分立电路函数发生器设计与调试Word下载.docx

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2012年12月03-日止2012年12月14日

课程设计题目：

课程设计要求：

1．查阅资料，画出电路原理框图，详细的电路原理图。

2．元件参数的计算与选择，元器件的采购。

3．电路的设计安装，调试，记录测试结果。

4．测量出各个信号的频率，且频率可调。

5．根据测量结果，画出各种信号的波形图。

6．分析结果，指出电路设计中存在问题及改进办法。

完成工作描述：

1.查阅各种资料，完成电路原理的学习并进行参数的设置。

2.使用Multisim画出电路的原理图并进行仿真，并对仿真结果进行记录。

3.领取器件，完成电路板的焊接并进行调试。

4.在500~3000Hz下测试方波、三角波、正弦波的频率。

5.记录下三种信号的波形图，并分组记录其频率与相对应的峰峰值。

6.将仿真结果与实验结果进行对比。

工作计划及安排：

第一周，查阅搜集资料，画出电路原理图。

元器件的采购，电路的安装，仪器仪表的准备工作。

第二周，电路的调试，测试，写出课程设计报告。

指导教师签字：

年月日

摘要：

方波与三角波发生器由集成运放电路构成，包括比较器与RC积分器组成。

方波发生器的基本电路由带正反馈的比较器及RC组成的负反馈构成；

三角波主要由积分电路产生。

三角波转换为正弦波，则是通过差分电路实现。

该电路振荡频率和幅度便于调节，输出方波幅度大小由稳压管的稳压值决定，方波经积分得到三角波；

而正弦波发生电路中电位器实现正弦波幅度与电路的对称性调节，实现较理想的正弦波输出波形。

关键词：

函数信号发生器，方波，三角波，正弦波

1.课程设计目的

1.帮助学生综合运用所学的理论知识，把一些单元电路有机地组合起来，组成小的系统，使学生建立系统的概念；

并使学生巩固和加强已学理论知识。

并掌握一般电子电路分析和设计的基本步骤。

2.培养一定的独立分析问题、解决问题的能力。

对设计中遇到的问题能通过独立思考、查阅有关资料，寻找解决问题的途径；

对调试中出现的故障，能通过独立分析，找到故障发生原因及排除办法。

3.通过课程设计培养学生树立经济观点、全局观点，培养学生实事求是的科学态度和一丝不苟的严谨作风。

2.课程设计题目描述和要求

2.1课程设计题目

分立电路函数发生器设计与调试[1]

2.2课程设计要求

3.函数发生器设计与调试

3.1电路工作原理框图

如图1所示：

图1电路工作原理框图

3.2方波——三角波转换电路及工作原理

3.2.1方波——三角波转换电路，如图2所示：

图2方波——三角波转换电路

3.2.2电路工作原理

1．若反馈支路断开，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。

设Uo1=+Vcc,则

（3-1）

将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为

（3-2）

若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为

（3-3）

比较器的门限宽度为

（3-4）

由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3所示。

图3比较器的电压传输特性

2．运放A2与R4、RP2、C2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

（3-5）

时

（3-6）

（3-7）

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。

3．反馈支路闭合后，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：

（3-8）

方波——三角波的频率f为：

（3-9）

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。

最终波形如图4所示：

图4方波——三角波最终波形

3.3三角波——正弦波转换电路及工作原理

3.3.1三角波——正弦波转换电路，如图5所示：

图5三角波——正弦波转换电路

3.3.2三角波——正弦波转换电路工作原理

三角波

经二阶低通滤波电路后形成正弦波

传递函数为：

（3-10）

其中：

（3-11）

（3-12）

3.4总体电路

综合以上分析，可得总体电路如图6所示：

图6总体电路

3.5调试电路板

根据总体电路做出的调试电路板，如图7所示。

图7调试电路板

4.电路的调试及实验数据的测试

4.1所用仪器仪表

所用器件如下表1：

表1课程设计所用器件列表

器件

数量

500Ω电阻

2个

0.1μf电容

1KΩ电阻

1μf电容

1个

4KΩ电阻

运放OP37

10KΩ电阻

5V1W稳压管

20KΩ电阻

5KΩ电位器

所用仪器如下表2：

表2课程设计所用仪器列表

仪器

示波器

一台

万用表

一个

稳压电源

导线

若干

电烙铁

一把

钳子

4.2测试步骤及内容

1.设置直流电源“+”“-”“地”，并将供电电压设为15V；

2.打开示波器，检查示波器以及探笔是否正常，若不正常，则更换设备，重复该步骤，直至正常；

3.接通电源，使用万用表测试芯片座上对应的电压测试点，若电压正常，将芯片插入进行实验；

4.依次从3个输出测试点测试观察波形，调节电位器，使信号频率在500Hz到3KHz之间变化，观察波形变化，并记录数据；

5.重复4的测试方法并记录实验数据。

4.3实验数据记录

设计电路部分实测数据如表3所示：

表3实验数据记录

电源电压：

15V

频率

峰峰值

方波

正弦波

938Hz

206mV

920mV

316mV

1550Hz

348mV

1.06V

212mV

2000Hz

448mV

1.08V

162mV

5.实验数据分析

5.1仿真波形图

5.1.1方波波形图，如图8所示：

图8电路仿真方波波形图

5.1.2三角波波形图，如图9所示：

图9电路仿真三角波波形图

5.1.3正弦波波形图，如图10所示：

图10电路仿真正弦波波形图

5.2实际波形图

5.2.1设计产生500mV、500Hz的方波，实际产生500mV、492Hz的方波，基本符合要求。

实际方波图如图11所示。

图11实际方波图

5.2.2设计产生200mV、500Hz的三角波，实际产生200mV、433Hz的三角波，基本符合要求。

实际三角图如图12所示。

图12实际三角波图

5.2.2设计产生100mV、500Hz的正弦波，实际产生100mV、492Hz的正弦波，基本符合要求。

实际正弦波图如图13所示。

图13实际正弦波形

5.3数据对比分析

仿真结果部分数据，如表4所示：

表4仿真结果部分数据

1.996K

540

350

80

1.38

330

176

1.61k

89

1k

320

227

由表4明显可知，在频率变化时，方波和三角波的峰峰值不会随着改变。

这是由于在电路原理所得的公式中，正弦波与三角波的峰峰值与频率无关，只与电路中所使用的电阻电容以及电压源有关。

从表上不能得出频率与正弦波峰峰值之间明显的变化关系。

对比表3与表4的结果可知，在同一频率时，实验实测数据与仿真数据存在较大误差，经我们小组同学共同探讨得到以下产生误差的原因：

误差产生的原因：

（1）电子元器件存在缺陷，比如电阻电容不够理想等；

（2）电路中所用的电位器，在调试中，很难调到非常准确的数据；

（3）测试时间过长导致电路板温度升高影响测量值。

（4）电路焊接不好，接点接触不良等造成的误差。

（5）直流源带负载能力不是很强，对数据的测量造成误差。

6.课程设计总结

1．设计过程中遇到的问题及解决方法

对于方波-三角波产生电路，遇到的第一个问题是波形无法显示。

检测后发现电路中电流几乎为零，原因是电阻过大，电容有些小，使得电路无法有效起振。

因此在保证电路安全基础上减小电阻值同时保证电阻间的比值，换用较大的电容，在示波器上检查波形，得出方波波形，但是其占空比不为50%，调节发现不是电路连接问题，检查器件，发现是稳压管损坏造成，更换稳压管得到理想波形。

然后观测三角波波形，发现有些失真，可知是由于电容造成的，更换变容，将其增大得到理想波形。

在第三级上输出正弦波形，发现有较大失真，计算电流可知电阻较大，但是更换后仍有失真。

此时电路中电阻器件并未有不当，考虑电容影响。

换用较大电容，不断调节，得到失真较小的波形。

此些调节均在基本电路基础上完成。

由于要使方波占空比可调添加电位器与二极管实现。

2．设计体会

为期两周的课程设计已经结束，在这两周的学习、实验过程中我们感触颇深。

使我们对抽象的理论有了具体的认识。

通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试，熟悉了常用的仪器仪表，了解了面包板上电路搭建方法，以及如何提高电路的性能等等。

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，尤其是在搭建电路过程中遇到问题一起解决一起想办法，更体会到在接好电路后测试出波形的那种喜悦。

由高频实验到高频课程设计，由课本到自我设计，让我认识到实验中最重要的不是得到了多么好的实验结果，而是在实验过程中解决问题收获经验。

在函数信号发生器实验过程中，首先遇到的问题便是我们仅有电路图，而没有电路器件值，因此我们首先须用模电知识估算各器件值，但由于掌握知识有限，我们也仅能确定范围，而无法得出准确值。

因此需在实验中仔细调节，反复调试直至波形理想。

同时在实验中也暴露出我们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，通过我们不断地与同学进行交流，了解了很多知识点。

综合实验过程，我们要学会动手，实践与理论并重，这样我们才能收获知识，获得进步。

3．对课程设计的建议

希望能定期检修、维护或更换实验室设备。

实验室中各种设备仪器摆放较乱，为使大家使用方便，应该统一管理。

参考书目

［1］谢嘉奎，电子线路:

非线性部分（第4版），高等教育出版社，北京，2008年12月