函數(shù)信號發(fā)生器長安大學(xué)Word版

1、電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計報告 題 目 函數(shù)信號發(fā)生器 學(xué)院 (部) 信息學(xué)院 專 業(yè) 通信工程 班 級 24040901 學(xué)生姓名 牛偉力 倪旭 學(xué) 號 08 15 06 月 18 日至 06 月 24 日 共 1 周 指導(dǎo)教師（簽字） 1 / 20函數(shù)信號發(fā)生器1. 課題名稱與技術(shù)要求主要技術(shù)指標(biāo)和要求：（1） 能產(chǎn)生正弦波、矩形波（占空比可調(diào)）、鋸齒波等多種波形；（2） 輸出信號的工作頻率范圍10Hz10kHz，連續(xù)可調(diào)；（3） 輸出信號波形幅值010V，連續(xù)可調(diào)。2. 摘要函數(shù)（波形）信號發(fā)生器，能產(chǎn)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

2、可從幾個赫到幾十兆赫函數(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。我們通過對函數(shù)信號發(fā)生器的原理以及構(gòu)成設(shè)計一個能變換出三角波、正弦波、方波的簡易發(fā)生器。我們通過對電路的分析，參數(shù)的確定選擇出一種最適合本課題的方案。在達到課題要求的前提下保證最經(jīng)濟、最方便、最優(yōu)化的設(shè)計策略。正弦波發(fā)生電路也稱為正弦波振蕩電路，從原理上講，其由基本放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)四部分組成。正弦波發(fā)生電路常根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件命名，分為RC正弦波振蕩電路、LC正弦波振蕩電路。矩形波發(fā)生電路是由555定時器組成的多諧振蕩器。鋸齒波發(fā)生電路的核心是集成運放組成的電壓比較器，由電壓比較器構(gòu)成矩形波發(fā)

3、生電路，輸出的矩形波經(jīng)積分電路變換獲得鋸齒波。由上述三種發(fā)生電路產(chǎn)生的波形經(jīng)控制電路和放大電路得到幅值可調(diào)的正弦波、矩形波和方波，頻率的改變由發(fā)生電路中的相關(guān)元件改變。3. 總體設(shè)計方案論證及選擇產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波的方案有很多種，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，再經(jīng)積分電路將方波變成鋸齒波；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鹊取７桨敢唬河蒖C正弦波發(fā)生電路產(chǎn)生正弦波，由555定時器組成矩形波發(fā)生電路產(chǎn)生矩形波，鋸齒波發(fā)生電路產(chǎn)生鋸齒波，三種波形經(jīng)過控制電路，最后經(jīng)過運放形成幅值可調(diào)的函數(shù)信號。方案二：采用集成運算放大器與晶體管差分放

4、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。先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波。由比較器和積分器組成方波三角波發(fā)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完成。通過對差分放大電路部分元器件的調(diào)節(jié)來改善正弦波產(chǎn)生的波形。方案三：采用集成電路實現(xiàn)，主要部件有運算放大器LM318、單片函數(shù)發(fā)生器模塊5G8038、電阻和電容等。該方案可以通過調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器輸出振蕩頻率大小、占空比、正弦波的失真，可產(chǎn)生精度較高的方波、三角波、正弦波，且具有較高的溫度穩(wěn)定性和頻率特性。 方案二產(chǎn)生的矩形波占空比無法調(diào)節(jié)，方案三采用芯片雖然精度較高，溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)

5、定性比較好，而他們產(chǎn)生的波形頻率和占空比不能單獨調(diào)節(jié)，從而給使用帶來很大不便。根據(jù)目前所學(xué)知識，及在短時間內(nèi)要能熟練運用集成函數(shù)發(fā)生器8038有較大困難，在這里采用方案一來完成本次課程設(shè)計。4. 設(shè)計方案的原理框圖、總體電路圖、接線圖及說明原理框圖 總體電路圖說明：RC正弦波發(fā)生電路產(chǎn)生正弦波，由555定時器組成矩形波發(fā)生電路產(chǎn)生矩形波，鋸齒波發(fā)生電路由電壓比較器構(gòu)成矩形波發(fā)生電路，輸出的矩形波經(jīng)積分電路變換獲得鋸齒波，三種波形經(jīng)過控制電路，最后經(jīng)過運放形成幅值可調(diào)的函數(shù)信號。5. 單元電路設(shè)計、主要元器件選擇與電路參數(shù)計算 1.正弦波產(chǎn)生電路1）自激振蕩原理：在振蕩電路中，人為地引入正反饋，

6、并使反饋環(huán)路增益滿足一定的條件，那么，電路在沒有外部激勵的情況下會產(chǎn)生輸出信號，即產(chǎn)生自激振蕩。無論在放大電路還是在振蕩電路中，自激振蕩的本質(zhì)是相同的。即振蕩時電路中的反饋一定是正反饋，并且反饋環(huán)路增益必須滿足一定的條件。正弦波振蕩電路主要有三個部分組成（1） 放大電路。利用運算放大器，使其有放大倍數(shù)，以滿足自激振蕩的條件。（2） 反饋網(wǎng)絡(luò)。把放大電路的輸出信號正反饋到輸入端，作為放大電路的輸入信號，并滿足自激振蕩的條件。（3） 選頻網(wǎng)絡(luò)。使振蕩電路只能讓某一特定頻率的信號滿足自激振蕩的條件，以保證振蕩電路輸出正弦波信號。 2）RC振蕩原理說明RC振蕩電路如圖所示圖一RC振蕩電路放大電路是同相

7、比例運算電路，RC串并聯(lián)電路既是正反饋電路，又是選頻電路。輸出電壓。經(jīng)RC串并聯(lián)電路分壓后在RC并聯(lián)電路上得出反饋電壓，加在運算放大器的同相輸入端，作為它的輸入電壓。由此得欲使i與。同相，則上式分母的虛數(shù)部分必須為零，即這時，而同相比例運算放大電路的電壓放大倍數(shù)則為可見，當(dāng)時，。在特定頻率時，和同相，也就是RC串并聯(lián)電路具有正反饋和選頻作用。和都是正弦波電壓。在起振時，應(yīng)使，即。隨著振蕩幅度的增大，能自動減小，直到滿足或時，振蕩幅度達到穩(wěn)定，以后并能自動穩(wěn)幅。從到，這是自激振蕩的建立過程。在圖一中，是利用二極管正向伏安特性的非線性來自動穩(wěn)幅的。圖中，分和兩部分。在上正,反向并聯(lián)兩只二極管，它們

8、在輸出電壓的正負半周內(nèi)分別導(dǎo)通。在起振之初，由于幅度很小，尚不足以使二極管導(dǎo)通，正向二極管近于開路，此時時，振蕩穩(wěn)定。振蕩頻率的改變，可通過調(diào)節(jié)R或C或同時調(diào)節(jié)R和C的數(shù)值來實現(xiàn)。由集成運算放大器的RC振蕩電路的振蕩頻率一般不超過1MHz。3）正弦波發(fā)生器的設(shè)計通過雙聯(lián)電位器Rp改變正弦波發(fā)生電路的輸出波形，輸出電壓幅值由幅值控制電路調(diào)節(jié)。4）主要元器件選擇及參數(shù)計算，且10Hzf10KHz，C=0.2uf，代入中得到R+Rp的取值范圍即：79.6R+Rp79617.8，取R=79.6則得出Rp取值范圍為0Rp79538.2。+>取=20K =15K =28K集成運算放大器CF725；最

9、大電源電壓v，共模抑制比120dB，最大輸入電壓v。二極管D1，D2最大電流I=U0max/(+)=13.5/（15000+20000）=0.39mA取2CZ52B型二極管，最大整流電流100mA，反向工作峰值電壓50V。2.矩形波產(chǎn)生電路由555定時器組成的多諧振蕩器圖是由CB555定時器組成的多諧振蕩器。R1，R2和C是外接元件。555定時器的內(nèi)部電路方框圖上圖所示，該集成電路由四部分組成：電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、輸出緩沖器和放電三極管。   比較器的參考電壓由三只5 k的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端

10、的參考電平為2Vcc3和Vcc3。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號輸入并超過2Vcc3時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于Vcc3時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時充電，開關(guān)管截止。MR是復(fù)位端，當(dāng)其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接Vcc。  CO是控制電壓端(5腳)，平時輸出2Vcc3作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個001F的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參

11、考電平的穩(wěn)定。   T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。接通電源后，它經(jīng)和對電容C充電，當(dāng)上升略高于2/3時，比較器的輸出為0,將觸發(fā)器置0，為0.這時放電管T導(dǎo)通，電容C通過和T放電，下降略低于1/3時，比較器的輸出為0,將觸發(fā)器置1。，又由0變?yōu)?。這時，放電管T截止，又經(jīng)和對電容C充電。如此重復(fù)此過程，為連續(xù)的矩形波。 第一個暫穩(wěn)狀態(tài)的脈沖寬度tp1，即電容C充電的時間： tp1(R1+R2)Cln2=0.7R2C 第二個暫穩(wěn)狀態(tài)的脈沖寬度tp2,即電容C充電的時間： tp2R2Cln2=0.7R2C振蕩周期 T=tp1+tp20.7(RI+

12、2R2)C 振蕩頻率 f=1/T=1.43/(R1+2R2)C由555定時器組成的振蕩器，最高工作頻率可達300kHz。輸出波形的占空比 D=tp1/（tP1+tP2）=(R1+R2)/(RI+2R2)2）矩形波發(fā)生器的設(shè)計圖是占空比可調(diào)的多諧振蕩器。圖中用DI和D2兩只二極管將電容C的充放電電路分開，并接一電位器RP。 充電電路：UCCD1C“地” 放電電路：CD2T“地”充電和放電的時間分別為 tP10.7C, tp20.7C占空比為 3）電路元件的選擇及參數(shù)設(shè)計,且10Hzf10KHz由此得出C=0.01uF10uF；=15K。為了使占空比有放大調(diào)節(jié)范圍取Rp=12k，R1=R2=1.5

13、K。占空比調(diào)節(jié)范圍 取NE555定時器，電源電壓2-18V。輸出電平低于電源電壓1-3V，取2V，Ucc=+15V即輸出高電平電壓二極管D1最大電流二極管D2最大電流取兩個2AP3型二極管，最大整流電流為25mA，反向工作峰值電壓為30V3.鋸齒波產(chǎn)生電路如果在三角波產(chǎn)生電路中，使積分電容充電和放電時間常數(shù)不同，而且相差懸殊，則在積分電路的輸出端即可得到鋸齒波信號1) 三角波發(fā)生器的原理所謂三角波是指波形呈三角形、且在一周期內(nèi)上升沿與下降沿所對應(yīng)的時間間隔相等的波。自激產(chǎn)生三角波的電路稱為三角波發(fā)生電路。其中集成運放A1組成的遲滯比較器，其反相接地；A2組成的反相積分電路，積分器的作用是將遲滯

14、比較器輸出的矩形波轉(zhuǎn)換為三角波，同時反饋給比較器的同相輸入端，是比較器產(chǎn)生隨三角波變化而翻轉(zhuǎn)的矩形波。工作原理：圖中，集成運放A1同相輸入端的電壓由uo和u01共同決定，根據(jù)疊加原理 u+=u01+u0當(dāng)uo>0時，u01=+Uz；當(dāng)u+<0時，u01= -Uz；即遲滯比較器的翻轉(zhuǎn)發(fā)生在u+=0的時刻，此時比較器的輸入電壓，即積分器的輸出電壓u0應(yīng)是u0=+Uz，也就是比較器的上下門限電壓。經(jīng)計算，T=。2）鋸齒波發(fā)生電路設(shè)計圖中，利用了二極管的單向?qū)щ娦?。通過A1輸出電壓u01= ±UZ 去自動控制二極管VD1和VD2交替的導(dǎo)通、截止、改變Rw的中間活動頭位置，就改變了

15、RW1和下半部RW2的阻值，也就改變了積分電路中對電容C的充放回路的時間常數(shù)，從而改變u01占空比和改變鋸齒波u0上升沿和下降沿的時間。.工作原理分析圖中，當(dāng)u01=+UZ時，VD1導(dǎo)通、VD2截止，u01通過Rp、VD1、RW1對電容C正向充電，當(dāng)忽略二極管導(dǎo)通電阻時，則電容C正向充電時間常數(shù)為 1=（RW1+Rp）C當(dāng)u01=UZ時，VD2導(dǎo)通，VD1截止，u01通過Rp、VD2、RW2對電容C反向充電，當(dāng)忽略二極管導(dǎo)通電阻時，則反向充電時間常數(shù)為 2（RW2+Rp）C改變RW的中間活動頭位置，使RW1RW2,則12，則u01、u0分別為矩形波和鋸齒波。 圖中積分電路輸出三角形電壓u0的幅

16、值為 ±Uom=±UT=±（R1/R2）UZ.震蕩周期計算 設(shè)t=0的初始時刻，u01(0)=+UZ,u0(0)=+R1UZ/R2，uc(0)=+R1UZ/R2,經(jīng)過t1=T1的時間間隔，即t1時刻，輸出電壓為 u0=-=-+=- 所以 T1=2（Rp+Rw1）C 同理分析可得 T2=2（Rp+Rw2）C 所以震蕩周期為 T=T1+T2=2（2Rp+Rw2）C 震蕩頻率為 綜上所述可知：穩(wěn)壓管選定后，調(diào)整Rp阻值，可改變電路的震蕩周期和頻率；調(diào)整滑動端的位置，可改變u01的占空比及鋸齒波形狀（鋸齒波上升和下降的斜率）。3）元件的選擇與參數(shù)計算兩個運算放大器選擇CF

17、725最大電源電壓v，共模抑制比120dB，最大輸入電壓v。穩(wěn)壓管D1，D2選擇2CW76，穩(wěn)定電壓為12v，穩(wěn)定電流20mAUz=發(fā)生電路輸出電壓幅值Uom=Uz，取R1=R2=6K，則Uom=12V運放輸出電壓最高13.5V對運放A1，i+=i-=0流過R1.R2電流,流過限流電阻R3最大電流,則，取R3=1K，取c=0.1uF，10Hzf10KHz，將R1，R2，C代入上式得5002Rp+Rw500K，取Rw=150，Rp175，為保證f=10KHz，且Rw=0時，二極管安全，取Rpmin=200即Rp=200-250K，R4=R1R2=3K,R5=120K取2CZ55B型二極管，最大整

18、流電流為1A，反向工作峰值電壓50V4.控制電路用一個單刀三擲開關(guān)S即可5幅值控制電路當(dāng)滑動變阻器滑動頭在最下面點時，輸出uo=0；當(dāng)滑動變阻器滑動頭在中間時 ，輸出 uo=(1+R1/R2)*ui改變滑動頭的位置,即改變輸出波形的幅值6. 收獲與體會及存在的問題通過這段時間不懈的努力與切實追求，我們小組終于完成了課程設(shè)計，通過這次課程設(shè)計，使我收獲頗多，令我的創(chuàng)造性思維得到拓展。光有理論上的知識而不去實踐是不夠的。首先，這次課程設(shè)計鍛煉了我的團隊合作能力，從最初小組討論方案選取，到分工合作，到單元電路設(shè)計、電路參數(shù)計算、主要元器件的選取，到設(shè)計完成都離不開我們小組的每一個人。其次，這次課程設(shè)計鍛煉了我查閱資料自我學(xué)習(xí)的能力，通過在圖書館借閱有關(guān)課程設(shè)計的書籍，學(xué)習(xí)其中的理論知識，確立自己的方案，查閱大量資料和老師辛苦答疑工作，掌握了元件選取與識別，掌握了參數(shù)計算的方法。在設(shè)計過程中鞏固了所學(xué)的電工知識，同時擴大了自己的知識面。最后，這次課程設(shè)計也提高了我的編輯和畫圖能力，很多繁瑣公式輸入到文檔中看著簡單其實并不容易，通過自己網(wǎng)上查閱相關(guān)資料學(xué)習(xí)，掌握了Word編輯排版，插入公式的功能，同時采用輔助制圖軟件CAD對電路圖進行設(shè)計和修改，提高了自身操作軟件的能力。此次課程設(shè)計雖然完成，但其中還有不足之處，望老師不吝賜教。最后由衷的感謝小組同學(xué)的合作