設(shè)計(jì)制作一個(gè)方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器

1、. 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)名稱：模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目：方波-三角波-正弦波波函數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)學(xué) 院 名 稱： 信息工程學(xué)院 專業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班級(jí)： 100431 學(xué)號(hào)： 10043102 ：評(píng)分： 教師： 20 12 年 4 月 3 日模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書20 11 20 12年 第 二 學(xué)期第 一 周至第 二 周題目設(shè)計(jì)制作一個(gè)方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器內(nèi)容及要求1、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求：輸出波形頻率范圍為0.02Hz20kHz且連續(xù)可調(diào)；正弦波幅值為±2V；方波幅值為2V；三角波峰-峰值為2V，占空比可調(diào)。2、組織安排：2人一組。進(jìn)度安排1布置任務(wù)、查閱資料、選擇

2、方案，領(lǐng)儀器設(shè)備： 2天； 2領(lǐng)元器件、制作、焊接：3天3調(diào)試、驗(yàn)收：2.5天4提交報(bào)告：2011-2012學(xué)年第二學(xué)期37周學(xué)生姓名：尹瑩指導(dǎo)時(shí)間：第一周至第二周指導(dǎo)地點(diǎn)：E 樓 424室任務(wù)下達(dá)2012 年 2 月 13 日任務(wù)完成20 12 年 2 月 27 日考核方式1.評(píng)閱 2.答辯 3.實(shí)際操作 4.其它指導(dǎo)教師系（部）主任摘 要信號(hào)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，廣泛地應(yīng)用于電子電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。常用超低頻信號(hào)發(fā)生器的輸出只有幾個(gè)固定的波形，不能更改。本設(shè)計(jì)將介紹由集成運(yùn)算放大器組成的方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，了解多功能集成電路函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的功能及特

3、點(diǎn)， 進(jìn)一步掌握波形參數(shù)的測(cè)試方法。制作這種低函數(shù)信號(hào)發(fā)生器成本較低，適合學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)測(cè)量使用。制作時(shí)只需要個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生從110HZ，10100HZ的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。其中比較器與積分電路和反饋網(wǎng)絡(luò)（含有電容元器件）組成振蕩器，其中比較器產(chǎn)生的方波通過(guò)積分電路變換成了三角波，電容的充，放電時(shí)間決定了三角波的頻率。最后利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性特點(diǎn)將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波。通過(guò)介紹一種電路的連接，實(shí)現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器的基本功能。將其接入電源，并通過(guò)在顯示器上觀察波形及數(shù)據(jù)，得到結(jié)果。電壓比較器實(shí)現(xiàn)方波的輸出，又連接積

4、分器得到三角波，并通過(guò)三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路看到正弦波，得到想要的信號(hào)。NI Multisim 軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能過(guò)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 ，你可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫(kù)的電路圖，并利用0工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。本設(shè)計(jì)就是利用Multisim軟件進(jìn)行電路圖的繪制并進(jìn)行仿真。關(guān)鍵詞：KIA324P、電源、波形、比較器、積分器、轉(zhuǎn)換器電路、Multisim、網(wǎng)絡(luò)、函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)目 錄第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)1.2設(shè)計(jì)要求第二章 函數(shù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)組成2.1原理框圖2.2原理分析2.3放大器功能及管腳圖第三章 系統(tǒng)

5、中各模塊設(shè)計(jì)3.1方波-三角波3.2三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路第四章 電路調(diào)試4.1安裝方波三角波產(chǎn)生電路4.2調(diào)試方波三角波產(chǎn)生電路4.2調(diào)試方波三角波產(chǎn)生電路第五章 系統(tǒng)調(diào)試5.1調(diào)試工具5.2調(diào)試結(jié)果六結(jié)論及心得體會(huì)七參考文獻(xiàn)附表：1元器件清單 2電路圖 3仿真圖一、 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1 任務(wù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)產(chǎn)生方波-三角波-正弦波波函數(shù)轉(zhuǎn)換器1.2 要求輸出波形頻率范圍為0.02Hz20kHz且連續(xù)可調(diào)；正弦波幅值為±2V；方波幅值為2V；三角波峰-峰值為2V，占空比可調(diào)。二 、函數(shù)發(fā)生器的組成2.1原理框圖2.2原理分析函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生方波、三角波、正弦波及鋸齒波、階梯波等

6、電壓波形的電路或儀器。產(chǎn)生方波、三角波、正弦波的方案有多種，本課題介紹先產(chǎn)生方波-三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法。由R、C振蕩電路、比較器產(chǎn)生方波，再通過(guò)方波轉(zhuǎn)換為三角波，最后通過(guò)差分放大器將三角波轉(zhuǎn)換為正弦波2.3放大器功能及管腳圖KIA324P系列運(yùn)算放大器是價(jià)格便宜的帶差動(dòng)輸入功能的四運(yùn)算集成放大器?？晒ぷ髟趩坞娫聪翶IA324P的特點(diǎn)1.短跑保護(hù)輸出2.真差動(dòng)輸入級(jí)3.每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器。4.具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋?.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列6.輸入端具有靜電保護(hù)功能KIA324引腳圖（管腳圖）三 系統(tǒng)中各模塊設(shè)計(jì)3.1 方波-三角波由模電知識(shí)我們知道，將一組矩形波經(jīng)積分電路

7、會(huì)得到良好的三角波，所以本設(shè)計(jì)采用前置矩形波發(fā)生電路，然后對(duì)所得到的矩形波進(jìn)行積分電路積分，最后輸出三角波。 矩形波發(fā)生電路實(shí)際是由一個(gè)滯回比較器和一個(gè)RC充放電回路組成，如圖一所示。其中R1、R2與集成運(yùn)放組成滯回比較器，電阻R4和電容C組成充放電回路，穩(wěn)壓管D3、D4和電阻R3的作用是鉗位，將滯回比較器輸出電壓穩(wěn)定在正負(fù)Uz。在方波發(fā)生電路中，利用二極管的單項(xiàng)導(dǎo)電性是電容正向和反向充電的通路不同，從而使它們時(shí)間常數(shù)不同，即可以改變輸出電壓的占空比，再經(jīng)過(guò)積分就可以得到占空比可調(diào)的三角波，如圖所示，圖中電位器和兩個(gè)二極管的作用是將電容和放電的回路分開(kāi)，調(diào)節(jié)充電和放電兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的比例。如果將

8、電位器向下滑動(dòng)，則充電時(shí)間常數(shù)減小，放電時(shí)間常數(shù)增大，于是輸出端為高電平的時(shí)間縮短，低電平的時(shí)間增長(zhǎng)。將上述的矩形波發(fā)生電路的輸出端與積分電路的輸入端連接即可得到占空比可調(diào)的的三角波發(fā)生電路。4將矩形波發(fā)生電路和積分電路連接起來(lái)就可以將方波轉(zhuǎn)換為占空比可調(diào)的三角波輸出幅度 由圖可知，穩(wěn)壓管兩端電壓為UZ，R6和電位器R7串聯(lián)，R6=2歐，調(diào)節(jié)電位器為4歐，可以使輸出幅值為2V，積分電路的輸出電壓Uo往正方向線性 增長(zhǎng)，此時(shí)U+也隨著增長(zhǎng)，當(dāng)增長(zhǎng)至U+=U-=0時(shí)，滯回比較器的輸出電壓UO1發(fā)生跳變，而發(fā)生跳變時(shí)的UO值是使三角波的最大值Uom。將條件UO1=-UZ,U+=0和Uo=Uom代入下

9、式可得：0=(-Uz)+Uom可解的三角波的輸出幅度為:Uom=Uz(2)占空比 當(dāng)忽略二極管的導(dǎo)通電阻時(shí)經(jīng)分析可知：T1=(R6+R10)C(1+)T2=(R6+R9)C(1+)輸出波形的震蕩周期為： T=T1+T2=(2R6+R8)C(1+)占空比為： D=3.2三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路三角波-正弦波的轉(zhuǎn)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，輸入阻抗搞，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是直流放大器是，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；利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。式中，I0-差分放大器的恒定電流；UT-溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)試問(wèn)為25

10、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-三角波的周期對(duì)以上兩式進(jìn)行運(yùn)算，則利用計(jì)算機(jī)對(duì)上式進(jìn)行計(jì)算，IC1、IC2曲線近似于正弦波，則差分放大器的單端輸出電壓亦近似于正弦波，從而實(shí)現(xiàn)了三角波-正弦波的變換，波型變換過(guò)程如圖所示：為使輸出波形更接近于正弦波，可見(jiàn)1.傳輸特性曲線越對(duì)稱，先行區(qū)越窄越好；2.三角波的幅度影正好使晶體管接近于飽和區(qū)或截止區(qū)。實(shí)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(duì)稱性，其并聯(lián)電阻用來(lái)減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1、C2、C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。比較器A1與

11、積分器A2的元件計(jì)算如下。由式（3-61）得即取 ，則，取 ，RP1為47K的點(diǎn)位器。區(qū)平衡電阻由式（3-62）即當(dāng)時(shí)，取，則，取，為100K電位器。當(dāng)時(shí) ，取以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，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?yàn)檩敵鲱l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(diǎn)可通過(guò)觀測(cè)傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R*確定。四 電路調(diào)試 4.1安裝方波三角波產(chǎn)生電路1.

12、 把兩塊741集成塊插入萬(wàn)能板，注意布局；2. 分別把各電阻放入適當(dāng)位置；3. 按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。4.2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)R7，使三角波的幅值滿足指標(biāo)要求；3. 調(diào)節(jié)R5，微調(diào)波形的頻率；4. 觀察示波器，使各指標(biāo)達(dá)到；注意：電路先產(chǎn)生方波，經(jīng)過(guò)積分電路再產(chǎn)生三角波，所以可以先安裝方波發(fā)生器，再安裝積分電路，需要注意的是，安裝電位器之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計(jì)值，否則可能會(huì)不起振。安裝電位器的時(shí)候要注意三個(gè)管腳的接入。調(diào)節(jié)電位器R5可以調(diào)節(jié)三角波的占空比，雖然頻率會(huì)同時(shí)改變，但改變的不大。微調(diào)R5時(shí)輸出頻率在對(duì)應(yīng)波段內(nèi)連續(xù)可變

13、。調(diào)節(jié)R7可以調(diào)節(jié)輸出波的幅值，使三角波的幅度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。 4.3能指標(biāo)測(cè)量與誤差分析波形不穩(wěn)定時(shí)，可能是電路在安裝的時(shí)候接觸不良，可加旁路電容使波形穩(wěn)定方波的上升時(shí)間主要受放大器轉(zhuǎn)換速率的限制，如果輸出頻率太高，可介入加速電容，一般加速電容取幾十皮法。五系統(tǒng)的調(diào)試51調(diào)試工具工具：萬(wàn)用表、示波器，信號(hào)發(fā)生器，數(shù)字毫伏表52調(diào)試結(jié)果信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)雖然與實(shí)際有誤差，但在誤差允許的范圍內(nèi)還是成立的，在高頻時(shí)輸出電壓為輸入電壓的五倍，用示波器監(jiān)測(cè)輸出波形沒(méi)有失真，故電路正確，調(diào)試完畢。六、結(jié)論及實(shí)訓(xùn)心得體會(huì)通過(guò)這次實(shí)訓(xùn)我明白了做一個(gè)電子產(chǎn)品的流程，第一步，找材料理解每一部分電路的結(jié)構(gòu)和功

14、能，在原有的基礎(chǔ)上加上自己所要求的，填寫自己所需的元器件的清單 ；第二步，畫原理圖，不懂的及時(shí)找輔導(dǎo)老師或自己查找材料并畫出正確的原理圖；第三步，把原理圖導(dǎo)入到萬(wàn)用版上去并合理的擺放元器件，認(rèn)真核對(duì)原理圖和萬(wàn)用版圖的管腳是否一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)萬(wàn)用板的大小在板上設(shè)計(jì)空隙大小，以及合理的設(shè)置走線規(guī)則和焊盤大小，不同的器件要不同的焊盤大小，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)線的大小不同，走線時(shí)我們應(yīng)盡量避免自動(dòng)布線和走裸線。注意，在擺放元器件的時(shí)候應(yīng)盡量按照原理圖擺放，在擺放芯片時(shí)要留足夠的空間裝芯片的散熱片。為期兩周的課程設(shè)計(jì)讓我感觸很深。從選擇這個(gè)課題后，我們組員在設(shè)計(jì)、繪制電路圖、仿真、焊接、調(diào)試等過(guò)程中就遇到各種各樣的問(wèn)

15、題，為解決這些問(wèn)題，我們查找很多資料。遇到課設(shè)要求出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，我們進(jìn)行各種嘗試，各種設(shè)計(jì)方案，最后，在和老師的商討下，最后把要求修改了，雖然這些問(wèn)題使我們的進(jìn)程落后了，但我們?cè)谶@個(gè)過(guò)程中不再是放棄，而是積極想辦法解決。其次是在焊接過(guò)程，我們走了不少裸線，結(jié)果造成短路。吸取第一次教訓(xùn)，第二塊板子在我們的精心布局下順利焊接完了，在這個(gè)過(guò)程中，可以看出我們做事情還是不夠認(rèn)真，但是經(jīng)過(guò)我們不斷的努力，第二次焊接成功。在調(diào)試過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題，比如，波形出不來(lái)，波形失真，在老師的指導(dǎo)下，我們認(rèn)真尋找問(wèn)題，最后，波形調(diào)試成功。在整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)中，我覺(jué)得組內(nèi)團(tuán)結(jié)一致很重要，遇到問(wèn)題要共同努力解決，要虛心求教，將設(shè)計(jì)做的更好！七、參考文獻(xiàn) 1童詩(shī)白