函数信号发生器设计报告

目录

1设计的目的及任务

1.1 课程设计的目的

1.2 课程设计的任务与要求

2函数信号发生器的总方案及原理图

2.1 电路设计原理框图

2.2 电路设计方案设计

3 各部分电路设计及选择

3.1 方波发生电路的工作原理

3.2 方波、三角波发生电路的选择

3.3三角波---正弦波转换电路的选择

3.4总电路图

4 电路仿真与调试

4.1 方波---三角波发生电路、三角波---正弦波转换电路的仿真与调试

4.2方波---三角波发生电路、三角波---正弦波转换电路的实验结果

5 PCB制版

6 设计总结

7仪器仪表明细清单

8 参考文献

1．课程设计的目的和设计的任务

1.1 设计目的

1．掌握用集成运算放大器构成正弦波、方波和三角波函数发生器的设计方法。

2.学会安装、调试与仿真由分立器件、调试与仿真由分立器件与集成电路组成的多级电子电路小系统。

2.2设计任务与要求：

设计一台波形信号发生器，具体要求如下：

1．输出波形：方波、三角波、正弦波。

2．频率范围：在1 Hz－10Hz，10 Hz -100 Hz,100 Hz -1000 Hz 等三个波段。

3.频率控制方式：通过改变RC时间常数手控信号频率。

4．输出电压：方波UＰ－Ｐ≤24V，三角波UＰ－Ｐ＝8V，正弦波UＰ－Ｐ>1V。

5.合理的设计硬件电路，说明工作原理及设计过程，画出相关的电路原理图。

6.选用常用的电器元件（说明电器元件选择过程和依据）。

7.画出设计的原理电路图，作出电路的仿真。

8.提交课程设计报告书一份，A3图纸两张，完成相应答辩。

2．函数发生器总方案及原理框图

2.1 原理框图

图1-1 整体原理框图

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。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框图如下所示：

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的基本结构是比例放大器，对不同区段内比例系数的切换，是通过二级管网络来实现的。如输出信号的正半周内由D1~D3控制切换，负半周由D4~D6控制切换。电阻Rb1~Rb3与Ra1~Ra3分别组成分压器，控制着各二极管的动作电平。

3．各组成部分的工作原理及选择

3.1 方波发生电路的工作原理

假设t=0时电容C上的电压Uc=0,而滞回比较器的输出端为高电平,即Uo=+Uz.则集成运放同相输入端的电压为输出电压在电阻R1,R2上分压的结果,即：U+=R1*Uz/(R1+R2)

此时输出电压+Uz 将通过电阻R向电容C充电,使电容两端的电压Uc升高,而此电容两端的电压接到集成运放的反向输入端,即Uc=U_.当电容上的电压上升到U-=U+时,滞回比较器的输出端将发生跳转,由高电平跳变为低电平,使Uo=-Uz,于是集成运放同相输入端的电压也立即变为

U+=-R1*Uz/(R1+R2),然后又重复刚才过程.如此电容反复地进行充电放电,滞比较器的输出端将再次发生跳转,于是产生了正负交替矩形波.

3.2 方波---三角波发生电路的选择

方案一：

方波—三角波产生电路

工作原理如下：

若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1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。由计算可以得到以下结论：

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。

m

o

p

U

R

R

R

U

2

1

3

2

T+

±

=

±

1

3

1

2

4

2

)

(

4

p

p

R

R

C

R

R

R

T

+

+

=

若要求输出频率的范围较宽，可用C1改变频率的范围，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可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。

方案二：

此电路可以产生较好的方波和三角波，频率基本符合要求，但是在调试的过程中，发现频率不能太大，既不能有高频的信号，那时会失真。

3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理

方案一：

三角波——正弦波的变换电路

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：

（1）传输特性曲线越对称，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Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性

区。电容C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，

改善输出波形。

方案二：

三角波转换正弦波电路

折线法是一种使用最为普遍且实现也较简单的正弦函数转换方法。折线法的转换原理是：根据输入三角波的电压幅度，不断改变函数转换电路的的传输比率，也就是用多段折线组成的电压传输特性，实现三角函数到正弦函数的逼近，我采用了有源正弦函数转换电路，，转换电路除二极管、电阻网络外，还包括放大环节，也是根据三角波电压的幅度，不断增加或减少网络通路以改变改变转换电路的放大倍数，输出近似的正弦电压波形。

在T/2时间内均匀地设置六个断点，以作为七段逼近或校正，每段按时间均匀的分布为T/14。若设正弦波在过零处的斜率与三角波的相同，即d(VoSin2π·t/T)/dt在t=0时为4Vim/T则有Vom=2Vim/π≈0.64Vim；由此，可推断出各断点上应校正到的电平值：Vo1、Vo2和Vo3。Vim=8v,所以Vom=2/π;Vim=5..12v;Vo1=Vomsin(2π/T?T/14)=2.22V Vo2=Vomsin(2π/T?T/7)=4.01V Vo3=Vomsin(2π/T?3/14)=4.98V

电路方案：

它的基本结构是比例放大器，对于不同区段的比例系数的切换是通过二极管网络来实现的。如输出信号的正半周内由D1-D2控制切换，负半周内由D4-D6控制切换，电阻Rb1-Rb3与Ra1-Ra3分别组成分压器，控制着各二极管的动作电

在0- T/14区段内，要求D1-D6均不导通，此时V0与VI的比例关系为：V01/T/14=Rf/Ri（Vim/T/14）由Vo1=2.22V,Vim=8V,可得Rf/Ri=0.97，若取Ri=10kΩ，则Rf=9.7 kΩ

在T/14- T/7区段，要求D1导通，D2-D6均截Ro，此时Vo与VI的比例关系应为：（Vo2-Vo1）/ T/14=（Rf∥Ra1）/Ri（Vim / T/14）（Rf∥Ra1）/Ri=0.78

Ra1=35.5 kΩ同理（Vo3-Vo2）/ T/14=（Rf∥Ra2）/Ri（Vim / T/14）（Rf ∥Ra2）/Ri=0.42 Ra2=7.2 kΩ（Vom-Vo3）/ T/14=（Rf∥Ra3）/Ri（Vim / T/14）（Rf∥Ra3）∥Ri=0.06 Ra3=0.06kΩ

同时，为控制D1的动作电平，要求1点上的电平U满足下列关系：

Vo1-Ra1/（Ra1+Rb1）（Vo1+V）=Vd1或Rb1/（Ra1+Rb1）Vo1=VD1+Ra1（Ra1+Ra2）V

设计时，为避免Rb1对放大器比例关系的影响要求Rb1??Ra1所以，上式又可简化为：Uo1≈VD1+Ra1/Rb1V 取VD=0.6V则有Rb1=VRa1/0.78=151 kΩVo2≈VD+Ra2/Rb3V Rb2=25.3 kΩVo3≈

VD+Ra3/Rb3V则Rb3=0.164kΩ

3.4总电路图

4 电路仿真与调试

4.1 方波---三角波发生电路的仿真与调试

1.安装方波——三角波产生电路

2. 把两块741集成块插入面包板，注意布局；

3. 分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；

4. 按图接线，注意直流源的正负及接地端。

首先我接入了47k的滑动变阻器，接入电源后，用示波器进行双踪观察；发

现波形正常，但是通过频率计的测试，发现频率较低，并且可调范围较窄，故不能符合要求，因此我尝试了45k、100k、250k、500k以及其以上的电阻，发现滑动变阻器太大也不会有较大变化，因此我选用了后两种，但是后来调电容的时候，发现500k的比较适合！同理，电容也经过这个过程，我从0.01uf 开始以一定的宽度调节，最终发现，频率太小或太大都会导致波形失真，经过反复比较，最终选定了1uf、10nf、100nf这个范围最为合适！且波形较好。在调好频率之后，想到调整幅度，通过反复更换R2、R3、R4发现没有显著的变化，故而改变稳压管以及直流电源，最终使幅度达到要求！

第一：我们使用滞回比较器和积分器组合电路，他们互为输入，故而只需要调整滑动变阻器就可以调整出相应的波形，频段的调节由电容决定，我们要求做三个频段的频率，因此每要求一个频段，就选择相应的电容，打下相应的开关，结果如下表所示。

方波发生器的波形

三角波发生器波形

这个波形是方波和三角波同时发生并显示在同一示波器上，两个发生器是互相互为输入的故而他们的波也是相互影响的，调整效果时，只需调示波器即可。效果如图：

方波三角波发生器波形

第二：三角波---正弦波转换电路的仿真与调试

1.绘制三角波——正弦波变换电路

在面包板上接入比例放大电路，注意各电阻对应和接线；由于此电路来源于现学课本，因此只要根据要求的幅度计算各电阻值即可。

2.调试三角波——正弦波变换电路

由于计算值有小数，故而要对数值进行近似，可能近似的当，在电阻方面，没有太多的调整。

我们使用的是折线法，因此正弦波会不很光滑，这也是正常的，因为输入的三角波并不是如同发生器中的波形那么标准，故而会有些平滑，另一个原因

是我采用的是七点折线计算，选点不多会有不少误差。

在选定好相应的电容之后，要想调多大的频率，只需要调整滑动变阻器就可以了。至于波形美观性，我们可以调整示波器的水平比例与竖直比例，原理就是改变加在示波器中的电压，从而使相应的扫描变宽。如果波形有些失真，可以通过改变相应的比例放大器中各电阻的比率，从而改变效果。此波图是三角波与正弦波同时在一个示波器中显示，即三角波转换成正弦波的效果图。

三角波转换成正弦波图

第三：总电路的安装与调试

把两部分的电路接好，进行整体测试、观察。因为三角波转换成正弦波时电压有一定的要求，所以在整体调整的过程中，只对稳压管进行

适当的调节即可，最终就是测试各频段的效果，结果表明满足要求。调试中遇到的问题及解决的方法

方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在调试多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。各调试过程如上所述。

4．2 电路的实验结果

每当一个电容工作时，其他电容的开关是处于闭合状态，无论是测什么数据都是通过那三个点来测量，表格中显示的是测试时实测的频率范围，由于他大于

要求范围，所以是满足的。

至于电压幅值，误差在允许的范围之内。当调整频率的时候，可变的电压会发生变化，想要那个值只需调滑动变阻器即可。方波的电压由稳压管决定，所以他是基本不变的，三角波的会因为滑动变阻器的变化会有变化，进而影响正弦波的电压幅值。

5 PCB制版

首先，我们开启protdl软件，建立新的文件，在其上绘制原理图，并与multisim 中仿真的一样，完成连线，注意连线要到位，否则会无法制版。线连接好后，对每一个元件进行封装，在PCB界面中找好相对应的原件，在原理图中，将

原件一一封装，然后将其导入到制图界面，手工调整好整体布局后，要与原理图一致，自动布线就完成了！如果对效果不满意，还可以进行手工布线！制图如

下：

在制作过程中，需要注意个元器件的布置，特别是原理图，由于他没有自动节点连接，故而很容易造成PCB无法制版，其次是要对各个集成运放的接口进行标号，在接线时要一一对应否则无法制版。再次是个元器件的标号要清晰，在布图时，我们要对应于原理图进行布局，没有好的标号会导致一些错误。最后是在手工绘制PCB线时，尽量避免各线相交叉，我们通常通过让线从元器件上通过的办法来解决这个问题。最后一个问题是打印，由于我们的板子是双层的，再加上底色是黑色的，打印出来的效果不好，很多连线都不能看清，所以在这方面的设置要注意。

6．实验总结

通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。

这次课程设计让我认识到设计是让我们提升动手能力的绝好机会，这也能让我们可以把以前学到的理论知识在实践中得到认证，我期盼在今后的课程中能得到更多像这样的机会让同学们得到锻炼。同时通过这次对函数波形发生器的设计与制作，让我更加了解了一些设计电路的程序，也让我了解了关于函数