函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書1.課程設(shè)計(jì)的目的和任務(wù)1.1 設(shè)計(jì)目的 函數(shù)發(fā)生器作為電子教學(xué)中一種必不可少的實(shí)驗(yàn)儀器，在很多的實(shí)驗(yàn)中都要用到它，它可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波，通過對(duì)它的學(xué)習(xí)和制作，可以使我們更好的掌握它的內(nèi)部構(gòu)造和基本原理，同時(shí)本次課程設(shè)計(jì)還具有以下幾點(diǎn)意義：（1）掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法；（2）培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來指導(dǎo)實(shí)踐的能力；（3）掌握常用元器件的識(shí)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 。（5）通過焊接實(shí)物來提高自己的動(dòng)手能力，通過實(shí)物調(diào)試來提高自己的分析和總結(jié)能力1.2課程設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)（1）設(shè)計(jì)方波三角波正弦波函數(shù)信號(hào)發(fā)

2、生器（2）頻率范圍三段：10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；（3）正弦波Uopp3V，三角波Uopp5V，方波Uopp14V；（4）輸出電壓幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真??；（5）設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試函數(shù)發(fā)生器；（6）焊接實(shí)物；（7）撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。2 總體電路方案設(shè)計(jì)與選擇2.1函數(shù)發(fā)生器的組成函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)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(hào)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)。產(chǎn)生正弦波、方波、三角波

3、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?。下面?duì)不同的方案做一個(gè)對(duì)比。2.2方案對(duì)比 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。 圖1 方案一優(yōu)點(diǎn)：RC橋式電路適合于產(chǎn)生低頻振蕩信號(hào)，振幅和頻率較穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)方便。缺點(diǎn)：用RC橋式電路及整形積分電路構(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，信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)不是很方便。通過仿真的結(jié)果來看，當(dāng)頻率較高時(shí)，輸出的波形產(chǎn)生了較大的失真，不符合設(shè)計(jì)的要求。 方案二：用ICL8038集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

4、所需信號(hào)。接入外部電路后ICL8038的9、3、2引腳就可分別產(chǎn)生方波、三角波、 正弦波，頻率調(diào)節(jié)部分通過其它的引腳接外電路來完成 .然后從ICL8038出來經(jīng)過選擇開關(guān)選擇所需波形進(jìn)入LM31D8進(jìn)行放大和幅度調(diào)節(jié)，最后從LM31D8出來的波即為頻率和幅度可調(diào)的方波，三角波和正弦波。 圖2 方案二 優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單，頻率調(diào)節(jié)方便，波形失真較小，精度很高 缺點(diǎn)：LCL8038是集成電路，它的內(nèi)部有完整的產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的電路，不易分析內(nèi)部構(gòu)成原理，十分復(fù)雜，如果運(yùn)用此芯片，則不能很好的將我們所學(xué)到的基本運(yùn)放知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，達(dá)不到課程設(shè)計(jì)的根本目的，同時(shí)LCL8038比較貴，成本較高。

5、 方案三：利用比較器產(chǎn)生方波，后用積分器產(chǎn)生三角波，經(jīng)過有源一階低通濾波器產(chǎn)生正弦波。 圖3 方案三 優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單，將我們所學(xué)到的電壓比較器、反相積分器和有源二階壓控型低通濾波器結(jié)合到一起，原理易懂，很容易控制產(chǎn)生的信號(hào)，而且產(chǎn)生的方波、三角波、正弦波的頻率和幅度都是很容易的調(diào)節(jié)，通過更換不同的元件，通過理論值的計(jì)算，輸出波形的頻率都能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，并且波形的失真也較小。 綜合以上對(duì)各個(gè)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(jì)的總設(shè)計(jì)方案。3.正負(fù)可調(diào)電源的設(shè)計(jì)3.1可調(diào)電源的組成變壓電路整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路交流輸入直流輸出 圖4 電源組成框圖3.2電源原理圖

6、 圖5 正負(fù)可調(diào)電源原理圖電源說明： 變壓電路采用的是輸出電壓為15V，電流為1.5A，功率為30W的變壓器；整流電路采用的是IN4007整流二極管，Um>=50V，I=1A；濾波電容采用的是1000Uf，50V的電解電容；穩(wěn)壓電路分別采用的是LM317和LM337，其特性參數(shù)Uo=1.237V，Im=1.5A，最大、最小輸入輸出電壓各位3V和40V。防止高頻信號(hào)干擾和自己振蕩的電容采用的是0.01uF和0.33uF的瓷片電容。4.函數(shù)發(fā)生器的具體設(shè)計(jì)4.1原理框圖電壓比較器反相 積分器有源二階低通濾波器 圖6 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器組成框圖4.2方波三角波產(chǎn)生電路 圖7 方波三角波產(chǎn)生電路原理

7、分析：以上電路是由一個(gè)遲滯電壓比較器和一個(gè)反相積分器構(gòu)成，其中遲滯比較器電路是用來產(chǎn)生方波，而反相積分器是為了將產(chǎn)生的方波轉(zhuǎn)換成三角波。遲滯電壓比較器是在單門限電壓比較器的基礎(chǔ)上加上正反饋構(gòu)成的，由于正反饋的加入，它加速了輸出電壓的翻轉(zhuǎn)過程，同時(shí)它為電壓比較器提供了雙極性參考電平，方波的幅值由電源大小決定，當(dāng)輸入為正時(shí)，輸出為正，當(dāng)輸入為負(fù)時(shí)，輸出負(fù)電壓。Rp3用于調(diào)節(jié)方波輸出U1的幅值大小。方波通過反相積分電路可以轉(zhuǎn)換成三角波，比較器的同相端和積分器的輸出端相連，形成閉環(huán)電路，使得能夠同時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生方波和三角波。方波和三角波的頻率為fo=R3/(4R4*Rp1*C1)，R1、R5為平衡電阻，調(diào)

8、節(jié)Rp1可以改變方波和三角波的頻率，調(diào)節(jié)Rp3和PRp4可以分別改變方波和三角波的振幅，此種設(shè)計(jì)可以滿足輸出波形頻率和幅值連續(xù)可調(diào)的要求。如果要想輸出頻率范圍較寬的波形，可以通過改變電容C1的大小來實(shí)現(xiàn)，理論上，C1越小，輸出的波形頻率越大。4.3三角波正弦波產(chǎn)生電路 圖8 三角波正弦波產(chǎn)生電路原理分析：以上電路為一個(gè)有源二階壓控型低通濾波器，三角波通過有源二階低通濾波器后，可以得到正弦波。同相放大電路的電壓增益就是低通濾波的通帶電壓增益，即Ao=1+R7/R6=2. 電容C2與運(yùn)放的輸出端相連接，形成了運(yùn)算放大器的正反饋，對(duì)于這個(gè)反饋，電容C2使得相位超前，而電容C3使得相位滯后，可以使得整

9、個(gè)電路在帶有正反饋的同時(shí)，又避免了有源濾波器產(chǎn)生自己振蕩。有源二階壓控型低通濾波器的優(yōu)點(diǎn)是可以使輸出電壓在高頻段以更快的速率下降，同時(shí)它的濾波效果比一階低通濾波器的效果更好。輸出正弦波的幅值大小可以通過可調(diào)電阻Rp5來調(diào)節(jié)，正弦波的頻率可以通過可調(diào)電阻Rp6和Rp7來調(diào)節(jié)。4.4方波三角波正弦波電路: 圖9 整體電路圖 電路共分為三級(jí)，由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓比較器，反相積分器和有源二階壓控型低通濾波器，運(yùn)算放大器的工作電壓是+12V和-12V。在圖中有三個(gè)輸出端，其分別可輸出方波，三角波和正弦波。4.5元件參數(shù)計(jì)算 比較器和積分器的元件參數(shù)如下：由理論分析知道電壓比較器的輸出電壓即約等于電源電

10、壓,為了輸出峰峰值為14v的方波電壓,因此選擇電源電壓應(yīng)大于或等于7v和-7v,我們選擇的工作電壓為正負(fù)12V直流電源，具體方波的輸出電壓U=Rp3/(Rp3+R3)*Ui,Rp3取10K電位器，用來調(diào)節(jié)輸出方波的電壓；Rp1和Rp2分別取20K和10K,用來調(diào)節(jié)方波和三角波的輸出頻率；要求輸出的三角波峰峰值為4v,則可以取R2=20K,R4=10K,平衡電阻R1=R4/(R3+RP3)約等于10k，RP4=50K，用來調(diào)節(jié)三角波的輸出電壓。有源二階壓控型低通濾波器的元件參數(shù)如下：反饋電阻R7取10k,R1取10k,Rp6和Rp7分別取20k和10k,用來調(diào)節(jié)正弦波的輸出頻率，濾波電容C2、C

11、3分別取1uF、1uF，Rp5取100k,用來調(diào)節(jié)正弦波的幅度。集成運(yùn)算放大器采用LM324, LM324內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償 的運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用, 也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。LM324含有4個(gè)獨(dú)立運(yùn)算放大器，每個(gè)運(yùn)算放大器有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為

12、輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324的封裝形式為塑封14引線雙列直插式（如圖10）。 圖10 LM324封裝管腳圖5.電路仿真5.1仿真軟件的介紹 NI Multisim軟件是一個(gè)專門用于電子電路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件。作為 Windows 下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具，NI Multisim 是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。NI Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一問題。學(xué)員可以很方便地把剛剛學(xué)到的理

13、論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。NI Multisim軟件絕對(duì)是電子學(xué)教學(xué)的首選軟件工具。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。5.2方波三角波電路仿真 調(diào)節(jié)可調(diào)電阻Rp3，方波的頻率大約為30Hz，峰峰值為14V左右，波形如圖10： 圖11 方波 三角波的頻率30Hz左右，峰峰值大約為7V，波形如下： 圖12 三角波 用示波器進(jìn)行雙蹤觀察，方波和三角波的波形如圖12： 圖13 方波三角波5.3三角波正弦波電路仿真 用示波器觀察正弦波的波形，頻率大約30Hz，峰峰值約為4V，波形如圖13： 圖14 正弦

14、波用示波器進(jìn)行雙蹤觀察，三角波和方波的波形如圖14： 圖15 三角波正弦波5.4仿真波形分析 在10Hz到5KHz頻率范圍內(nèi)，方波、三角波的輸出波形很好、很穩(wěn)定，幅值都可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，而且輸出波形的頻率甚至可以達(dá)到10Hz以下，當(dāng)波形高于5KHz以上時(shí)，方波的波形出現(xiàn)了較大的失真，調(diào)節(jié)變阻器，輸出的波形也得不到根本的改善。在10Hz到2000Hz頻率范圍內(nèi)，正弦波的波形也很穩(wěn)定，幅值可以連續(xù)變化，而且輸出的波形失真不大，當(dāng)頻率高于2000Hz以上時(shí)，正弦波的波形就發(fā)生了很大的失真，而且正弦波的頻率達(dá)不到10KHz。通過分析，電壓比較器產(chǎn)生的方波的頻率可以達(dá)到10KHz，但當(dāng)頻率接近10KHz

15、時(shí)，輸出的方波就受到其他頻率信號(hào)的干擾，所以無法輸出穩(wěn)定的、不失真的波形，三角波的輸出頻率受到方波的影響；由有源二階壓控型低通濾波器產(chǎn)生的正弦波，它的輸出頻率受到濾波器通帶截止頻率fo的限制，只有低于截止頻率的輸入三角波形才可以通過濾波器，并進(jìn)行放大，當(dāng)頻率高于fo時(shí)，三角波信號(hào)就會(huì)被衰減，所以根本產(chǎn)生不了高于濾波器截止頻率的正弦波。6.電路的安裝、調(diào)試與分析6.1 調(diào)試過程與調(diào)試結(jié)果1 安裝方波三角波產(chǎn)生電路：把兩塊LM324集成塊插入面包板，合理布局，正確接線，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：接入電源后，用示波器進(jìn)行雙蹤觀察；調(diào)節(jié)Rp3、Rp4，方波和三角波的幅值能夠

16、連續(xù)可調(diào)，均能滿足指標(biāo)要求；調(diào)節(jié)Rp1和Rp2，方波和三角波的頻率可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化；觀察示波器，各指標(biāo)基本能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，然后進(jìn)行下一部按裝。3 安裝三角波正弦波變換電路：在面包板上接入有源二階壓控型低通濾波電路；接入各電容、電阻及電位器；按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。4 調(diào)試三角波正弦波變換電路：接入直流源后，利用示波器進(jìn)行雙蹤觀察，調(diào)節(jié)Rp6和Rp7，正弦波的頻率可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，但是達(dá)不到10KHz,當(dāng)頻率達(dá)到10K左右時(shí)，波形出現(xiàn)了較大的失真；調(diào)節(jié)Rp5，正弦波的幅值能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)可調(diào)。調(diào)試結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到最初設(shè)計(jì)的目標(biāo)。6.2調(diào)試結(jié)果分析及結(jié)論1 方波、三角波和正弦波

17、的輸出電壓都可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，幅值的大小也能夠滿足設(shè)計(jì)的要求；通過調(diào)試，方波、三角波的頻率能夠達(dá)到10KHz左右，但是輸出波形發(fā)生了較大的失真，正弦波的頻率達(dá)不到10KHz. 2通過理論計(jì)算，改變電容C1的大小，可以提高輸出波形的頻率，并且頻率可以達(dá)到10K.當(dāng)我們將1uF的電容更換成0.01uF時(shí)，實(shí)物調(diào)節(jié)的結(jié)果并不能達(dá)到10K,當(dāng)頻率達(dá)到4000、5000Hz時(shí)，方波和三角波的波形出現(xiàn)了較大的失真，可能受到LM324的影響，導(dǎo)致頻率根本上不去。3 仿真的結(jié)果比較理想，但是實(shí)際上，波形并不理想，由于使用的元件不是理想元件，都存在較大的誤差，所以結(jié)果沒有仿真的理想，但是基本能夠滿足課設(shè)的要求。

18、7.實(shí)物焊接 （1）根據(jù)電路圖，先將元件插入到焊接板上，調(diào)整好各元件的位置，對(duì)線路進(jìn)行優(yōu)化整理，盡量做到精簡排線，讓線與線之間的距離盡可能的小，并且盡量做到線與線間沒有交叉。 （2）元件擺放完后，對(duì)整體電路進(jìn)行一次檢查，確認(rèn)無誤后在進(jìn)行焊接，焊接過程中注意電烙鐵，小心被燙傷。函數(shù)發(fā)生器所用元器件如下表1所示：表1 元器件列表標(biāo)號(hào)元器件名稱型號(hào)與規(guī)格Rp1、Rp2、Rp3滑動(dòng)電位器20k、10k、100kRp4、Rp5、Rp6、Rp7滑動(dòng)變阻器50k、50k、10 k、100 kR1電阻10kR3電阻20kR4電阻10kR5電阻10kR6電阻10kR7電阻10kC1電容1uFC2電容1uFC3電

19、容1uF1A集成運(yùn)算放大器LM324M2A集成運(yùn)算放大器LM324M3A集成運(yùn)算放大器LM324M （3）焊接完的實(shí)物成品如下： 圖16 正負(fù)可調(diào)電源與函數(shù)發(fā)生器實(shí)物正面圖 8.實(shí)物測試結(jié)果 實(shí)物測試波形(1)調(diào)節(jié)變阻器Rp1和Rp2，使得方波的頻率達(dá)到10Hz左右，方波的峰峰值大概12V左右，輸出波形如下： 圖17 10Hz、12V方波（2）繼續(xù)調(diào)節(jié)Rp1和Rp2,使三角波的頻率達(dá)到100Hz，峰峰值10V左右，波形如下： 圖18 100Hz、10V三角波 （3）同時(shí)調(diào)節(jié)Rp5、Rp6、Rp7，使得正弦波的頻率達(dá)到1000Hz左右，峰峰值大概9V，波形如下： 圖19 1000Hz、9V正弦波

20、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表2表2 電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果類別輸出電壓輸出頻率設(shè)計(jì)值實(shí)際值設(shè)計(jì)值實(shí)際值方波014V021V10Hz10kHz10Hz4kHz三角波05V016V10Hz10kHz10Hz3.5kHz正弦波03V012V10Hz10kHz10Hz2kHz由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，方波、三角波和正弦波輸出電壓幅值基本符合設(shè)計(jì)值，在輸出波形不失真的情況下，方波、三角波和正弦波的最大頻率都小于10KHz,其中正弦波實(shí)際值與設(shè)計(jì)值偏離較大，可能是由于二階低通濾波器通帶截止頻率的限制，根本無法輸出較高頻率的正弦波。實(shí)際輸出頻率與設(shè)計(jì)值在高頻區(qū)偏差較大，可能的原因是由于電位器實(shí)際操作時(shí)無法精確操作，在頻率大于2kHz（即Rp7阻值小于100）時(shí)比較容易失真。9.總結(jié)與心得函數(shù)信號(hào)發(fā)生器主要由三部分組成，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同相積分器來完成。在仿真的過程中，通過更換電容，所有波形的頻率和振幅都能夠滿足課設(shè)的全部要求，波形失真也較??；但在實(shí)物調(diào)試的過程中，波形的頻率不能完全的滿足要求，當(dāng)頻率達(dá)到4000Hz以上時(shí)，波形就出現(xiàn)了失真，振幅完全可以滿足要求。整體電路的設(shè)計(jì)還存在一些不足之處，需要進(jìn)一步改進(jìn)才能完