函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)報(bào)告

華北科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)第-1-頁(yè)共19頁(yè)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)報(bào)告目錄一、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 -2-五、函數(shù)發(fā)生器的具體方案 -4-1.總的原理框圖及總方案 -4-2.各組成部分的工作原理 -5-2.1方波發(fā)生電路 -5-2.２三角波發(fā)生電路 -6-2.３正弦波發(fā)生電路 -7-2.４方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 -10-2.５三角波—正弦波轉(zhuǎn)換電路工作原理 -13-3.總電路圖 -15-六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 -16-七、實(shí)驗(yàn)總結(jié) -17-八、參考資料 -18-九、附錄：元器件列表 -19-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、性能指標(biāo)四、設(shè)計(jì)方案的選擇及論證函數(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，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?.方案一采用分立器件實(shí)現(xiàn)電路組成，主要的部件有雙運(yùn)放uA741運(yùn)算放大器、電壓比較器、積分運(yùn)算電路、差分放大電路、選擇開(kāi)關(guān)、電位器和一些電容、電阻組成。該方案由三級(jí)單元電路組成的，第一級(jí)單元可以產(chǎn)生方波，第二級(jí)可以產(chǎn)生三角波，第三級(jí)可以產(chǎn)生正弦波，通過(guò)第二級(jí)的選擇開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，通過(guò)對(duì)差分放大電路部分元器件的調(diào)節(jié)來(lái)改善正弦波產(chǎn)生的波形。2.方案二采用集成電路實(shí)現(xiàn)，主要部件有高速運(yùn)算放大器LM318、單片函數(shù)發(fā)生器模塊5G8038、選擇開(kāi)關(guān)、電位器和一些電容、電阻組成。該方案通過(guò)調(diào)節(jié)不同電位器可調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器輸出振蕩頻率大小、占空比、正弦波信號(hào)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(chǎn)生300kHz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(dú)調(diào)節(jié)，從而給使用帶來(lái)很大不便，也無(wú)法滿足高頻精密信號(hào)源的要求。uA741是美國(guó)仙童公司較為早期的產(chǎn)品,由于其性能完善,如差模電壓范圍和共模電壓范圍寬,增益高,不需外加補(bǔ)償,功耗低,負(fù)載能力強(qiáng),有輸出保護(hù)等,因此具有較廣泛的應(yīng)用。uA741這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護(hù)和閉鎖自由運(yùn)作，可以方便的輸出精度較高的方波、三角波、正弦波，且可以通過(guò)調(diào)節(jié)差分放大電路的各個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)正弦波的失真。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，可將頻率很低的三角波變換成正弦波。綜上所述，本課題選用方案一。五、函數(shù)發(fā)生器的具體方案1.總的原理框圖及總方案圖1函數(shù)信號(hào)發(fā)生器原理圖多波形信號(hào)發(fā)生器方框圖如圖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2.1方波發(fā)生電路從一般原理來(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所示圖5-1方波發(fā)生電路仿真模擬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Ｕpp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5-3所示：圖5-3正弦波發(fā)生電路仿真模擬在Multisim10.1中可得到圖所示的波形：圖5-4方波圖5-5三角波圖5-6正弦波2.４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741－DIV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1～10Hz、10～100Hz：當(dāng)需要1～10Hz時(shí)，開(kāi)關(guān)選擇C2=1μF，取，RP2為100Ω電位器；當(dāng)需要10～100Hz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。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Uo2為當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，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：方波-三角波的頻率f為：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５－８所示圖5-8三角波的幅度為：方波-三角波的頻率f為：由以上兩式可以得到以下結(jié)論：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)。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。2.５三角波—正弦波轉(zhuǎn)換電路工作原理圖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，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。圖5-10分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為：上式中：；—差分放大器的恒定電流；—溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25℃時(shí)，UT≈26mV。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。為使輸出波形更接近正弦波，由圖5-10可知：傳輸特性曲線越對(duì)稱，線性區(qū)越窄越好；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.總電路圖圖5-11仿真圖為：圖5-12六、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，輸出方波時(shí)，兩管輪流截止與飽和導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)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-p≤2Vcc。方波的上升時(shí)間tr主要受運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換速率的限制。實(shí)驗(yàn)中若波形幅值太小，可適當(dāng)添加一個(gè)放大電路以達(dá)到課設(shè)要求。七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)本課題根據(jù)設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的功能，經(jīng)過(guò)自己認(rèn)真地分析、實(shí)踐，確立方案，書(shū)寫文檔，設(shè)計(jì)出電路，在設(shè)計(jì)過(guò)程中翻閱了大量資料，通過(guò)對(duì)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(guò)對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)的分析，認(rèn)真體會(huì)了設(shè)計(jì)時(shí)的各項(xiàng)技術(shù)政策；通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的各種問(wèn)題的分析與解決，鍛煉了獨(dú)立分析，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的能力；通過(guò)對(duì)電路設(shè)計(jì)中的某些問(wèn)題的較為深入的探索，培養(yǎng)了自己的科研工作能力；通過(guò)設(shè)計(jì)論文的書(shū)寫，進(jìn)一步鍛煉了繪圖技巧，文字表達(dá)能力和對(duì)工作的認(rèn)真態(tài)度。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)中遇到了一些實(shí)際困難，通過(guò)本人及同組同學(xué)多次查找參考資料，以及指導(dǎo)老師的悉心講解，終于豁然開(kāi)朗；通過(guò)這次設(shè)計(jì)不僅鞏固了本專業(yè)的知識(shí)，加深了對(duì)課本知識(shí)的理解，為本人在這一學(xué)期所學(xué)專業(yè)知識(shí)做了一個(gè)系統(tǒng)的把握。八、參考資料[1]彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京：高等教育出版社[2]孫梅生，李美鶯，徐振英.電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社[3]梁宗善.電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社[4]張玉璞，李慶常.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)[M].北京