函數信號發(fā)生器設計與制作報告

1、 青海省第四屆大學生電子設計競賽設計報告編號：20130433題目：B 函數信號發(fā)生器設計與制作報告目錄一、設計要求- 3 -二、設計的作用、目的- 3 -三、性能指標- 3 -四、設計方案的選擇及論證- 3 -五、函數發(fā)生器的具體方案- 3 -1. 總的原理框圖及總方案- 3 -2.各組成部分的工作原理- 3 -2.1 方波發(fā)生電路- 3 -2.2 三角波發(fā)生電路- 3 -2.3正弦波發(fā)生電路- 3 - 2.4在Multisim 10.1中可得到圖所示的波形- 3 -六、實驗結果分析- 3 -七、實驗總結- 3 -八、參考資料- 3 -九、附錄：5v穩(wěn)壓電源- 3 -一、設計要求1. 信號發(fā)

2、生器能產生正弦波、方波和三角波三種周期性波形。2. 輸出信號頻率在100Hz100kHz范圍內可調。3. 在1k負載條件下，輸出正弦波信號的電壓峰-峰值Vopp在05V范圍內可調；4. 輸出信號波形無明顯失真。5. 自制穩(wěn)壓電源。二、設計的作用、目的1. 掌握函數信號發(fā)生器工作原理。2. 熟悉集成運放的使用。3. 熟悉Multisim軟件。三、性能指標1輸出波形：正弦波、方波、三角波等；2頻率范圍：10100Hz、1001kHz；3輸出電壓：正弦波0<U<5V；四、設計方案的選擇及論證函數發(fā)生器一般是指能自動產生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據用途不

3、同，有產生三種或多種波形的函數發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號函數發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數發(fā)生器模塊8038)。產生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產生正弦波，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；也可以首先產生三角波方波，再將三角波變成正弦波或將方波變成正弦波等等。1. 方案一 由555定時器所構成的多諧振動器產生方波, 方波經過積分器的作用產生三角波，三角波在經過差分放大電路的非線性轉換為正弦波。采用分立器件實現電路組成，主要的部件電壓比較器、積分運算電路、差分放大電路、選擇開關、電位器和一些電容、電阻

4、組成。該方案由三級單元電路組成的，第一級單元可以產生方波，第二級可以產生三角波，第三級可以產生正弦波，通過第二級的選擇開關可以實現頻率波段的轉換，通過對差分放大電路部分元器件的調節(jié)來改善正弦波產生的波形。 2. 方案二 采用集成電路實現，主要部件有高速運算放大器LM318、單片函數發(fā)生器模塊5G8038、選擇開關、電位器和一些電容、電阻組成。該方案通過調節(jié)不同電位器可調節(jié)函數發(fā)生器輸出振蕩頻率大小、占空比、正弦波信號的失真，可產生精度較高的方波、三角波、正弦波，且具有較高的溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。3. 方案比較與選擇 方案二采用芯片雖然精度較高，溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性比較好，而它們只能產生30

5、0kHz以下的中低頻正弦波、矩形波和三角波，且頻率與占空比不能單獨調節(jié)，從而給使用帶來很大不便，也無法滿足高頻精密信號源的要求。 由于,555定時器所構成的多諧振動器產生方波是一種和常用的信號產生器，很具有實用價值，同時，也很容易買到，同時選用改進的555多諧振蕩形式產生方波可以通過調節(jié)可調電阻的阻值來調節(jié)產生方波的頻率，產生的方波經過積分器的作用產生三角波，三角波在經過差分放大電路的非線性轉換為正弦波。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，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。綜上所述，我個人認為，選擇第一種方案。用改進過的555多諧振蕩形式產生方波，經

6、過積分器的作用產生三角波，三角波在經過差分放大電路的非線性轉換為正弦波。 五、函數發(fā)生器的具體方案 1. 總的原理框圖及總方案 圖1.1.1函數信號發(fā)生器原理圖 多波形信號發(fā)生器方框圖如圖1.1.1所示。 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發(fā)生器的設計方法。并采用先產生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法：由比較器和積分器組成方波三角波產生電路，比較器輸出的方波經積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。設計差分放大器時，傳輸特性曲線要對稱、線性區(qū)要窄，輸入的三角波的的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。波形變換

7、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 2.1 方波發(fā)生電路從一般原理來分析,可以在滯回比較器電路的基礎上,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電路由充電過程變成放電過程或相反，如此循環(huán)往復，周而復始，最后在滯回比較器的輸出端即可得到一個高低電平變化周期性交替的方波信號有555定時器構成多諧振動器產生方波（如下圖） 圖2.1.1 方波產生電路當電容c2被

8、充電時，2和6引腳的電壓都上升，此時二極管D1導通，接通+12V電源后，電容C被充電，Vc上升，當Vc上升到2Vcc/3時，觸發(fā)器被復位，同時放電BJT T導通，此時輸出電平Vo為低電平，電容C通過R2和T放電，使Vc下降。當Vc下降到Vcc/3時，觸發(fā)器又被置位，Vo翻轉為高電平。 電容器C經R2，R23，R21他們此時說分的總阻值設為R1放電,放電所需的時間為： tPL=R1C ln20.7 R1C；      當C放電結束時，T截止，Vcc將通過R1、R22、R21所分得的阻值為R2向電容器C充電，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的

9、時間為                              tPH=R2C ln20.7R2C；    當Vc上升到2Vcc/3時，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉，如此周而復始，在輸出端就得到了一個周期性的方波，其頻率為 f=1 / (tPL+tPH) 1.43 /

10、(R1+R2) C穩(wěn)態(tài)時555電路輸入端處于電源電平，內部放電開關管T導通，輸出端Vo輸出低電平，當有一個外部負脈沖觸發(fā)信號加到Vi端。并使2端電位瞬時低于1/3Vcc，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個穩(wěn)態(tài)過程，電容C開始充電，Vc按指數規(guī)律增長。當Vc充電到2/3Vcc時，高電平比較器動作，比較器A1翻轉，輸出Vo從高電平返回低電平，放電開關管T重新導通，電容C上的電荷很快經放電開關管放電，暫態(tài)結束，恢復穩(wěn)定，為下個觸發(fā)脈沖的來到作好準備。波形圖見圖2.1.2。圖2.1.2 同時電路的頻率可以通過調節(jié)電阻R21、R22、R23來改變電路的頻率，從而使得電路的頻率可以在一定的范圍內進行調

11、節(jié)。2. 由方波轉化為三角波（利用積分器來實現）在產生方波之后，利用此波形輸入到一個積分電路便可輸出一個三角波。由于三角波信號是電容的充放電過程形成的指數形式，所以線性度較差，為了能得到線性度較好的三角波，可以將運放和幾個電阻，電容構成積分電路。三角波發(fā)生電路仿真電路模型如圖5-2所示： 圖2.2.1 波形發(fā)生器及圖形 如上圖是一個由方波轉換為三角波的電路圖及其輸出波形 當A很大時，運放兩輸入端為"虛地"，忽略流入放大器的電流，令輸入電壓為Vi輸出為Vo，流過電容C的電流為i1則 ，有      

12、0;              即輸出電壓與輸入電壓成積分關系。    當 為固定值時                 上式表明 輸出電壓按一定比例隨時間作直線上升或下降。當 為矩形波時， 便成為三角波。此外，由于電容和滑動變阻器的存在，使得輸出的三角波在輸入矩形波頻率

13、一定的時候也能適當調整，同時電容的存在，又濾除了其他波的干擾。提高了系統(tǒng)的抗干擾性。2.由三角波轉化正弦波利用差分放大器傳輸特曲線的非線性，將三角波信號轉化成正弦波信號。其傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好，三角波的幅值pp應正好使晶體管接近飽和區(qū)和截止去。圖2.3.1 正弦波的產生分析表明，傳輸特性曲線的表達式為： iC=aI/1+exp(-Uid/UT) I 差分放大器的恒定電流； UT 溫度的電壓當量，當室溫為25oc時， 26mV。如果Uid為三角波，設表達式為 Uid(t)=4*Um*(t-T/4)/T (0<=t<=T/2) Uid(t)=-4*Um*(t-3*T/4)

14、/T (T/2<=t<=T) 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， （1）傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好。（2）三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。（3）圖為實現三角波正弦波變換的電路。其中RP1調節(jié)三角波的幅度，RP2調整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C6,C7為隔直電容，C7為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。隔直電容C6、C7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。RE13=100歐與R25=100歐

15、姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。2.4在Multisim 10.1中可得到圖所示的波形 圖2.4.1方波圖2.4.2三角波圖2.4.3正弦波 圖2.4.4總電路圖 圖2.4.5仿真圖 由于c通道輸出的正弦波幅度很小，所以我們放大了200倍，其結果為d圖六、實驗結果分析 比較器與積分器組成正反饋閉環(huán)電路，方波、三角波同時輸出。電位器Rp1與Rp2要事先調整到設定值，否則電路可能會不起振。只要接線正確，接通電源后便可輸出方波、三角波。微調Rp1，使三角波的輸出幅度滿足設計要求，調節(jié)Rp2，則輸出頻率在對應波段內連續(xù)可變。 調整RP4及電阻R7，可以使傳輸特性曲線對稱。調節(jié)Rp3使三角波的輸出幅

16、度經Rp3輸出等于Uidm值，這時輸出波形應接近正弦波，調節(jié)C6的大小可改善波形。 因為運放輸出級由PNP型與NPN型兩種晶體管組成復合互補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飽和導通，導通時受輸出電阻的影響，使方波輸出值小于電源電壓值，故方波輸出電壓Up-p2Vcc。方波的上升時間tr主要受運算放大器轉換速率的限制。 實驗中若波形幅值太小，可適當添加一個放大電路以達到課設要求。七、實驗總結 本課題根據設計中要實現的功能，經過自己認真地分析、實踐，確立方案，書寫文檔，設計出電路，在設計過程中翻閱了大量資料，通過對所得的各種資料的綜合分析，提煉出自己需要的信息，從而提高自己的分析能力；通過對主要技術指標的分析，認真體會了設計時的各項技術政策；通過對設計時出現的各種問題的分析與解決，鍛煉了獨立分析，進行工程設計的能力；通過對電路設計中的某些問題的較為深入的探索，培養(yǎng)了自己的科研工作能力；通過設計論文的書寫，進一步鍛煉了繪圖技巧，文字表達能力和對工作的認真態(tài)度。 當然，在設計中遇到了一些實際困難，通過本人及同組同學多次查找參考資料，通過這次設計不僅鞏固了本專業(yè)的知識，加深了對課本知識的理解，為本人在