1、模电课设函数发生器课程设计任务书学生： 专业班级： 通信 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 函数发生器设计 初始条件： 示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表，NE5532要求完成的主要任务: 一 任务：利用集成运算放大器和晶体管差分放大器等设计一个方波三角波正弦波函数发生器。 二 要求：设计制作一个方波三角波正选波发生器，频率围10100 Hz，100 Hz1 KHz，1KHz10 KHz；正弦波Upp3v，三角波Upp5v，方波Upp14v，幅度连续可调，线性失真小。 时间安排：十八周：查找收集相关资料十九周：初步定下实验方案，进行理论计算，用Multisim仿真二十周：购买元器
2、件，焊电路，写报告指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘 要 函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。其电路中使用的器件可以是分立器件（如低频函数信号发生器S101全部采用晶体管），也可以是集成电路（如单片集成电路函数发生器ICL8038）。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，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换成三角波；也可以先
3、产生方波-三角波，再将三角波变换成正弦波。本设计中依靠自激振荡产生正弦波，利用施密特触发器原理组成多谐振荡器方波方波，将方波积分产生三角波。该电路能实现正弦波、三角波的幅值、频率可调，方波频率、占空比可调。Abstract Function Generator is able to generate a variety of waveforms, such as the triangle wave, sawtooth, rectangular wave (including square), sine wave circuit. Function generator experiments a
4、nd equipment testing at the circuit has a very wide range of uses. Through the principle of the function waveform generator and the composition analysis, can be designed to be able to change out of a triangular wave, sine wave, square wave function waveform generator. The circuit used in the device
5、can be discrete devices (such as the low-frequency signal generator S101 function used in all transistors), it can be integrated circuits (such as the monolithic integrated circuit function generator ICL8038). Generate sine, square, triangle wave a variety of programs, such as created in the first s
6、ine wave, and then shaping circuit will transform into a square wave sine wave, square wave by the integral circuit will be transformed into the triangle wave; also be created in the first square - - triangular wave, and then transform into a triangular-wave sine wave. The design of relying on self-
7、oscillating sine wave generated using the principle of the composition of the Schmitt trigger multivibrator square wave square wave triangle wave will produce square points. The circuit can achieve sine wave, triangle wave amplitude, frequency adjustable, square-wave frequency, duty cycle adjustable
8、.1函数发生器电路的设计1.1方案选择方案一:方波三角波正弦波 图1-1 方波、三角波、正弦波、信号发生器的原理框图首先由LM324多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。系统采用双电源供电，主体部分由LM324集成运放芯片构成的滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器电路组成。它由滞回比较器产生方波信号，方波信号经过积分器后产生三角波信号。三角波信号一路反馈回滞回比较器，作为滞回比较器 ；另一路经二阶有源低通滤波器滤波以后产生正弦波信号。使用时可以在电路系统的不同输出点
9、得到不同的波形信号。方案二：正弦波方波三角波-原理框图： 图1-2 正弦波、方波、三角波信号发生器的原理框图RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波方波三角波函数发生器的设计方法，电路框图如上。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。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
10、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。方案一的电路结构、思路简单，运行时性能稳定且能较好的符合设计要求，且成本低廉、调整方便，关于输出正弦波波形的变形，可以通过可变电阻的调节来调整。而方案二，关于三角波的缺陷，不是能很好的处理，且波形质量不太理想，且频率调节不如方案一简单方便。综上，我们选择方案一。1.2器件选择器件1：采用ICL8038集成函数信号发生器芯片外加电阻、电容元件，构成波形发生电路。ICL8038集成函数信号发生器芯片是一种多用途的波形发生器芯片，它可以用
11、来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波。它的振荡频率可以通过外加的直流电压进行调节，是一种压控集成函数信号发生器。虽然ICL8038集成函数信号发生器的功能强大，但是它的价格昂贵，而且市面上也较难买到。如果用ICL8038芯片来制作简易波形发生器系统，则会大大增加系统的制作成本。器件2：采用LM324集成运放芯片，外加电阻、电容等元器件调整、滤波，构成简易波形发生器。LM324是一种集成运算放大器芯片，它的部有四个独立的运算放大器。根据所学的知识，运算放大器可以构成滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器电路，可以分别产生方波、三角波和正弦波。依靠这些电路的组合，就可以制作成简易波形发生器电路。该电
12、路具有效率高、体积小、重量轻，输出稳定等特点。而且LM324集成运放芯片价格低廉，可以降低电路的制作成本。基于这种考虑，器件2可被选用。 LM324芯片简介：LM324是由四个独立的运算放大器组成的电路。它设计在较宽的电压围单电源工作，但亦可在双电源条件下工作。本电路在家用电器上和工业自动化及光、机、电一体化领域中有广泛的应用。其特点如下：有宽的单电源或双电源工作电压围；含相位校正回路, 外围元件少；电压输出围宽；共模输入电压围宽。LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装（DIP14），外形如图3所示：图1-3 LM324外型图片它的部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共
13、用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图2所示的符号来表示：图1-4 LM324部的运放单元在电路中的符号它有5 个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图5： 图1-5 LM324引脚图由于LM324四运放电路具有电源电压围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。器件三：NE5532是一种双运放高性能低噪声运算
14、放大器。 相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。该仪器是由两个独立的运算放大器组成的电路，本实验可与LM324替代使用。且价格低廉，易买到，也在选择围。1.3单元电路的设计1.3.1 方波发生电路的工作原理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，如图中实线箭头所示。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
15、=+Ut,再稍增大，Uo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，如图中虚线箭头所示。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。 图1-6 比较器电压传输特性 图1-7 方波产生原理图1.3.2方波-三角波转换电路的工作原理C2图1-8 方波三角波产生电路UT=(R2Uo2m)(R3+Rp1) T=4R2(R4+Rp2)C1(R3+Rp1)工作原理如下：若R4与RP2交点断开，运算发
16、大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C2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，同相输入端接输入电压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从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+Vcc,则 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 比较器的门限宽度由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图1-6所示。交点断开后
17、，运放A2与R4、RP2、C2及R17组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为时，时，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，其波形关系下图所示。图1-9 方波产生三角波原理图交点闭合，既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。三角波的幅度为方波-三角波的频率f为由以上两式可以得到以下结论：1.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。若要求输出频率的围较宽，可用C2改变频率的围，PR2实现频率微调。2.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
18、实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。1.3.3三角波-正弦波转换电路的工作原理图1-10 三角波正弦波转换电路图三角波正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。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，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： 式中差分放大器的恒定电流；温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mV。如果 Uid为三角波，设表达式为式中Um三角波的幅度；T三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，由图可见：（1）传输特性曲线越
19、对称，线性区越窄越好；（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。（3）图为实现三角波正弦波变换的电路。其中R13调节三角波的幅度，R7调整电路的对称性，其并联电阻R8用来减小差分放大器的线性区。电容C2,C3,C4为隔直电容，C1为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。图1-11 三角波正弦波变换电路图1-12方波三角波变换图1.4电路的参数选择及计算1）方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一）实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中
20、实现。2）三角波-正弦波部分比较器A1与积分器A2的元件计算如下。由即取 ，则，取 ，RP1为100K的电位器。区平衡电阻由式（3-62）即当时 ，取以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻。三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C2、C3、C4要取得较大，因为输出频率很低，取，滤波电容C1视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。R7=50欧与RP4=50欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP3及电阻RP4确定.1.5 总电路图1-12总电路图先通过比较器产生方波，再通过积分
21、器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。2 仿真结果及分析在Multiuse运行本电路图得到的方波，三角波，正弦波如下图所图2-1方波仿真图在仿真中，方波的幅值为14V，比要求中的高，但是在实际中加了一个电位器使方波幅度可调且围为0到14.1V，符合要求。在仿真中方波的上升时间较大，在实际焊接中，加了一个加速电容使仿真的上升时间得意控制，符合题目要求。 图2-2 三角波仿真图图2-3正弦波仿真图由方正波形可以看出，三角波，正弦波的线性失真小符合题目要求。且三角波正弦波幅度连续可调，符合题目要求。频率在题目要求围可调。3电路的安装与调试3.1焊接调试中的问题1、在实际焊板子的时候遇到了仿真中
22、没有的问题，如LM324使用中因为焊接失误导致烧毁，只能用于其相近的芯片NE5532代替，但是Multisim仿真中没有NE5532，因此仿真仍然用了LM324.第一块实物焊接作品调试出现较大失真，达不到任务要求，因此综合经济、时间等因素，就近寻找元件进行了第二次焊接。2、方波的峰峰值过低或者过大，通过改变输入电源的值，最终得到满足要求的峰峰值。3、板子的焊接过程中做大的问题就是调节静态工作点。开始的时候静态工作点调不好，导致产生的正弦波不对称，后来又在镜像恒流源加了一个电位器使静态工作点调试成功，从而正弦波使上下对称。3.2性能指标测量与误差分析 1、方波输出电压Upp=14V，是因为运放输
23、出极有PNP型两种晶体组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出度小于电源电压值。2、三角波的输出电压主要受比较器的门限宽度的限制 3、为使输出波形更接近正弦波，要求传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。三角波的幅度Um应正好使晶体管截止电压。4、测得数据3.3实物图图3-1 调试成功的实物装备面俯视图图3-2 调试失真较大的第一份焊接实物4 收获与体会 模电课设一闪而过，回顾这几天的辛苦摸索，心中不免感慨良多。最初的时候，multisim的学习也不是那么顺利由于是全英文的界面，后来在各种找资料的帮助下组建有了些头绪，知道了如何选择元件，如何搭建电
24、路，随着一步一步深入的学习了解，越发的觉得multisim的强大与实用，也越发的觉得自身学习的不足，也越来越明白书山有路勤为径，学海无涯苦作舟的至理名言，然后我对multisim进行更加深入的了解与应用，也学到了很多。用仿真软件修改元件参数，调试数据过程也很艰辛，在调试中也增进了对元件作用的理解。通过本次设计，加强了自己的理论水平，提高了自己的动手能力，学到了许多课本上没有的知识，得到了很大的锻炼。 我们培养了动手能力也为我们以后的工作打下了良好的基础。通过这次课程设计使我懂得了只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中
25、遇到了重重问题，发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，在团队协作、老师的帮助下，将困难解决，完成了这次的课程设计。通过对函数信号发生器的设计，我掌握了常用元件的识别和测试；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。本次设计最大的困难是参数的选择和调试问题，而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间将其完成的，而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧！其次，这次课程设计提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契，体会了成功修改参数满足要求的性能指标，体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦，体会到成功来
26、自于汗水，体会到成果的来之不易。在实验过程中，我们遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。在老视和同学的帮助下看到正确的波形，心情很激动。感队友们的团结协作以及老师们的辛勤指导，让我们收获颇多。5元器件清单 序号名称型号数量备注1电阻10K52电阻20K13电阻5.1K14电阻2K25电阻6.8K26电阻8K17电阻10018电位器200K19电位器100K210电位器100111电容470uF312电容680uF113电容1uF114电容10nF115电容100nF216放大器2NE553217晶体管2MAT02EH18三排一体开关16主要参考文献资料1 康华光.电子技术基础（模拟部分M.高等教育，20032自美.电子线路设计实验测试M.华中科技大学，2006 3 吴友宇模拟电子技术基础M清华大学， 20094路 勇电子电路实验及仿真M清华大学，20035胡宴如模拟电子技术M：高等教育，20006 康华光.电子技术基础（模拟部分M.高等教育，20037 郝波. 电子技术基础模拟电子技术.电子科技大学2004出版
