模电函数信号发生器课程设计报告

模拟电子技术基础课程设计报告

函数发生器设计

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指导教师

电子通信与物理学院电子信系 2015年月日

摘要

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。函数发生器有很宽的频率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信号源。可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。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组成的方波--三角波--正弦波函数发生器的设计方法。

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同样由积分环节来完成。电压比较器实现方波的发生，方波通过积分环节可以将方波变换成三角波，同样将三角波通过积分环节可将三角波变换成正弦波。

关键词：函数发生器集成运放比较器积分器

目录

前言

1课程设计的目的

2课程设计的任务与要求

3课程设计的技术指标

第一章电路设计总方案及原理框图

1.1电路设计原理框图

1.2电路设计方案

第二章各部分电路设计

2.1方波--三角波发生电路的工作原理 2.2三角波--正弦波转换电路的工作原理 2.3电路的参数选择及计算

2.4总电路图

第三章电路仿真及实验结果

3.1方波发生电路仿真及结果

3.2方波--三角波发生电路仿真及结果 3.3三角波--正弦波转换电路仿真及结果第四章结论

第五章参考文献

第六章附录

前言

一课程设计的目的

1．掌握电子系统的一般设计方法。

2．培养综合应用所学知识来指导实践的能力

二课程设计的任务与要求

1．仔细分析产品的功能要求，利用互连网、图书、杂志查阅资料，从中提取相关和最有价值的信息、方法。

（1）设计总体方案。

（2）设计单元电路、选择元器件、根据需要调整总体方案。（3）计算电路（元件）参数。

（4）绘制总体电路初稿。

（5）上机在Mulitisim（或EDA）电路实验仿真。

（6）绘制总体电路。

2．独立书写课程设计报告。

三课程设计的技术指标

1.设计、组装、调试函数发生器；

2.输出波形：正弦波、方波、三角波；

3.频率范围：在10－10000Hz范围内可调；

4.输出电压：方波Up-p<=24V，三角波Up-p＝8V，正弦波Up-p>1V

一．电路设计总方案及原理框图

（一）电路设计原理框图

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。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证经济、方便、优化的设计策略。电路设计原理框图如图1.1所示：

图1.1

（二）电路设计方案设计

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同样通过积分环节。

二．各部分电路设计

（一）方波--三角波发生电路的工作原理

方波--三角波信号产生的基本电路如图2.1所示：

图2.1

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，R1为平衡电阻，R3、RP1为正反馈元件，C1为加速电容，可加速比较器的翻转（可不加该电容，本设计中无该电容）。运放的反相端接基准电压，即V-=0，同相输入端接输入电压Via。比较器的输出V o1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V+ =V- =0时，比较器翻转，输出信号V o1从高电平+Vcc跳到低电平-Vee,或者从低电平-Vee跳到高电平+Vcc。设V o1=+Vcc。

设V o1=+Vcc,则：

式中，RP1指电位器的调整值（以下同），将上式整理，得比较器的下门限电位：

若V o1=-Vee，则比较器的上门限电位：

比较器的门限宽的Vh为：

由式1--式4可得比较器的电压传输特性，如图2.2所示：

图2.2比较器电压传输特性

a点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波V o1，则积分器的输出：

当V o1=+Vcc时：

当V o1=-Vcc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，其波形关系图2.3所示。

图2.3 方波--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：

方波--三角波频率：

由此可得以下结论：

（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。若要求输出频率的范围较宽，可用C2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。

（二）三角波--正弦波转换电路的工作原理

图2.4 三角波--正弦波原理图

三角波——正弦波的变换电路主要积分环节完成的。

将三角波变成正弦波是经过一个非线性的变换网络（正弦波变换器）而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波点位向两端顶点摆动时，网络提供的电流同路阻抗会变小，这样就使三角

波的两端变为平滑的正弦波输出。

（三）电路的参数选择及计算

1.方波-三角波中电容C2变化

C2在0.1uf左右，方波频率约为100HZ，结合图2.5及3.4，当C2为1uf时，频率较低约为10HZ，波形较难观察。

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

由式8得

取R2=10K,则R3+RP1=30K,取R3=20K，RP1为50K的电位器，取平衡电阻R1=R2/(R3+RP1)=10K

由输出频率的式9得

当 10hz ≤f ≤10000hz，取C2=0.1uf,R4=5.1K,RP2=100K。

三角波—正弦波变换电路的参数选择原则是：根据不同频率段的输入的三角波变更换第二个积分环节的电容大小，根据需要控制反向放大器的放大倍数以得到符合要求的幅值。

（四）总电路图

如图2.5所示：

图2.5 总电路图

三．电路仿真及结果（一）方波发生电路的仿真及结果

方波如图3.1：频率约为100HZ，Up-p约为20V。

图3.1

（二）方波--三角波发生电路仿真及结果

三角波如图3.2：频率约为100HZ，Up-p约为8V。

图3.2

方波-三角波如图3.3：

图3.3

C2为1uf时的方波--三角波如图3.4：频率约为10HZ。

图3.4

（三）三角波--正弦波转换电路的仿真及结果

正弦波如图3.5：频率约为100HZ，Up-p约为3V。

图3.5

三角波正弦波如图3.6：

图3.6

四．结论

课程设计是继专业理论学习和实验教学之后又一重要的实践性教学环节。它的任务是在学生掌握和具备电子技术知识与单元电路的设计能力之后，综合所学知识进一步学习电子电路系统的设计方法和实验方法，为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。

将所有需要输出的波形调到任务的要求是这部分设计最麻烦的地方，同时也是计算最多的地方。根据方波、三角波和正弦波所需要输出的波形的幅值的要求，需要换许多次电容和电阻，每次调整三角波幅值的变化时，都会改天其频率，最后将电容C2变成可变电容器，使得其能改变输出波的频率而未改变其幅值的大小。另一个问题是方波和三角波的图形稳定，而正弦波的幅值

再不断上升。在反复改变与其有关的电容和电阻后仍然出现这样的状况，而且输出幅值非常低，最终放弃了用差分式放大电路，换用积分电路替换，输出波形果然稳定了，可是同样出现了幅值不够的问题，最终选择了反向比例放大使输出幅值放大。

五．参考文献

【1】童诗白.《模拟电子技术基础》（第四版）.高等教育出版社.2006.5

【2】邱关源.《电路》（第五版）.高等教育出版社.2006.5 【3】李万臣.《模拟电子技术基础实验与课程设计》.哈尔滨工程大学出版社.2001

六．附录

元件清单：