模電多種波形發(fā)生器

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文） 題目：題目：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與制作函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與制作 院（系）：院（系）： 工程技術(shù)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)：專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 電氣工程及自動(dòng)化電氣工程及自動(dòng)化 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 1111 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 吳小強(qiáng)吳小強(qiáng) 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間：起止時(shí)間：2013.06.242013.06.242013.07.52013.07.5 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）1課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：工程技術(shù)學(xué)院

2、 教研室： 電子信息工程學(xué) 號(hào)111902011學(xué)生姓名吳小強(qiáng)專(zhuān)業(yè)班級(jí)電氣工程及自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)題目函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與制作課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)：1. 波形的產(chǎn)生及變換電路是應(yīng)用極為廣泛的電子電路，現(xiàn)設(shè)計(jì)并制作能產(chǎn)生方波、三角波及正弦波等多種波形信號(hào)輸出的函數(shù)發(fā)生器。2. 設(shè)計(jì)電路所需的直流穩(wěn)壓電源。功能要求：1. 輸出的各種波形工作頻率范圍 0.02Hz1kHz 連續(xù)可調(diào)。2. 正弦波幅值18V，失真度小于 3。3. 方波幅值18V。4. 三角波幅值 18V；各種輸出波形幅值均連續(xù)可調(diào)。設(shè)計(jì)要求：1 .分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開(kāi)思路

3、，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來(lái)源，敲定可行方案。3 .設(shè)計(jì)各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說(shuō)明。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）2 摘要在電子工程、通信工程、自動(dòng)控制、遙測(cè)控制、測(cè)量?jī)x器、儀表和計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到各種各樣的信號(hào)波形發(fā)

4、生器。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。 信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來(lái)表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻） 、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)

5、、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功或大或小、頻率或高或低的振蕩器。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法通常有以下幾種 :（1）用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器：通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作不很穩(wěn)定，不易調(diào)試。（2）可以由晶體管、運(yùn)放 IC 等通用器件制作，更多的則是用專(zhuān)門(mén)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器IC 產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 IC，如 L8038、BA205、XR2207/2209 等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有 300kHz，無(wú)法產(chǎn)生更高頻率的信號(hào)，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，二者互相影響。 （3）利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生

6、器：能產(chǎn)生多種波形，達(dá)到較高的頻率，且易于調(diào)試. （4）利用專(zhuān)用直接數(shù)字合成芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達(dá)到很高的頻率。但成本較高。 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）3目錄目錄一、設(shè)計(jì)要求 . 2 二、設(shè)計(jì)的作用、目的 . 2三、性能指標(biāo) . 2四、設(shè)計(jì)方案的選擇及論證 . 3五、函數(shù)發(fā)生器的具體方案 . 31. 總的原理框圖及總方案.32.各組成部分的工作原理. 32.1 方波發(fā)生電路 . 32.2 角波發(fā)生電路 . 3 2.3 正弦波發(fā)生電路 . 32.4 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 32.5 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 . 3 2.6 三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路工

7、作原理 . 33. 總電路圖. 3六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 . 3七、實(shí)驗(yàn)總結(jié) . 3八、參考資料 .3 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）4 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)報(bào)告一、設(shè)計(jì)要求1. 用集成運(yùn)放組成正弦波、方波和三角波發(fā)生器。 2. 幅值和頻率自定義。3. 正弦波、方波和三角波的幅值、頻率可調(diào)。二、設(shè)計(jì)的作用、目的1. 掌握函數(shù)信號(hào)發(fā)生器工作原理。2. 熟悉集成運(yùn)放的使用。3. 熟悉 Multisim 軟件。 三三、性能指標(biāo)性能指標(biāo)1輸出波形：正弦波、方波、三角波等；2頻率范圍： 0.02100 HZ3輸出電壓：方波 U=18,三角波U=18V,正弦波U=18V；四、設(shè)計(jì)方案

8、的選擇及論證 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， 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）5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、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過(guò)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鹊取７桨敢唬河杀容^器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方

9、波經(jīng)過(guò)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。方案二：文氏橋振蕩器產(chǎn)生正弦波輸出，用集成運(yùn)放構(gòu)成電壓比較器，將正弦波信號(hào)變換成方波信號(hào)輸出。用運(yùn)放構(gòu)成積分電路，將方波信號(hào)變換成三角波信號(hào)輸出。方案二同方案一比較，對(duì)于三角波的產(chǎn)生有一定的麻煩，因?yàn)轭}目需要頻率為連續(xù)可調(diào)，但幅度穩(wěn)定性難以達(dá)到要求；方案一由于采用運(yùn)算放大器組成積分電路，因此可實(shí)現(xiàn)恒流充電，使三角波線性大為改善。由此，本設(shè)計(jì)采用方案一五、函數(shù)發(fā)生器的具體方案總體設(shè)計(jì)方案及框圖 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）6方波三角波正弦波比較器積分器差分放大器圖 1.1 總體設(shè)計(jì)方案框圖直流

10、電源 多波形信號(hào)發(fā)生器方框圖如圖 1.1 所示。 本課題采用由集成運(yùn)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(jì)方法。并采用先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法：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。設(shè)計(jì)差分放大器時(shí)，傳輸特性曲線要對(duì)稱、線性區(qū)要窄，輸入的三角波的的幅度 Um 應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。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。2.各組成部分的工作原理 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）72.1 方波發(fā)生電路

11、從一般原理來(lái)分析,可以在滯回比較器電路的基礎(chǔ)上,靠正反饋和 RC 充放電回路組成矩形波發(fā)生電路,由于滯回比較器的輸出只有兩種可能的狀態(tài)，高電平或低電平，兩種不同的輸出電平式 RC 電路進(jìn)行充電和放電，于是電容上的電壓降升高或降低，而電容的電壓又作為滯回比較器的輸入電壓，控制其輸出端狀態(tài)發(fā)生跳變，從而使 RC 電路由充電過(guò)程變成放電過(guò)程或相反，如此循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始，最后在滯回比較器的輸出端即可得到一個(gè)高低電平變化周期性交替的方波信號(hào)方波發(fā)生電路仿真電路模型如圖 5-1 和 5-2 所示圖 5-1圖 5-1 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）8 圖 5-1 方波發(fā)生電路

12、仿真模擬 2.2 三角波發(fā)生電路在產(chǎn)生方波之后，利用此波形輸入到一個(gè)積分電路便可輸出一個(gè)三角波。由于三角波信號(hào)是電容的充放電過(guò)程形成的指數(shù)形式，所以線性度較差，為了能得到線性度較好的三角波，可以將運(yùn)放和幾個(gè)電阻，電容構(gòu)成積分電路。三角波發(fā)生電路仿真電路模型如圖 5-2 所示：圖 5-2圖 5-2 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）9圖 5-2三角波發(fā)生電路仿真模擬2.3正弦波發(fā)生電路 利用差分放大器傳輸特曲線的非線性，將三角波信號(hào)轉(zhuǎn)化成正弦波信號(hào)。其傳輸特性曲線越對(duì)稱，線性區(qū)越窄越好，三角波的幅值pp 應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)和截止去。正弦波發(fā)生電路仿真電路模型如圖

13、5-3 所示：圖 5-3 圖 5-3 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）10方波仿真圖如下 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）11三角波仿真圖如下正弦波仿真圖如下 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）122.4 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)電源電壓由 220v 交流電源組成外加 3 個(gè)三極管 2 個(gè) 9013 一個(gè) 8050 組成的輸出串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的實(shí)驗(yàn)電路圖。其中整流部分采用了 4 個(gè)二極管組成的橋式整流器，型號(hào)為 1N4007,。濾波電容 C1、C2 一般選取幾百至幾千微法。當(dāng)穩(wěn)壓器距離蒸餾濾波電路較遠(yuǎn)時(shí)，在輸入端必須接入電

14、容器 C3，以抵消線路的電感效 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）13應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩。輸出端電容 C4 用以濾除輸出端的高頻信號(hào)，改善電路的暫態(tài)響應(yīng)。2.5 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理圖 5-7 為方波-三角波轉(zhuǎn)換電路，其中運(yùn)算放大器用雙運(yùn)放器 741DIVR110kR210kR320kR45.1kR510kRp15.1kKey=A50%Rp2100kKey=A50%VEE-12VVCC12VVCC12VVEE-12VJ10.5 sec 1 sec U1741-DIV3247651U2741-DIV3247651D11N4743AD21N4743AC11FC

15、2100nF圖 5-7參數(shù)選擇：在電容 C1、C2 處放置了選擇開(kāi)關(guān)，可以滿足課設(shè)要求的兩個(gè)頻率范圍 110Hz、10100Hz： 當(dāng)需要 110Hz 時(shí)，開(kāi)關(guān)選擇 C2=1F，取，RP2 為 100 電45.1Rk位器； 當(dāng)需要 10100Hz 時(shí)，取 C2=100nF，以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4 及 RP2的取值不變。平衡電阻。510Rk工作原理如下： 若 a 點(diǎn)斷開(kāi)，運(yùn)算發(fā)大器 A1（左）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(yùn)放 A2（右）與 R4、RP2、C2 及 R5組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波 Uo1,則積分器的輸出電壓 Uo

16、2 為 214221()OOUUdtRRP C 當(dāng)時(shí)，1OCCUV 2422422()()()CCCCOVVUttRRP CRRP C 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）14 當(dāng)時(shí)，2422422()()()CCEEOVVUttRRP CRRP C 1OEEUV 若 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：2231O mCCRUVRRP方波-三角波的頻率 f 為： 3124224()RRPfR RRP C由此可見(jiàn)積分器在輸入為方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關(guān)系如下圖所示 2231O mCCR

17、UVRRP方波-三角波的頻率 f 為： 3124224()RRPfR RRP C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(shí)，不會(huì)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(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）152. 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(guò)電源電壓+Vcc。電位器 RP1 可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波-三角波的頻率。2.6 三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路工作原理Rp347kKey=A90%Rp4100Key=A 50%Rb16.8kRb26.8kRc

18、120kRc220kRe1100Re22kRe32kR68kQ12N2219Q22N2219Q32N2219Q42N2219VCC12VR45.1kR510kRp2100kKey=A50%VEE-12VVCC12VVEE-12VJ10.5 sec 1 sec C3470FC4470FC5470FC6100nFU2741-DIV3247651C11FC2100nF圖 5-9參數(shù)選擇：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，345470CCCF6C可取得較小，一般為幾十皮法至 0.1 微法。RE2=100 歐與 RP4=100

19、歐姆相并6C6C聯(lián)，以減小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 RP4及電阻 R6 確定。 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）16 圖 5-10分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為： 022/1idTCEUUaIIaIe011/1idTCEUUaIIaIe上式中：；差分放大器的恒定電流；/1CEaII0I溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為 25時(shí)，UT26mV。TU如果 Uid 為三角波，設(shè)表達(dá)式為44434midmUTtTUUTtT022TtTtT 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 5-10 可知：（1）

20、傳輸特性曲線越對(duì)稱，線性區(qū)越窄越好； 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （論文）17（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)。3. 總電路圖Rp347kKey=A90%Rp4100Key=A 50%Rb16.8kRb26.8kRc120kRc220kRe1100Re22kRe32kR68kQ12N2219Q22N2219Q32N2219Q42N2219VCC12VR110kR210kR320kR45.1kR510kRp15.1kKey=A 50%Rp2100kKey=A50%VEE-12VVCC12VVCC12VVEE-12VVEE-12VJ10.5 se

21、c 1 sec C3470FC4470FC5470FC6100nFU1741-DIV3247651U2741-DIV3247651D11N4743AD21N4743AC11FC2100nF 圖 5-11六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 比較器與積分器組成正反饋閉環(huán)電路，方波、三角波同時(shí)輸出。電位器Rp1 與 Rp2 要事先調(diào)整到設(shè)定值，否則電路可能會(huì)不起振。只要接線正確，接通電源后便可輸出方波、三角波。微調(diào) Rp1，使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計(jì)要求，調(diào)節(jié) Rp2，則輸出頻率在對(duì)應(yīng)波段內(nèi)連續(xù)可變。 調(diào)整 RP4及電阻 R7，可以使傳輸特性曲線對(duì)稱。調(diào)節(jié) Rp3 使三角波的輸出幅度經(jīng) Rp3 輸出等于 Uidm 值，這時(shí)輸出波形應(yīng)接近正弦波，調(diào)節(jié) C6 的大小可改善波形。 因?yàn)檫\(yùn)放輸出級(jí)由 PNP 型與 NPN 型兩種晶體管組成復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱電路， 遼 寧