函數(shù)發(fā)生器設(shè)計-王廣博

1、武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)課程設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 王廣博 專業(yè)班級： 通信0905班 指導(dǎo)教師： 王 晟 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 函數(shù)發(fā)生器設(shè)計 課程設(shè)計目的： 1）掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計方法；2）培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識來指導(dǎo)實踐的能力；3）掌握常用元器件的識別和測試；4）熟悉常用儀表并且了解電路調(diào)試的基本辦法 。課程設(shè)計內(nèi)容和要求： 1）輸出波形：正弦波、方波、三角波等；2）頻率范圍：10Hz10kHz；3) 輸出電壓：方波Up-p=15V，三角波Up-p=5V，正弦波Up-p=3V；4) 波形特征：方波的上升時間T<2ms，三角波失真系數(shù)THD<1%，正弦波失

2、真系數(shù)THD<3%；5）單元電路設(shè)計，進(jìn)行必要的計算；初始條件：恒壓源，運算放大器，萬用電路板，電容，三極管，開關(guān)，導(dǎo)線。時間安排：第17周：理論講解；第18周：理論設(shè)計及實驗室安裝調(diào)試；第19周：撰寫設(shè)計報告及答辯。地點：鑒主15通信工程實驗室；鑒主13通信工程專業(yè)實驗室；鑒主17樓研究室。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄摘要 1 Abstract 1 1 方案的論證和比較 22 設(shè)計的目的和任務(wù) 32.1 課程設(shè)計的目的 32.2 課程設(shè)計的任務(wù)與要求 32.3 課程設(shè)計的技術(shù)指標(biāo) 33 單元電路原理及設(shè)計 43.1 方波發(fā)生電路的工作原理 43

3、.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 43.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 7 3.4電路的參數(shù)選擇及計算 103.5 總電路圖 114 函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖 124.1 電路設(shè)計原理框圖 12 4.2 電路設(shè)計方案設(shè)計 125 電路的仿真 145.1 方波-三角波發(fā)生電路的仿真 14 5.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真 156電路的安裝、調(diào)試及分析 166.1 方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試 166.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試 166.3 總電路的安裝與調(diào)試 166.4 電路安裝與調(diào)試中遇到的問題及分析解決方法 177電路的實驗結(jié)果 197.1 方波-三角波發(fā)生

4、電路的實驗結(jié)果 197.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實驗結(jié)果 197.3 實測電路波形、誤差分析及改進(jìn)方法 208 小結(jié) 219 參考文獻(xiàn) 22附錄一 元件清單 23附錄二 實物圖 2426摘 要 函數(shù)信號發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、含方波、正弦波的電路。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。 通過對函數(shù)波形發(fā)生器的原理以及構(gòu)成分析，可設(shè)計一個能變換出三角波、正弦波、方波的函數(shù)波形發(fā)生器。采用由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(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法，先通過比較器產(chǎn)生方波，再通過積分器產(chǎn)生三角波，最后通過差分放大器形成正弦波。波形變換

5、的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。經(jīng)過仿真得出了方波、三角波、正弦波、方波。AbstractFunction generator is a multi-wave signal source. 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 co

6、ntrol. Function generator has a wide frequency range, using a wide range, it is an indispensable common 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,

7、 industrial control, military, and aerospace and so on. With the rapid development of integrated circuits, 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

8、quality, magnitude and frequency stability and other performance indicators, have been greatly improved.1. 方案的論證與比較11方案一采用鎖相環(huán)式頻率合成器。利用鎖相環(huán)，將壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在所需要頻率上。這種頻率合成器具有很好的窄帶跟蹤特性，可以很好地選擇所需要頻率信號，抑制雜散分量，并且避免了量的濾波器，有利于集成化和小型化。但由于鎖相環(huán)本身是一個惰性環(huán)節(jié)，鎖定時間較長，故頻率轉(zhuǎn)換時間較長。而且，由模擬方法合成的正弦波的參數(shù)，如幅度、頻率 相信都很難控制。1.2 方案二

9、 采用傳統(tǒng)的直接頻率合成器。這種方法能實現(xiàn)快速頻率變換，具有低相位噪聲以及所有方法中最高的工作頻率。但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、成本高，而且容易產(chǎn)生過多的雜散分量，難以達(dá)到較高的頻譜純度。 13 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，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，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)的知識與實踐，且輸出波形幅度及頻率均可通過改變元

10、件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，方便且成本較低。綜合以上對各個方案優(yōu)劣勢的分析，最終選擇了方案三做為本次模擬電子技術(shù)課程設(shè)計的總設(shè)計方案。2課程設(shè)計的目的和任務(wù)2.1 設(shè)計目的1）掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計方法；2）培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識來指導(dǎo)實踐的能力；3）掌握常用元器件的識別和測試；4）熟悉常用儀表并且了解電路調(diào)試的基本辦法 。2.2設(shè)計任務(wù) 設(shè)計方波三角波正弦波函數(shù)信號發(fā)生器2.3課程設(shè)計的要求及技術(shù)指標(biāo)1）設(shè)計、組裝、調(diào)試函數(shù)發(fā)生器；2）輸出波形：正弦波、方波、三角波；3）頻率范圍 ：在10Hz10kHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào) ；4）輸出電壓：方波Up-p15V，三角波Upp5V，正弦波Upp3V。3單元電路原理及

11、設(shè)計3.1 方波發(fā)生電路的工作原理 此電路由反相輸入的滯回比較器和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RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當(dāng)t趨于無窮時，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時間逐漸增長而減低，當(dāng)t趨于無窮大時，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-

12、Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。3.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理圖1 方波三角波產(chǎn)生電路 公式（1） 公式（2） 圖2 遲滯電壓傳輸特性 圖3 三角波發(fā)生器工作波形工作原理：若a點斷開，運算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。運放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。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(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當(dāng)比較器的U+=U-=0時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Uo1從

13、高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設(shè)Uo1=+Vcc,則 公式（3） 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia-為 公式（4）若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為 公式（5）比較器的門限寬度公式（6）由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖所示。a點斷開后，運放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為公式（7）時，公式（8）時，公式（9）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，其波形關(guān)系下圖所示。a點閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產(chǎn)生方波-三角波

14、。三角波的幅度為 公式（10）方波-三角波的頻率f為公式（11）由以上兩式可以得到以下結(jié)論：（1）電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時，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，PR2實現(xiàn)頻率微調(diào)。（2）方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可實現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波-三角波的頻率。3.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 圖4 三角波產(chǎn)生電路三角波正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點漂移，因此可

15、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：公式（12）公式（13）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，UT26mV。如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為公式（14）式中Um三角波的幅度； T三角波的周期。1）為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：2）傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；3）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)。圖為實現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中Rp1調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp2調(diào)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，C4為

16、濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。 圖5 三角波正弦波變換電路圖6 正弦波分析圖3.4電路的參數(shù)選擇及計算（1）方波-三角波中電容C1變化（關(guān)鍵性變化之一）實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，后來將C2從10uf（理論時可出來波形）換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當(dāng)C2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現(xiàn)。（2）三角波-正弦波部分比較器A1與積分器A2的元件計算如下。由式（3-61）得（15）即（16）取 ，則，取 ，RP1為47K的點位器。區(qū)平衡電阻由式（3-62）(17）即（18）當(dāng)時，取，則，取，為100K電位器。當(dāng)時 ，取以實現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，

17、R4及RP2的取值不變。取平衡電阻。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要取得較大，因為輸出頻率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R*確定。3.5 總電路圖 圖7 函數(shù)發(fā)生器總圖4函數(shù)發(fā)生器總方案及原理框圖 4.1 原理框圖 圖8 函數(shù)信號發(fā)生器框圖4.2 函數(shù)發(fā)生器的總方案 函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)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

18、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，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8038)。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實驗調(diào)試技術(shù)，本課題采用由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(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法。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?。本課題采用先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計方法，本課題中函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖如下所

19、示：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，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，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曲線的非線性。5 電路仿真5.1 方波-三角波發(fā)生電路的仿真 圖9 方波仿真 圖10三角波仿真 圖11 聯(lián)合仿真5.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真 圖12 正弦波仿真6 電路的安裝與調(diào)試及分析6.1 方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試(1）按裝方波三角波產(chǎn)生電路1) 把兩塊741集成塊插

20、入面包板，注意布局；2) 分別把各電阻放入適當(dāng)位置，尤其注意電位器的接法；3) 按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。(2)調(diào)試方波三角波產(chǎn)生電路1) 接入電源后，用示波器進(jìn)行雙蹤觀察；2) 調(diào)節(jié)RP1，使三角波的幅值滿足指標(biāo)要求；3) 調(diào)節(jié)RP2，微調(diào)波形的頻率；4) 觀察示波器，各指標(biāo)達(dá)到要求后進(jìn)行下一部按裝。6.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試(1)按裝三角波正弦波變換電路1) 在面包板上接入差分放大電路，注意三極管的各管腳的接線；2) 搭生成直流源電路，注意R*的阻值選?。?) 接入各電容及電位器，注意C6的選?。?) 按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。(2)調(diào)試三角波正弦波變換

21、電路1) 接入直流源后，把C4接地，利用萬用表測試差分放大電路的靜態(tài)工作點；2) 測試V1、V2的電容值，當(dāng)不相等時調(diào)節(jié)RP4使其相等；3) 測試V3、V4的電容值，使其滿足實驗要求；4) 在C4端接入信號源，利用示波器觀察，逐漸增大輸入電壓，當(dāng)輸出波形剛好不失真時記入其最大不失真電壓；6.3 總電路的安裝與調(diào)試(1)把兩部分的電路接好，進(jìn)行整體測試、觀察(2)針對各階段出現(xiàn)的問題，逐各排查校驗，使其滿足實驗要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。6.4調(diào)試中遇到的問題及解決的方法方波-三角波-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(diào)多級電路時通常按照單元電路的先后順序分級裝調(diào)與級聯(lián)。6.

22、4.1 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(diào)整到設(shè)計值，如設(shè)計舉例題中，應(yīng)先使RP1=10K,RP2?。?.5-70）K內(nèi)的任一值,否則電路可能會不起振。只要電路接線正確，上電后，UO1的輸出為方波，UO2的輸出為三角波，微調(diào)RP1,使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計指標(biāo)要求有，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率在對應(yīng)波段內(nèi)連續(xù)可變。6.4.2 三角波-正弦波變換電路的裝調(diào) 按照圖375所示電路，裝調(diào)三角波正弦波變換電路，其中差分發(fā)大電路可利用課題三設(shè)計完成的電路。電路的 調(diào)試

23、步驟如下。（1）經(jīng)電容C4輸入差摸信號電壓Uid=50v，F(xiàn)i =100Hz正弦波。調(diào)節(jié)Rp4及電阻R*,是傳輸特性曲線對稱。在逐漸增大Uid。直到傳輸特性曲線形狀入圖373所示，記 下次時對應(yīng)的 Uid即Uidm值。移去信號源，再將C4左段接地，測量差份放大器的 靜態(tài)工作點I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.(2) Rp3與C4連接，調(diào)節(jié)Rp3使三角波俄 輸出幅度經(jīng)Rp3等于Uidm值，這時Uo3的 輸出波形應(yīng) 接近 正弦波，調(diào)節(jié)C6大小可改善輸出波形。如果Uo3的 波形出現(xiàn)如圖33中圖6所示的 幾種正弦波失真，則應(yīng)調(diào)節(jié)和改善參數(shù)，產(chǎn)生失真的 原因及采取的措施有；1）鐘形失真 如圖（a）

24、所示，傳輸特性曲線的 線性區(qū)太寬，應(yīng)減小Re2。2）半波圓定或平頂失真 如圖（b）所示，傳輸特性曲線對稱性差，工作點Q偏上或偏下，應(yīng)調(diào)整電阻R*.3）非線性失真 如圖（C）所示，三角波傳輸特性區(qū)線性度 差引起的失真，主要是受到運放的影響?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡(luò)改善輸出波形。（3）性能指標(biāo)測量與誤差分析 1）放波輸出電壓Upp=2Vcc是因為運放輸出極有PNP型兩種晶體組成復(fù)合互補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飲和導(dǎo)通，由于導(dǎo)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T，主要受預(yù)算放大器的限制。如果輸出頻率的 限制?？山佣砑铀匐娙軨1，一般取C1為幾十皮法。用示波器或

25、脈沖示波器測量T 7電路的實驗結(jié)果7.1 方波-三角波發(fā)生電路的實驗結(jié)果 表一 電容對應(yīng)頻率C=0.01uffmin=4138HZfmax=8333HZC=0.1uffmin=198HZfmax=1800HZC=1uffmin=28HZfmax=207HZ7.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實驗結(jié)果 表二 電路參數(shù)R=15KVc1=Vc2=5.530VVc3=-0.6218VVc4=-10.307VIc1=Ic2= 0.6813mA 表三 仿真結(jié)果模擬仿真（R*= 13 K）Vc1=Vc2=4.358VVc3=-0.831VVc4=-9.028VIc1=Ic2=0.5368mA7.3 實測電路波形

26、、誤差分析及改進(jìn)方法 圖13 正弦波分析圖將C6替換為由兩個0.1uF串聯(lián)或直接拿掉, C1=0.1uF U=54mv Uo=2.7v >1vC1=0.01uF U=54mv Uo=2.8v>1vXc=1/W*C,當(dāng)輸出波形為高頻時，若電容C6較大，則Xc很小，高頻信號完 全被吞并，無法顯示出來。 8小結(jié)回顧整個課程設(shè)計的歷程，發(fā)現(xiàn)自己解決問題的能力確實提高了不少，在這個課程設(shè)計中，我學(xué)到了很多有關(guān)模擬電子技術(shù)理論和實際等方面的知識，通過實驗我懂得了理論和實踐結(jié)合的重要性。在設(shè)計過程中，只有將理論和實際結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正的提高自己的實際動手能力和獨立思考能力。 由

27、于第一次做，在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。在設(shè)計中遇到了很多專業(yè)知識問題，最后在老師的指導(dǎo)和大家的一起努力下順利完成了，而且培養(yǎng)了大家的團(tuán)隊合作精神。一件事情不管它有多么難，一張電路圖，不管它有多少元器件，既然它是一件事，肯定有解決的方案，既然它是一張圖，也肯定存在著它內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理，實際上做課程設(shè)計也是對課本知識的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識太多，平時課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而我們要做的不過是找到這些方案，摸清它的原理，從而使得我們的思想變得更為開闊，更為活躍！在該如何設(shè)計電路并使電路實現(xiàn)所需功能的過程中，培養(yǎng)了我的設(shè)計思維，增加了實際操作能力。這次設(shè)計讓我體會到了設(shè)計電路的艱辛的同時,更讓我體會到成功的喜悅和快樂，這次實習(xí)使我受益匪淺。9參考文獻(xiàn)1 凌玉華.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.長沙：中南大學(xué)出版社2 劉丹.例說8051.北京：人民郵電出版社3 李群芳.單片微型計算機(jī)與接口技術(shù)(第二版).北京：電子工業(yè)出版社4 王瓊.單片機(jī)原理及應(yīng)用實踐教程.合肥：合肥工