函数信号发生器设计.docx

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函数信号发生器设计

课程设计任务书

学生姓名：

邓丕森专业班级：

电信0901

指导教师：

曾刚工作单位：

信息工程学院

题目：

正弦波－三角波－方波函数发生器

初始条件：

具备模拟电子电路的理论知识；具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。

要求完成的主要任务：

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、频率范围三段：

10～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz；

2、正弦波Uopp≈3V，三角波Uopp≈5V，方波Uopp≈14V；

3、幅度连续可调，线性失真小；

4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书

时间安排：

十八周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

目录

摘要……………………………………………………………………………………I

1课程设计的目标与设计任务········································1

1.1设计的目标···············································1

1.2设计的要求···············································1

2单元电路的设计与调试············································2

2.1正弦波产生电路···········································2

2.2方波产生电路··············································6

2.3三角波产生电路···········································9

3函数信号发生器总电路图与电路仿真·······························11

3.1函数信号发生器总电路图····································11

3.2函数信号发生器的仿真·······································12

4电路的安装与调试···············································15

4.1电路的安装·············································15

4.2电路功能调试···········································16

4.3电路实验结果··············································17

5总结体会···········································18

参考文献··············································19

摘要

这一学期刚学习了模电课程，为进一步掌握模电的基本理论及实验调试技术，本小组进行了这次课程设计，主要说明采用运算放大器与独立的模拟器件共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法与调试。

在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。

信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。

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。

本课设采用先产生正弦波，再将正弦波变换成方波，然后由积分电路把方波变成三角波。

关键字：

模拟电子技术基础，正弦波，方波，三角波

1课程设计的目标与设计任务

1.1设计的目标

1）培养综合应用所学知识来指导实践的能力；

2）了解集成电路和集成运放的基本知识；

3）学会使用仿真软件对电路进行仿真；

4）理解函数信号发生器的组成框图及工作流程；

5）会制作函数信号发生器；

6）能用仪器、仪表调试、测量函数信号发生器的主要指标。

1.2设计的要求

1）设计电路原理图并画出；

2）能同时输出一定频率一定幅度的3种波形：

正弦波、和三角波；

3）输出正弦波时，输出电压峰峰值为3V，输出波形频率为10Hz～10KHz可调；

4）输出方波时，输出波形峰峰值14V，输出波形频率为10Hz～10KHz可调；

5）输出三角波时，输出波形峰峰值5V，输出波形频率为10Hz～10KHz可调。

6）对电路进行仿真和调试；

7）在制作过程中发现问题并能解决问题

2单元电路的设计与调试

2.1正弦波产生电路

2.1.1正弦波振荡器的基本结构与工作原理

正弦波振荡器是一个没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波输出信号的电路，它由一个基本放大器和一个带有选频功能的正反馈网络组成。

电路接通电源的一瞬间，由于电路中电流从零突变到某一值，它包含着很多的交流谐波，经选频网络选出频率为fo的信号，一方面由输出端输出，另一方面经正反馈网络传送回到输入端，经放大和选频，这样周而复始，不断地反复，只要反馈信号大于初始信号，振荡逐渐变强起来。

2.1.2产生振荡的条件

（1）振荡平衡条件

要使振荡器输出信号

维持稳定的输出，必须使再次反馈回输入端信号

和原来输入端的信号

相等，即:

又有

得

由于

所以振荡平衡条件为:

设

则

即：

……………………………………………………幅度平衡条件

…）…………………………………………相位平衡条件

一个振荡器只有同时满足这两个条件，才能振荡。

（2）振荡起振条件

振荡器满足平衡条件时，

输出信号幅度保持不变。

但在振荡器刚开始振荡时，信号非常微弱，如仅是

振荡器将不能起振。

必须使每次反馈回来的信号大于原来的输入信号，即

。

振荡才能由弱到强建立起来。

所以振荡起振条件应为

>1。

2.1.3RC文氏电桥振荡器的制作

由于RC文氏电桥振荡器具有电路简单、易起振、频率可调等特点被大量应用与低频振荡电路，所以我们采用RC文氏电桥振荡器产生正弦波。

电子电路图如图2-1所示：

图2-1RC正弦波振荡器电路

如图所示，根据设计要求可选择电阻R1，R2均为15k，R4为100k的可调电位器。

电容C1和C2为0.22F，D1，D2为1N4001，采用的集成运放为MC4558。

R1、C1、R2、C2组成RC串并联网络形成正反馈，运放、R4、R5、D1、D2组成同相比例放大器，D1，D2具有稳幅作用。

在此电路中，由RC串、并联网络组成正反馈支路和选频网络，这部分电路决定了电路的振荡频率；由R4、D1、D2和R5组成负反馈支路和稳幅环节。

负反馈电路控制运算放大器的增益。

反馈过深，不易起振，反馈过小，容易造成波形失真。

调节R4为适当值，电路即能起振，输出正弦波，并利用D1、D2的非线性实现稳幅。

并联电阻R5有改善二极管非线形引起波形失真的作用。

在实际应用中，常选取文氏电桥两个支路中的R、C相同，当R选用同轴双连电位器，即可以实现振荡频率的连续可调，输出正弦波的频率为:

2.1.4RC正弦波振荡器的调试

按上述电路图接好电路图在仿真仿真软件中仿真，仿真步骤如下：

1）调节电位器R4，用示波器观察输出波形UO直到出现正弦波，记录波形，并测量输出电压UO的最大不失真电压幅度，波形的周期T。

2）调节电位器RP，观察其对输出波形的影响。

3）测量频率。

将输出UO接示波器Y轴输入端，标准信号源（正弦波）输出端接示波器X轴输入端，将示波器改为“X-Y”显示方式，这时读出标准信号源的频率即是振荡器的输出频率f。

用Multisim10.0对电路进行仿真得到图2-2仿真波形

图2-2

从图中可得出产生的正弦波最大值Umax=1.5V;

T=5ms×4.2=21ms.

F0=1/T=48Hz.

仿真得出的数据与理论计算一样，电路正确。

2.2方波产生电路

2.2.1方波发生器的基本结构与工作原理

如图2-3所示的方波发生器电路，其中R2与Rf组成负反馈支路，运放同相端的电压为：

电阻R1、Rp和电容C组成运放的正反馈支路。

当电容C的端电压VC（等于运放的反向端电压V-）大于V+时，输出电压VO＝VZ（双向稳压管VD的限幅电压），则电容C经电阻R1、Rp放电，VC下降。

当VC下降到比V+小时，比较器的输出电压VO=+VZ，电容C又经过电阻R1、Rp充电，电容的端电压VC又开始上升，如此反复，则输出电压VO为周期性方波。

方波的频率为

调节电路中的Rp可以改变频率。

图2-3方波发生器

2.2.2方波发生器的制作

电子电路如图2-3所示，根据设计要求运算放大器为LM324，R1、R2、Rf为10k的电阻，RP为100k的电位器，C的容量为1uF。

D1,D1为1N750。

2.2.3方波发生器的调试

按上述电子电路图接好电路在仿真软件中仿真，仿真步骤如下：

1）UREF=2V（参考电压）的直流电压；

2）在电路中接人ui=3V的直流电压，用万用表测量输出直流电压的大小并记录；

3）ui改为1V的直流电压，用万用表测量输出直流电压的大小，并记录；

4）微调ui，使ui在1V~3V之间变化，用万用表测量并观察输出直流电压的变化情况，并记录：

恰好出现高电平向低电平翻转或低电向平高电平翻转时的ui，确定此值与UREF值结果表明该电路能不能实现电压比较的作用；

5）改变电位器RP，观测是否可以改变输出信号频率。

将电位器RP调至最小时，观测电路的输出波形，此时输出信号的周期T1,器RP调至最大时，观测电路的输出波形，此时输出信号的周期为T2；观察在这个过程中，输出信号的电压变化；

6）改变电容容量，观测是否可以改变输出信号频率。

将电路中的电C改为0.022F，观测输出信号波形，C增大时，输出信号频率会怎样变化；

用Multisim10.0对其进行仿真得到如下2-4波形图：

图2-4

从波形中可以得到方波电压约为±7V,与理论一样，可得出电路是正确的。

2.3三角波产生电路

2.3.1三角波发生器的结构与基本工作原理

图2-5三角波发生器电路

其工作原理如下：

当运算放大器开环电压增益足够大时，可认为

其中又由虚短和虚断，得：

式中，τ＝RC，称为积分器的时间常数。

2.3.2三角波发生器的制作

电子电路如图2-4所示，积分电路和迟滞比较器相连可组成三角波发生器。

根据设计要求电阻R1为2.5K，电容C为220nf，采用的集成运放为LM324。

2.3.3三角波发生器的测试

根据电子电路图接好线路，在仿真软件中仿真，仿真步骤如下：

1）用双踪示波器DC输入方式观察U波形。

并将波形记录下来。

2）改变电阻R1或电容C，观察输出电压波形的变化。

当输入信号为方波时，其输出信号为三角波，电路波形图2-5如下：

图2-5

电仿真中信号源为方波，f0=1Kz,Umax=3.5V

电路中R1=2.5K，C=220nF,

3.函数信号发生器总电路图与电路仿真

3.1函数信号发生器总电路图

根据上述独立单元电路的设计，可以设计总的电路图如图3-1所示

图3-1函数信号发生器总原理图

通过看示波器波形，可得出正弦波发生器中电位器调到R4调到50K时开始起振，调大R4则不能起振，而调到40K时波形出现失真，起振是由弱变强的。

总电路的频率有R1，C1，R2，C2决定，令R1=R2，C1=C2，

如图R为15K，C为0.22uF，可算出频率为50Hz,所有可通过减小电容值来增大频率，如C为0.001uF时，频率为10.6kHz，满足要求。

3.2函数信号发生器的仿真

对总原理图进行仿真，得到正弦波，方波和三角波的波形如下图：

图3-2100HZ正弦波

图3-31KHZ正弦波

图3-4100HZ方波

图3-51KHZ方波

图3-6100HZ三角波

图3-71KHZ三角波

4电路的安装与调试结果

4.1电路的安装

4.1.1元器件的选用规格

标号

元器件名称

规格与型号

D1

整流二极管

1N4001

D2

整流二极管

1N4001

D3

稳压二极管

1N4734

D4

稳压二极管

1N4734

A1

集成运算放大器

MC4558

A2

集成运算放大器

MC4558

A3

集成运算放大器

LM324

R1

电阻

15k1/8W

R2

电阻

15k1/8W

R3

电阻

3301/8W

R4

电阻

100k1/8W

R5

电阻

10k1/8W

R6

电阻

10k1/8W

R7

电阻

3301/8W

R8

电阻

5.6k1/8W

R9

电阻

10k1/8W

R10

电阻

3301/8W

R11

电阻

5.6k1/8W

R12

电阻

10k1/8W

R13

电阻

100k1/8W

R14

电阻

3301/8W

RP1

双联线性电位器

150k

RP2

电位器

100k

RP3

电位器

20k

C1

电容

0.22F

C2

电容

0.022uF

C3

电容

0.0022F

C4

电容

0.22uF

S1

转换开关

S2

转换开关

4.1.2实践制作工具及仪器仪表

电烙铁一把，电烙铁一把，焊锡丝，镊子1把，普通万用表1只，双路直流稳压电源，双踪示波器一台。

4.1.3实践制作过程

1）识读函数信号发生器电路原理图和印制电路图。

2）先在印制电路板上找到相对应的元器件的位置，将元器件成形。

3）采用边插装边焊接的方法依次正确插装焊接好元器件（注意二极管正、负极和集成运算放大器的管脚方向）。

插装步骤如下：

插装集成运算放大器A1、A2、A3、

插装电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13

插装二极管和稳压管D1、D2、D3、D4

插装电容器C1、C2、C3、C4、C5

插装电位器RP1、RP2、RP3

插装转换开关S1、S2

4）检查焊接的电路中元器件是否有假焊、漏焊，以及元器件的极性是否正确。

5）通电试验，观察电路通电情况。

4.2电路功能调试

1）按上述制作步骤完整接好原理电路并复查，通电检测。

2）分别将两组电源调至15V，注意两组电源与MC4558的接法。

3）拨动转换开关S2，用示波器分别观察正弦波、方波和三角波三种波形，若波形失真，可通过调节RP2来改善波形。

在坐标纸上绘制出电路产生的三种波形，分别测量波形输出电压的幅度并记录。

4）调整电位器RP1和拨动转换开关S1，测量各种波形的输出频率变化范围。

5）调整电位器RP2，测量输出电压变化范围。

4.3电路实验结果

函数信号发生器电路的实验的结果

类别

输出电压

输出频率

设计值

实际值

设计值

实际值

正弦波

0～1.5V

0～1.4V

10HZ～10kHZ

62HZ～10.3kHZ

方波

0～7V

0～7.2V

10HZ～10kHZ

62HZ～10.3kHZ

三角波

0～2.5V

0～2.1V

10HZ～10kHZ

62HZ～10.3kHZ

5总结体会

《模拟电子技术》是非常重要的专业基础课，课程设计是在学完这门课程之后对所学知识的一次检测。

通过这次课程设计不仅加深了对电子电路的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。

通过这段时间不懈的努力与切实追求，我做完了课程设计。

通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；学会了使用仿真软件对原理电路进行仿真；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。

其次，这次课程设计让我懂得了坚持就是胜利，在困难面前不要轻言放弃，要勇于面对问题，并想法设法解决问题。

在实验过程中，遇到了不少的问题。

比如：

波形失真严重，甚至不出波形这样的问题。

还有就是焊接实物的问题，一开始以为很简单，但其实很复杂，要对焊板上的元件进行布置和焊接电路元件连线，这有很大的难度。

在此期间，除了对元件较好的焊接外，还要考虑元件之间信号的干扰，还要考虑元件连线的不相交以及焊板面积的大小、元件摆放和连线的美观性等，所以我们怕不够用，就买了一块比较大的板子，结果花两天焊好板子后却发现电路才占板子的很少部分，很不协调。

所有说，想要焊出一块实用又美观的板子，是要经过一番考虑和布置的。

但是最后在老师和同学的帮助以及自己的不断努力下，把问题一一解决了，那种心情别提有多高兴啊。

实验中暴露出我在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，通过课程设计加深了我对所学知识的理解。

期末考试也临近了，顺便也复习。

作为一个电信专业的学生，我深知课程设计的重要性。

这次课程设计我从刚开始的什么都不懂不会不敢不碰，到现在的基本了解了一个电路元件是如何构成的，还有以前看的集成板上让人难琢磨的电路焊接图我都可以看懂一些了，其中的电路仿真也让我对以前学习的电路知识有了详细地了解。

我顺利完成了模电的课程设计。

这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。

参考文献

[1]童诗白主编．模拟电子技术基础（第三版）．北京：

高教出版社，2001

[2]李万臣主编．模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，2001

[3]胡宴如主编.模拟电子技术.北京.高等教育出版社，2000

[4]赵雅兴主编.PSpice与电子器件模型.北京邮电大学出版社,2006

[5]RayenderGoyal.High-frepuencyAnalogIntegratedCircuitDesign.

NewYork:

JohnWiley&Sons.Inc,1995.