波形发生器课程设计报告.docx

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波形发生器课程设计报告

电气与电子工程学院课程设计报告

课程名称：

电子技术课程设计

院系：

电气与信息工程学院

专业班级：

电气0903班

学生姓名：

指导教师：

完成时间：

2011.7.07

报告成绩：

目录

一、设计要求…………………………………………………2

二、设计的目的与作用………………………………………2

三、设计的具体体现…………………………………………3

3.1系统概述…………………………………………………3

（1）函数波形发生器总方案设计和原理框图…………………3

（2）方波发生电路的工作原理…………………………………4

（3）方波---三角波转换电路的工作原理………………………5

（4）三角波---正弦波转换电路的工作原理……………………6

3.2单元电路设计、仿真与分析……………………………8

（1）元件参数的选择计算………………………………………8

（2）仿真与分析…………………………………………………11

（3）波形发生器整体电路………………………………………15

四、心得体会……………………………………………………16

五、附录…………………………………………………………18

六、参考文献……………………………………………………19

波形发生器的设计报告

一、设计要求

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：

1Hz－10Hz，10Hz－100Hz，100Hz－1KHz，1KHz－10KHz等4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：

方波峰—峰值Upp﹤24V；三角波峰-峰值Upp=8V，正弦波峰-峰

。

5.用分立元件和运放设计的波形发生器要求用Multisim或protel进行电路仿真分析。

二、设计的作用与目的

1.通过这次课程设计从而掌握方波——三角波——正弦波函数发生器的原理及设计方法。

2.学会安装与调试由分立器与集成电路组成的多级电子电路小系统。

3.能够使用电路仿真软件进行电路调试。

三、设计的具体体现

3.1系统概述

（1）函数波形发生器总方案设计和原理框图

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）。

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，

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。

本课题中函数发生器电路原理框图如图3.1.1所示：

图3.1.1波形发生器电路原理框图

（2）方波发生电路的工作原理

从一般原理来分析，可以在滞回比较器电路的基础上，靠正反馈和RC充放电回路组成矩形波发生电路。

由于滞回比较器的输出只有两种可能的状态：

高电平或低电平。

两种不同的输出电平使RC电路进行充电或放电，于是电容上的电压将升高或降低，而电容的电压又作为滞回比较器的输入电压，控制其输出端状态发生跳变，从而使RC电路由充电过程变成放电过程或相反。

如此循环往复，周而复始，最后在滞回比较器的输出端即可得到一个高低电平变化周期性交替的方波信号。

方波发生电路仿真电路如图3.1.2所示。

图中，运放U1接成同相输入滞回比较器形式，从7端反馈引入三角波信号，触发滞回比较器自动翻转形成方波信号，从B端输出。

两个稳压管D1、D2对接，起到正、负向输出的双向限幅作用。

、

图3.1.2方波发生电路仿真电路

（3）方波---三角波转换电路的工作原理

在产生方波信号之后，利用此波形输入到一个积分电路便可输出一个三角波。

由于三角波信号是电容的充放电过程形成的指数曲线，所以线性度较差。

为了能够得到线性度比较好的三角波，可以将运放和几个电阻、电容构成积分电路。

三角波发生电路仿真电路如图3.1.3所示。

图中，运放U2接成积分电路形式，利用电路的自激振荡，由滞回比较电路输出的方波信号，经过积分电路后产生三角波信号，从5端输出。

图3.1.3三角波发生电路仿真电路

（4）三角波---正弦波转换电路的工作原理

可由RC振荡电路产生，也可以通过三角波——正弦波的变换电路产生，本设计方案中主要采用有差分放大器来完成。

差分放大器工作电积分，输入阻抗高，抗干扰能力强，可以有效地抑制零点漂移，利用差分放大电路传输特性曲线的非线性，将三角波型号转化为正弦波信号，传输特性曲线越对称，线性区越好三角波的幅值U应正好是晶体管结晶饱和区和截止区。

正弦波发生电路仿真电路如图3.1.4所示。

图中RP3调节三角波的幅度，RP4调节差分放大电路的对称性，其并联RE1用来减小差分放大电路的线性区，电容C5，C6，C7为隔直电容由于输出频率较低，所以其容量一般较大。

C8为滤波电容，以消除谐波分量，改善输出波形，差分放大器的静态工作点可通过观测传输型曲线，调整RP4和电阻R6确定。

图3.1.4正弦波发生电路仿真电路

3.2单元电路设计、仿真与分析

（1）元件参数的选择计算

①方波电路

设Uo1=+Uz,则

U+=R2（+Uz）/（R2+R3+Rp1）+（R3+Rw1）Uia/（R2+R3+Rp1）=0

（1）

将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia＿为

Uia＿=-R2（+Uz）/（R3+Rp1）=-R2*Uz/（R3+Rp1）

（2）

若Uo1=-Uz，则比较器翻转的上门限电位Uia+为

Uia+=-R2（-Uz）/（R3+Rp1）=-R2*Uz/（R3+Rp1）（3）

比较器门限宽度UH为

UH=Uia+-Uia＿=2*R2*Uz/（R3+Rp1）（4）

由式

（1）、（4）可得比较器的电压传输特性，如图3.2.1.1

图3.2.1.1比较器的电压传输特性

②三角波电路

运放U2与R4、RP2、C4及R5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Uo2=-∫Uo1*dt/（R4+Rp2）C4

当Uo1=+Uz时，

Uo2=-（+Uz）t/（R4+Rp2）C4=-Uz*t/（R4+Rp2）C4

当Uo1=-Uz时，

Uo2=-（-Uz）t/（R4+Rp2）C4=Uz*t/（R4+Rp2）C4

方波－三角波的频率为：

f=（

+

）/4

（

）C

其中

/（

+

）≥1/3

取

=10KΩ,则

=30KΩ

取

=20KΩ，则

=20KΩ

由于f=（

+

）/4

（

）C

故

=3/4fc

当1Hz≤ƒ≤10Hz,取

=10μF,则

=7.5KΩ~75KΩ

取

=5.1KΩ,Rp2=100KΩ

当10Hz≤ƒ≤100Hz,取C=1μF;

当100Hz≤ƒ≤1KHz,取C=0.1μF;

当1KHz≤ƒ≤10KHz,取C=0.01μF.

改变开关J1、J2、J3、J4与电容C1、C2、C3和C4的连接位置，即可调节方波和三角波的输出频率。

③正弦波电路

隔直电容C5、C6、C7要取得较大，因为输出频率很低，取

=

=

=470μF，滤波电容

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。

RE1=10K欧与RP4=10K欧姆相并联，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，调整RP4和电阻R6确定。

（2）仿真与分析

①方波电路的仿真波形图，如图3.2.2.1

图3.2.2.1方波电路的仿真波形图

②三角波电路的仿真波形图，如图3.2.2.2

图3.2.2.2三角波电路的仿真波形图

③方波-三角波转换电路的仿真波形图，如图3.2.2.3

图3.2.2.3方波-三角波转换电路的仿真波形图

④三角波-正弦波转换电路的仿真波形图，如图3.2.2.4

图3.2.2.4三角波-正弦波转换电路的仿真波形图

（3）波形发生器整体电路，如图3.2.3

图3.2.3波形发生器整体电路

四、心得体会

由于此次是首次课程设计，我这次的设计是通过与同学的讨论与认真计算设计分析所完成的。

它需要我们综合运用“模拟电子技术基础”课程的知识，通过查阅资料、方案论证与选定；设计和选取电路和元器件；分析指标及讨论，完成设计任务。

在这次课程设计中，我学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路。

动手能力得到很大的提高。

从中我发现自己并不能很好的熟练去使用我所学到的模电知识。

在以后学习中我要加强对使用电路的设计和选用能力。

但由于电路比较简单、定型，而不是真实的生产、科研任务，所以我们基本上能有章可循，完成起来并不困难。

把过去熟悉的定型分析、定量计算逐步，元器件选择等手段结合起来，掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。

这对今后从事技术工作无疑是个启蒙训练。

通过这种综合训练，我们可以掌握电路设计的基本方法，提高动手组织实验的基本技能，培养分析解决电路问题的实际本领，为以后毕业设计和从事电子实验实际工作打下基础。

通过维期半个月对函数信号发生器的设计、仿真及总结，让我越来越深的懂得理论需要实践来证明的。

同时也让我充分认识到自己的空想与实践的差别，认石墨眼高手低，莫闭门造车，知识都在不断更新和流动之中，而扎实的基础是一切创造的源泉，只有从本质上理解了原理，才能更好的于疑途寻求柳暗花明，实现在科学界的美好畅游和寻得创造的快乐。

而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不明白的理论知识，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。

在此，向辛苦的老师致谢！

五、附录

仪器仪表清单

1.12V直流电源6台

2.运算741放大器2片

3.2SC945三极管4只

4.电解电容10uF5uF1uF0.1uF0.01uF各1个

470uF3个

5.电阻5.1k8k20k各1个

2k2个

10k8个

6.1N4743A稳压二极管2个

7.电位器10k1个

20k1个

47k1个

100k1个

8.开关4个

9.双踪示波器1台

六、参考文献

书目

作者

出版社

版期

《模拟电子技术基础》

李振梅

高等教育

出版社

2010

《电子技术实验与课程设计》

李振梅

机械工业出版社

2010

《现代电子技术实践课程指导》

谢云

机械工业出版社

2003