信技術(shù)。要觀察仿真的結(jié)果，你可以有多種選擇：時(shí)域，頻域，XY圖，對(duì)數(shù)坐標(biāo)，比特誤碼率，眼圖和功率譜。儀表儀器的原理與制造仿真：可以任意制造出屬于自己的虛擬儀器、儀表，并在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境和實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行使用。PCB的設(shè)計(jì)與制作：產(chǎn)品級(jí)版圖的設(shè)計(jì)與制作。本次Multisim仿真實(shí)現(xiàn)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的原理圖繪制，PCB板圖制作，以與電路的仿真。運(yùn)用運(yùn)放構(gòu)成的比較器和積分器實(shí)現(xiàn)矩形波和三角波的輸出，再經(jīng)差分放大產(chǎn)生正余弦波形。2 方案論證與比較2.1總體設(shè)計(jì)方案論證與選擇1、

12、方案一由RC橋式電路振蕩產(chǎn)生正弦波，再經(jīng)整形積分產(chǎn)生方波和三角波，原理方框見圖1 圖1 由RC網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換流程電路圖2、方案二由運(yùn)算放大電路、電位器等組成的多功能函數(shù)發(fā)生器，精確度高但電路過(guò)于復(fù)雜。3、方案三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(lái)完成。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。本電路可以很好的結(jié)合已學(xué)的知識(shí)與實(shí)踐，且輸出波形幅度與頻率均可通過(guò)改變?cè)?shù)進(jìn)行調(diào)整，方便且成本較低。 可行性分析在以上三

13、種方案中：方案一：用RC橋式電路與整形積分電路構(gòu)成的函數(shù)發(fā)生器所產(chǎn)生的信號(hào)難控制，不易調(diào)試，可調(diào)圍??；方案二：電路相對(duì)復(fù)雜。方案三：產(chǎn)生信號(hào)相對(duì)簡(jiǎn)單。所以最后我選擇第三種方案。3 系統(tǒng)方案與單元電路3.1 函數(shù)發(fā)生器方案概述圖2為函數(shù)發(fā)生器的總體框圖，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(lái)完成。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。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。圖2 函數(shù)發(fā)生器總體框圖3

14、.2 單元電路設(shè)計(jì)3.2.1.1方波-三角波產(chǎn)生電路 圖3 方波-三角波產(chǎn)生電路3.2.1.2方波三角波產(chǎn)生原理圖3為方波和三角波產(chǎn)生電路。若a點(diǎn)斷開，運(yùn)算放大器A1與R2、R3、R6組成電壓比較器，運(yùn)放的反向端接基準(zhǔn)電壓，即V-=0，同向輸入端接輸入電壓Via；比較器的輸出Vo1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V+=V-=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Vo1從高電平+Vcc跳轉(zhuǎn)到低電平-Vee，或從低電平跳到高電平。設(shè)vo1=+Vcc, 式中R3指電位器的調(diào)整值，（下同），將上式整理，可知比較器下門限電位當(dāng)vo1=-Vcc,則比

15、較翻轉(zhuǎn)器上門限電位運(yùn)放A2與R4、C與R5組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波Uo1時(shí)，則輸出積分器的電壓為當(dāng)Vo1=+Vcc時(shí)當(dāng)Vo1=-VEE時(shí)可見積分器輸入方波時(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2所示。 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。三角波的幅度為方波三角波的頻率為 由上分析可知：電位器R4在調(diào)整方波三角波的輸出頻率時(shí)，不會(huì)影響輸出波形的幅度。方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過(guò)電源電壓。電位器R2可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響波形的頻率。通過(guò)調(diào)節(jié)R5可以調(diào)節(jié)方波占空比圖4 遲滯比較器的傳輸特性圖圖5 方波-三角波波

16、形圖3.2.2.1 三角波-正弦波產(chǎn)生電路 圖6 三角波正弦波產(chǎn)生電路3.2.2.2三角波正弦波產(chǎn)生原理正弦波的變換主要由差分放大器來(lái)完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是做直流放大器時(shí)，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的非線性。其非線性與變換原理如圖6。圖7三角波-正弦波波形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

17、達(dá)式為：.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)，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(duì)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)。下圖為實(shí)現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中R17調(diào)節(jié)三角波的幅度，R16調(diào)節(jié)正弦波的幅度，Rp2調(diào)整電路的對(duì)稱性，其并聯(lián)電阻Rp2用來(lái)減小差分放大器的線性區(qū)。電容C5,C6,C7為隔直電容。4 元器件的選擇4.1 元器件型號(hào)與參數(shù)計(jì)算采用圖2和圖3所示的電路，其中運(yùn)放A1與A2各用一只運(yùn)放UA741，差分放大

18、器中T1與T2使用8050，恒流源中的T3與T4使用較大的8050。UA741簡(jiǎn)介：1和5為偏置(調(diào)零端)，2為正向輸入端，3為反向輸入端，4接地，6為輸出，7接電源 8空腳8050三極管簡(jiǎn)介：最大集存器電流(A):0.5 A，直流電增益:10 到 60，功耗:625 mW，最大集存器發(fā)射電（VCEO）:25，極性:NPN。比較器A1與積分器A2的元件參數(shù)計(jì)算如下：由因此取R2=10k,則R3+R6=30 k，取R6=10k, R3為100 k的電位器。取平衡電阻R1=R2/（R3+R6）10 k。因?yàn)楫?dāng)10Hzf100Hz時(shí)，取C=1F，則R4=（757.5）k，取R4為100 k電位器。當(dāng)

19、 100Hzf1000Hz，取C2=0.1F以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4的值不變。當(dāng)1000Hzf10000Hz時(shí)，取C2=0.01F。取平衡電阻R9=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C5、C6、C7要取得大，因?yàn)檩敵鲱l率較低，取C5=C6=C7=470F，選取RP2=100為平衡電阻，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(diǎn)可通過(guò)觀測(cè)傳輸特性曲線，調(diào)整RP2確定。5 完整的電路圖與實(shí)物圖圖8 總電路圖主要工作原理：該電路為方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器電路，利用遲滯比較器（施密特觸發(fā)器）產(chǎn)生方波，后方波經(jīng)積分器產(chǎn)生三角波，然后利用差分放大電路的電壓傳輸特性，將三角波

20、轉(zhuǎn)變?yōu)檎也āＴ撾娐吠ㄟ^(guò)電位器實(shí)現(xiàn)幅值可調(diào)，頻率可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)R5可以調(diào)節(jié)方波占空比，也可以把三角波轉(zhuǎn)換成斜率可調(diào)的鋸齒波，滿足設(shè)計(jì)要求。 圖9 實(shí)物圖6電路仿真與實(shí)物波形6.1方波三角波發(fā)生電路的仿真與實(shí)物方波：圖10三角波：圖116.2三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真正弦波：圖126.3占空比可調(diào)矩形波：圖13斜率可調(diào)鋸齒：圖147電路安裝與調(diào)試方波-三角-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級(jí)單元電路組成的，在裝調(diào)多級(jí)電路時(shí)，通常按照單元電路的先后順序進(jìn)行分級(jí)裝調(diào)與級(jí)聯(lián)。（1）方波三角波發(fā)生器的裝調(diào)由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時(shí)輸出方波與三角波，這兩個(gè)單元電路可以同時(shí)安裝。需要注意的

21、是，安裝電位器R3與R4之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計(jì)值，如設(shè)計(jì)舉例題中，應(yīng)先使R3=20K，R4取（2.570）k的任一阻值,否則電路可能會(huì)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(diào)R17,使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,調(diào)節(jié)R4,則輸出頻率在對(duì)應(yīng)波段連續(xù)可變.（2）三角波正弦波變換電路的裝調(diào)按照?qǐng)D7所示電路，裝調(diào)三角波-正弦波變換電路，其中差分放大器可利用設(shè)計(jì)完成的電路。電路的調(diào)試步驟如下：1）經(jīng)電容C6輸入差模信號(hào)電壓uid=500mV，fi=100Hz的正弦波。調(diào)節(jié)RP2，使傳輸特性曲線對(duì)稱。再逐漸增大uid，直到傳輸特曲線形狀如圖6所示，記下此時(shí)對(duì)

22、應(yīng)的uid，即uidm值。移去信號(hào)源，再將C6左端接地，測(cè)量差分放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)I0、Uc1、Uc2、Uc3、Uc4。2）將RP1與C6連接，調(diào)節(jié)RP1使三角波的輸出幅度經(jīng)RP1后輸出等于uidm值，這時(shí)U03的輸出波形應(yīng)接近正弦波，調(diào)整C8大小可以改善輸出波形。如果U03的波形出現(xiàn)如圖15所示的幾種正弦波失真，則應(yīng)調(diào)整和修改電路參數(shù)，產(chǎn)生失真的原因與采取的相應(yīng)措施有：鐘形失真如圖15（a）所示，傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬，應(yīng)減小RP5。半波圓頂或平頂失真 如圖15（b）如示，傳輸特性曲線對(duì)稱性差，工作點(diǎn)Q偏上或偏下，應(yīng)調(diào)整電阻RP2。非線性失真 如圖圖15（c）所示，三角波的線性度較差引起的

23、非線性失真，主要受運(yùn)放性能的影響?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡(luò)（如C8=0.1mF）改善輸出波形。3）性能指標(biāo)測(cè)量與誤差分析1、方波輸出電壓UP-P2Vcc是因?yàn)檫\(yùn)放輸出級(jí)由NPN型與PNP型兩種晶體管組成復(fù)補(bǔ)對(duì)稱電路，輸出方波時(shí)，兩管輪流截止與飽和導(dǎo)通，由于導(dǎo)通時(shí)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(shí)間tr，主要受運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換速率的限制。如果輸出頻率較高，可接入加速電容C，一般取C為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測(cè)量tr。圖15 幾種波形失真情況8 元器件清單序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量備注1電阻10K62電阻5.1K13電阻10K24電阻2K25電阻8.2K16電阻10017電位器10

24、018電位器50K19電位器100K510電容0.01µf1瓷片電容11電容0.1µf1瓷片電容12電容1µf1貼片電容13電容470µf2電解電容14開關(guān)1單刀雙擲開關(guān)15運(yùn)算放大器µa7412雙運(yùn)放9心得體會(huì) 本次課程設(shè)計(jì)是建立在集成運(yùn)放的基礎(chǔ)上，對(duì)課本中已學(xué)的信號(hào)發(fā)生電路的一個(gè)綜合拓展，加強(qiáng)了我們對(duì)課本上的知識(shí)的思考與鍛煉動(dòng)手實(shí)踐能力。在將近一個(gè)星期的資料收集過(guò)程中，我首先弄懂了函數(shù)發(fā)生器的工作原理，接著開始著手其設(shè)計(jì)方案，在網(wǎng)上以與參考書上了解到了幾種可用于產(chǎn)生波形的電路以與用單片機(jī)設(shè)計(jì)函數(shù)發(fā)生器的方法，經(jīng)過(guò)分析各自的優(yōu)劣并結(jié)合自己現(xiàn)有的知識(shí)水平，我選擇了上述設(shè)計(jì)方案。接著便開始根據(jù)課程設(shè)計(jì)的具體要求對(duì)電路進(jìn)行修改，并通過(guò)計(jì)算對(duì)各元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。這之中的過(guò)程都涉與一些小問題，但這也說(shuō)明了平時(shí)課本上知識(shí)應(yīng)當(dāng)學(xué)扎實(shí)，這樣才不至于在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)