函数发生器的设计仿真与实现.docx

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函数发生器的设计仿真与实现

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

信息工程学院

题目:

函数发生器的设计仿真与实现1

初始条件：

可选元件：

运算放大器，三极管，电阻、电位器、电容若干，直流电源Vcc=+6~12V，

VEE=-6~-12V，或自选元器件。

可用仪器：

示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表等

要求完成的主要任务:

（1）设计任务

根据要求，完成对方波－三角波－正弦波发生器的仿真设计、装配与调试。

（2）设计要求

正弦波Upp≈3V，幅度连续可调，线性失真小。

三角波Upp≈5V，幅度连续可调，线性失真小。

方波Upp≈14V，幅度连续可调，线性失真小。

频率范围：

三段：

10~100Hz，100Hz~1KHz，1KHz~10KHz；

频率控制方式：

改变RC时间常数；

正弦波输出电量：

电流；

选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。

计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。

（用Proteus画电路原理图并实现仿真）

安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。

时间安排：

1、2010年1月3日至2010年1月7日，完成仿真设计、制作与调试；撰写课程设计报告。

2、2010年1月8日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。

参考文献：

1）伍时和主编《数字电子技术基础》清华大学出版社

2）吴友宇主编《模拟电子技术基础》清华大学出版社

3）彭介华主编《电子技术课程设计指导》高等教育出版社

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

目录

1.Proteus软件简介0

2.函数发生器基本原理1

2.1原理框图1

3.各组成部分的工作原理2

3.1方波发生电路的工作原理2

3.2方波---三角波转换电路的工作原理4

3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理5

4.Proteus原理图绘制6

4.1准备画图7

4.2放置元件及排版7

4.3模拟及仿真9

5.Proteus电路PCB板的制作10

5.1创建PCB文件10

5.2导入元件10

5.3元件的布局11

5.4手动布线11

5.5PCB板的3D预览11

6.Proteus设计电路的焊接12

6.1制作元件清单12

6.2焊接电路12

6.3焊接电路的调试13

7.Proteus电路的仿真15

8.仿真结果与分析18

8.1计算元件参数18

8.2方波-三角波产生电路18

8.3三角波-正弦波变换电路19

9.实验总结21

10.心得体会22

11.仪器仪表清单23

12.参考文献24

附件：

本科生课程设计成绩评定表25

1.Proteus软件简介

Proteus软件是英国LABCENTERELECTRONICS公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

Proteus软件具有4大功能模块：

智能原理图设计、完善的电路仿真功能、独特的单片机协同仿真功能、实用的PCB设计平台。

由于Proteus软件界面直观、操作方便、仿真测试和分析功能强大，因此非常适合电子类课程的课堂教学和实践教学，是一种相当好的电子技术实训工具，同时也是学生和电子设计开发人员进行电路仿真分析的重要手段。

Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：

multisim）的功能。

这些功能是：

（1）原理布图

（2）PCB自动或人工布线

　　（3）SPICE电路仿真

　　革命性的特点

（1）互动的电路仿真

　　用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

（2）仿真处理器及其外围电路

　　可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。

还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。

配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。

本次Proteus俄课程设计实现函数信号发生器的原理图绘制，PCB板图制作，以及电路的仿真。

运用运放构成的比较器和积分器实现矩形波和三角波的输出，再经差分放大产生正余弦波形。

2.函数发生器基本原理

2.1原理框图

图2.1.1原理框图

2.2函数发生器的总方案

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。

根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块8038）。

为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。

本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，

本课题中函数发生器电路组成为由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。

特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

3.各组成部分的工作原理

3.1方波发生电路的工作原理

图3.1.1矩形波产生电路及电压传输特性

图3.1.2矩形波产生电路

此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。

RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。

设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+Ut。

Uo通过R3对电容C正向充电。

反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut后再稍增大，Uo就会从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。

随后，Uo又通过R3对电容C反向充电。

Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。

上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

3.2方波---三角波转换电路的工作原理

图3.2.1方波—三角波产生原理图

方波变三角波电路图（3），方波转三角波电路图如图所示为具有三角波和矩形波输出的振荡电路。

该电路由密勒积分器A2和施密特触发器A1构成，可以产生三角波和矩形波输出。

振荡频率由密勒积分器的时间常数（R3+R4）C1和触发器的滞后电压Vcc（R1+R2）/（R1+R2+R3）确定，其中Vcc为电源电压。

调节电阻R3可以改变振荡频率，而调节电阻R2既可以改变三角波的输出幅度，也可以改变振荡频率。

A2输出三角波，A1输出矩形波，它们之间相位差为90度。

图3.2.2迟滞比较器电压传输特性图3.2.3三角波发生器工作波形

图3.2.4方波转三角波产生电路图

3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理

三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成，电路图如图（6）所示。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。

特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

波形变换的原理是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性，波形变换过程如图（7）所示。

由图可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好;三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。

用差分放大电路实现三角波到正弦波。

图3.3.1三角波-正弦波变换

图3.3.2三角波转正弦波电路

4.Proteus原理图绘制

4.1准备画图

1.安装好软件后点击桌面上图标进入软件环境。

2.在看是菜单中找到Proteus图标单击，进入Proteus操作界面。

3.设置所需原件。

单击绘图工具栏中的元件模式按钮，进入元件库，在元件库中通过搜索栏中分别键入cap电容，res电阻，restap滑动变阻器，NPN三极管，LM348运放等找到对应属性的元件。

需在元件库中找出相应阻值，电容，电感的元件。

图4.1.1Proteus元件选择框

4.2放置元件及排版

1.通过对象选择器窗口单击选择相应元件，在右侧图形编辑窗口中单击左键放置元件。

元件的移动：

用鼠标左键按住元件拖曳。

元件的旋转：

选定所需旋转元件，单击绘图工具栏左右旋转按钮完成旋转。

元件的删除：

通过鼠标左键选定要删除的元件，点击键盘上的delete键即可完成对应元器件的删除。

2.将鼠标移至元件引脚处待出现红色方框单击鼠标左键将鼠标移至所需连接的另一元件管脚处待出现红色方框后再次单击鼠标左键完成单根导线的连接。

以此类推，按照实验原理图放置元件并布线。

引出节点：

在所需引出节点导线处单击鼠标右键，移动鼠标即可在该点设置节点并引出导线。

图4.2.1原理图布线过程

3.完成电路布线后，为使电路更加紧凑有逻辑性，各功能区域明显，应对相应元件或导线位置进行相应调整。

元件位置调整：

单击相应元件按住鼠标左键并将元件拖曳至相应位置后放开即可。

导线间距的调整：

将鼠标移至要调整导线所连接的元器件，单击该器件，相应导线及元器件将变为选定状态，将鼠标移至该导线处出现左右（上下）调节标志，按住鼠标左键拖曳相应导线到预定位置后放开，即可移动导线。

4.3模拟及仿真

1.电路连接无误后，根据实验要求，选定所需信号源及测试仪表，单击仿真键仿真。

示波器：

在绘图栏中选择虚拟仪器菜单中的Oscilloscope（示波器）选项，将其放置到图形编辑窗口，连接相应导线至测试点。

图4.3.1示波器原理图图4.3.2示波器仿真界面

5.Proteus电路PCB板的制作

5.1创建PCB文件

1、直接点击ARES快捷图标将元件导入ARES中。

2、首先，画一个100mm×100mm的板框，在状态栏的坐标中适值显示。

如图所示：

图5.1.1选择板框大小

5.2导入元件

1、进行手动布局，点击元件图标

，是元件栏中可以看到所有要用到的元器件。

先把电源U1导入，放入表框中适当位置。

图5.2.1PCB原件的放置

2、将电阻R1放入表框中，这是系统会自动将焦点更换，把元件依次放入表框中，我们可以看到对象选择器中的元件依次减少，直到将元件全部放到表框中。

3、发现错误后应立即进行改正，并更新。

图5.2.2PCB板元件的导入

5.3元件的布局

1、进行元件的布局，由于自动布局使预览图变得杂乱无序，不容易进行连线，所以我们这里使用手动布局，（板框的默认设置为双层板）。

2、布局完毕后，缩小方框使其恰好完全覆盖布局线路。

5.4手动布线

点击

进行手动布线，连线应尽量做到不交叉，也要保持美观。

其效果图为：

图5.4.1PCB板布线图

5.5PCB板的3D预览

进行PCB板的3D预览，我们可以看到元件的立体布局和顶层底层连线，及电阻的色环，还可以进行电源层的设置。

图5.5.1PCB板3D仿真

6.Proteus设计电路的焊接

6.1制作元件清单

根据实验原理图制作相应元件清单，并购买所需原件，焊接用万用版，铜导线以及排针等。

6.2焊接电路

1、运用ProteusPCB所制成的电路板进行实际的排线工作。

将元件放置于万用版上，对线路进行优化整理，尽量做到精简排线，让线与线之间的距离尽可能的小，并且尽量做到线与线间没有交叉。

2、将元件依次焊接到电路板上，由于此次焊接选择用铜线作为导线而非焊锡故连接时应让元件与导线同时连接。

不要让电焊在元件的引脚上停留太久以防温度过高烧坏元器件。

图6.2.1电路板焊接图

6.3焊接电路的调试

1、用万用表打到短路测试档，依次测试相应节点是否接通。

2、当电路板检查无误后，接通±12V电源通过示波器观察相应波形，通过调节电位器改变输出频率。

图6.3.1焊接电路调试

图6.3.2方波波形图6.3.3三角波波形

图6.3.4正弦波波形

7.Proteus电路的仿真

由于Proteus具有强大的仿真功能，所以我们优先选用Proteus作为本电路图的仿真工作。

在电路原理图中，我们已经将各元件安放参数调试完毕。

下面就需要用示波器观察各输出参考点波形。

从图（3）分析可得方波采样点应选取运算第一级放大器输出端，三角波采样点应选取第二级运算放大器输出端，由图（6）可知正弦波输出端应为电容C5处。

单击开始按钮，弹出示波器显示窗格，通过调节R14改变方波产生频率进而改变三角波正弦波频率及幅，同样调节RV1可改变方波产生幅度。

调节R17可对三极管Q1、Q2的对称性进行调整使波形达到最佳状态。

观察示波器输出波形的关系。

进行仿真结果分析。

图7.1仿真实验原理图

图7.2示波器仿真波形

图7.3方波三角波关系

图7.4方波波形

图7.5三角波波形

图7.6正弦波波形

8.仿真结果与分析

8.1计算元件参数

比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下：

𝑈02m=R2/（R3+RP1）Vcc

即UO2m=R2/（R3+RP1）=UO2m/Vcc=4/12=1/3

取R3=10k𝛺，则R3+RP1=30k𝛺，取R3=20k𝛺,RP1为47k𝛺的电位器。

取平衡电阻

R1=R2//（R3+RP1）≈10k𝛺

可得f=（R3+RP1）/[4R2（R4+RP2）C2]

即R4+RP1=（R3+RP1）/（4R2+C2）

当1Hz≤f≤10Hz时，取C2=10𝑢F，则R4+RP2=75𝛺～7.5k𝛺，取R4=5.1k𝛺，RP2为

100k𝛺电位器。

当10Hz≤f≤100Hz时，取C2=1𝑢F，以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。

取平衡电阻R5=10k𝛺。

三角波-正弦波转换电路的参数选择原则是：

隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取C3=C4=C5=470𝑢F,滤波电容C6视输出波形而定，若含高次谐波成分较多，C6取得较小，C6一般为几十皮法至0.1

𝑢F。

RE2=100

𝛺与RP4=100

𝛺并联，以减小差分放大器的线性区。

差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线及调整RP4确定。

8.2方波-三角波产生电路

综上所述，该电路能自动产生方波-三角波。

电路工作原理如下：

若a点断开，运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成的电压比较器，C1称为加速电容，可加速比较器的翻转。

运放的反相端接基准电压，即U-=0，同向端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。

比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-VEE（|+Vcc|=|-VEE|），当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平+Vcc跳到－VEE，或从低电平-VEE跳到高电平+Vcc。

设Uo1=+Vcc则

U+=R2/（R2+R3+RP1）（Vcc）+（R3+RP1）/（R2+R3+RP1）Uia=0（8.2.1）

将上式整理，得比较器翻转的下门限电位Uia-为

Uia-=-R2/（R3+RP1）（+Vcc）=-R2/（R3+RP1）Vcc（8.2.2）

若Uo1=VEE，则比较器翻转的上门限电位Uia+为

Uia+=-R2/（R3+RP1）（-VEE）R2/（R3+RP1）Vcc（8.2.3）

比较器的门限宽度UH为

UH=Uia+-Uia-=2R2/（R3+RP1）Vcc（8.2.4）

由式（8.2.1）至式（8.2.4）可得比较器的电压输出特性。

a点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反向积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为

Uo2=-1/（（R４＋RP2）C2）

∫Uo1dt

Uo1=+Vcc时，

Uo2=-（+Vcc）/[（R4+RP2）C2]t=-Vcc/[（R4+RP2）C2]t

Uo1=-VEE时，

Uo2=-（-VEE）/[（R4+RP2）C2]t=Vcc/[（R4+RP2）C2]t

可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波。

a点闭合，即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。

三角波的幅度Uo2m为

Uo2m=R2/（R3+RP1）Vcc

方波-三角波的频率f为

f=R3+RP1/[4R2（R4+RP2）C2]

综上所述，可以得出以下结论：

电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。

若要求输出频率范围较宽，可用C2改变频率的范围，RP2实现频率微调。

方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。

三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。

电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。

8.3三角波-正弦波变换电路

根据图3.3.2的组成框图，三角波-正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。

差分放大器具有工作点稳定、输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。

特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

分析表明，传输特性曲线的表达式为

Ic1=αIe1=αIo/（1+

）

Ic2=αIe2=αIo/（1+

）

式中:

α=Ic/Ie≈1

Io——差分放大器的恒定电流

Ut——温度的电压当量，室温为25℃时，Ut≈26MV。

如果Uid为三角波，设表达式为

Uid=

式中：

Um——三角波的幅度；

T——温度的电压当量，当室温为25℃时，Ut≈26MV。

由上式化简可得：

Ic1（t）=

由此可见：

传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

9.实验总结

此次通过使用Proteus软件对函数信号发生器的设计与仿真，我们深刻认识到了实践的重要性，我们的收获也很丰盛。

通过本次课设对于电路仿真软件我们有了系统的认识，并且掌握了基本的操作技能，能够完成原理图的绘制，PCB的制作及仿真等。

最重要的是锻炼了实际动手操作能力，掌握了新的技能，这大概就是学校安排这个课程设计的原因吧。

本次课设更接近与实际的结合，例如有能力和条件的小组学校老师要求每个成员都完成一份实物的制造。

学校这样要求是有意培养我们的动手能力，使我们能够更有竞争力能在现实社会中掌握真本领，有立足之地。

在整个电路绘制到PCB制作再到仿真，我个人感觉仿真部分是最难的，本次软件使用中，前几次的仿真都无法完全成功，不是无法形成正弦波就是无法形成三角形波。

后来通过多次修改实验原理图和实验元器件相关参数，我们最终成功使波形发生器产生了三角波、方波和正弦波了。

当然对实验原理的了解和认识也非常重要，只有理解和认识了实验原理才能完成实验电路图的绘制，才能完成PCB的制作及仿真。

通过这个过程，我们得到了一个结论：

当出现问题并想方设法去解决问题的时候才是真正考验一个人的时候。

通过这次课程设计，我第一次比较独立的完成了对一个工具软件的从学习到使用的整个过程，可以想象在实际电路的设计时会是怎样的情形。

对于Proteus这个软件的强大功能有了深刻的了解。

当一次次的布局与一次次的仿真失败到最终看到仿真波形的时候，心里感到非常的兴奋，虽然几经周折，但最后还是成功了，实现了应有的功能，感觉有很大的收获。

10.心得体会

11.仪器仪表清单

Category

Reference

Value

Quantity

OrderCode

Resistors

"R1,R2,R5"

10k

3

Resistors

"R3,R8,R9"

20k

3

Resistors

"R4"

5.1k

1

Resistors

"R6,R13"

6.8k

2

Resistors

"R7"

100

1

Resistors

"R10,R11"

2k

2

Resistors

"R12"

8k

1

Resistors

"R20"

1k

1

Capacitors

"C1,C3,C5"

470u

3

MaplinDT69A

Capacitors

"C2"

1uF

1

Capacitors

"C4"

10uF

1

Capacitors

"C6"

0.1uF

1

IntegratedCircuits

"U1,U2"

2

UA747

Transistors

"Q1-Q4"

4

2N3904

Miscellaneous

"RV1,RV3"

100k

2

Digikey3005P-101-ND

Miscellaneous

"RV2,RV4"

47k

1

Digikey3005P-101-ND

12.参考文献

【1】吴友宇，伍时和，凌玲.模拟电子技术基础[M].北京：

清华出版社，2009.

【2】康华光,陈大钦.电子技术基础模拟部分（第四版）[M].北京：

高等教育出版社,2004.

【3】张丽华，刘勤勤.模拟电子技术基础仿真实验[M].西安：

电子科技大学出版社，2008.

【4】刘岚，叶庆云.电路分析基础[M].北京：

高等教育出版社，2009.

【5】华成英.模拟电子技术基础[M].北京：

高等教育出版社，2006.

附件：

本科生课程设计成绩评定表

姓名

性别

专业、班级

课程设计题目：

课程设计答辩或质疑记录：

。

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日