函数发生器实验报告.docx
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函数发生器实验报告
EDA信号源实验报告
系别：
信息工程学院
班级：
电信0901
姓名：
杜志强
学号：
0407090105
时间：
2010年11月9日
前言
凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源.也称为信号发生器用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。
在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待备的激励信号。
当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。
当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。
并且要求信号源输出信号的参数，如频率波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。
信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。
正弦信号是使用最广泛的测试信号。
这是因为产生正弦信号的方法比较简单，而且用正弦信号测量比较方便。
正弦信号源又可以根据工作频率范围的不同划分为若干种。
又称波形发生器。
它能产生某些特定的周期性时间函数波形（主要是正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号。
频率范围可从几毫赫甚至几微赫的超低频直到几十兆赫。
除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。
图2为产生上述波形的方法之一，将积分电路与某种带有回滞特性的阈值开关电路（如施米特触发器）相连成环路，积分器能将方波积分成三角波。
施米特电路又能使三角波上升到某一阈值或下降到另一阈值时发生跃变而形成方波，频率除能随积分器中的RC值的变化而改变外，还能用外加电压控制两个阈值而改变。
将三角波另行加到由很多不同偏置二极管组成的整形网络，形成许多不同斜度的折线段，便可形成正弦波。
另一种构成方式是用频率合成器产生正弦波，再对它多次放大、削波而形成方波，再将方波积分成三角波和正、负斜率的锯齿波等。
对这些函数发生器的频率都可电控、程控、锁定和扫频，仪器除工作于连续波状态外，还能按键控、门控或触发等方式工作。
【实验题目】：
函数信号发生器的设计与制作
【实验目的】：
能在设计与制作实验的过程中，结合所学理论知识，进行电子应用电路的设计、组装与调试，以此来掌握使用模拟分立元器件和数字电路集成芯片设计一个函数信号发生器电路的方法和实践技能，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。
【设计内容及要求】：
1.设计要求：
设计设计一个电路实现方波-三角波-正弦波函数发生器
主要技术指标
1）输出波形：
正弦波、方波、三角波等
2）频率范围：
10～100Hz，1000HZ～１０KＨz
3）输出电压：
方波Up-p=24V，三角波Up-p=6V，正弦波U>1V；
4）波形特征：
方波tr<10s（1kHz，最大输出时），三角波失真系数THD<2%，正弦波失真系数THD<5%。
2.基本原理
函数信号发生器是将输入的电压经过一系列变换后能够输出要求的波形。
图1
总体设计方案：
I首先初步用Protel99SE设计其层次电路图，其目的是利用层次电路图可以从整体上把握电路，加深电路的理解，况且如果要改动电路原理图的某些细节，可以只对相关的底层电路进行修改，而不影响真个电路的结构。
II.接着主要用Multisim进行仿真，可以鲜明的将波形效果表示出来
III.主思路
一般是用能自动产生正弦波、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
IV用protel设计框图
采用自上向下的层次电路原理图设计；
1建立主电路图
5分别设置三个子电路图clk、tri、sin
以上为clk模块图
Tri模块图
Sin模块图
3.提出解决问题的方案及选取
1．方案论证
1）方波-三角波电路
图2所示为产生方波-三角波电路。
工作原理如下：
若a点短开，运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器。
图2方波-三角波产生电路
运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图3所示。
图3方波-三角波波形
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。
2）.三角波→正弦波的变换
三角波→正弦波的变换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、抗干扰能力强等优点。
特别是做直流放大器时，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的非线性。
其非线性及变换原理如图4所示。
1）传输特性曲线越对称，线性区域率越好。
2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区
图4三角波→正弦波的变换原理
图5为三角波→正弦波的变换的电路。
其中RP1调节三极管的幅度，RP2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减少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，以减少滤波分量，改善输出波形。
图5三角波→正弦波变换电路
整个设计电路采用如图6说示其中运算放大器u1和u2用一只双运放UA747，差分放大器采用单入，单出方式，四只晶体管用集成电路差分对管BG139或双三级管2SC9011/9013,取正负电压+12、-12
2.参数计算
由图2分析可知比较器有两个门限电压
其输入信号为方波Uo1时，则输出积分器的电压为
当Uo1=+VCC时
当Uo1=-VEE时
由图3分析有三角波的幅度为
方波-三角波的频率为
由上分析可知：
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。
②方波的输出幅度应等于电源电压。
三角波的输出幅度应不超过电源电压。
电位器RP1可实现幅度上下微调，但会影响波形的频率。
在图5中，比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下：
由于
因此
取R3=10kΩ,则R3+RP1=30kΩ，取R3=20kΩ,RP1为47kΩ的电位器。
取平衡电阻R1=R2//（R3+RP1）≈10kΩ。
因为
当1Hz≤f≤10Hz时，取C2=10μF，则R4+RP2=（75~7.5）kΩ，取5.1kΩ，RP2为100kΩ电位器。
当19Hz≤f≤100Hz，取C2=1μF以实现频率波段的转换，R4、RP2的值不变。
取平衡电阻R5=10kΩ。
三角波→正弦波变换电路的参数选择原则是：
隔直电容C3、C4、C5要取得大，因为输出频率较低，取C3=C4=C5=470μF，滤波电容C6一般为几十皮法至0.1μF。
RE2=100Ω与RP4=100Ω，相并联，以减少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及电阻R*确定。
电路仿真分析：
通过对单元电路的分析，最终我们确定了电路总图，并采用了Multisim对其进行仿真分析，仿真的的具体电路图入图6所示。
首先按照电路原理图连接电路，在电路连接好的基础上将电源接在电路途中，然后检查第一个741的6号角输出端，我们可以得到方法，其峰值达到21.6v时，调节滑动变阻器，可以改变其频率值，在第二个741的号管角的输出端，我们可以得到三角波，其峰值为3.22v，在电路的最末端我们可以得到正弦波，其峰值为726mv，通过调整100欧姆的滑动变阻器我们可以改变其对称性，调整47k的滑动变阻器我们可以改变其值的大小
3方波-三角-正弦波函数发生器电路图
根据以上设计，并将计算结果应用于电路中，整个设计电路采用如图6所示。
其中运算放大器A1、A2用一只双运放LM747，差分放大器采用单入、单出方式，四只晶体管用集成电路差分对管BG319或双三极管2SC9011、9013等。
取电源电压为±12V。
图6方波-三角-正弦波函数发生器电路图
Multisim仿真的效果图
1产生方波
从波形中可以得到方波电压为±0.35V,与理论一样，可得出电路是正确的。
2产生三角波
3产生正弦波
所用元件清单如下图：
元器件名称
大小
单位
数量
集成电路
LM741
2片
电容
470
uf
3个
10
uf
2个
1
uf
1个
0.1
uf
1个
电阻
10
kΩ
3个
20
kΩ
3个
5.1
kΩ
1个
8
kΩ
1个
6.8
kΩ
2个
100
kΩ
1个
2
kΩ
2个
三极管S9011
4个
8.心得体会
1、通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。
在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和其他类型的各种电路原理。
通过对他们的比较和认识，我找到了简单、正确的方法。
2、通过对电路条件的限制，要求我们能更深次地理解各种器件的原理及使用规则，对具体的情况做到正确的判断，提高了我们对书本知识的掌握，也把我们从理论水平提高到实践水平。
3、我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
4、在对各种方案进行排查时，我们才了解到我们现在的知识水平还很有限，需要我们自己拓展，要多看一些关于其他类型的不同的见解。
5、尽管课程设计是在期末才开始，我们的教材学习完毕，掌握许多知识，但是还有很多地方理解领悟不到位，由于对555电路相关章节未能掌握以致用到秒脉冲产生电路无法自行设计，只得参考其他文献，在EWB中试行操作，逐步摸索。
彻悟学海无涯只有苦来作舟，学无止境只有书来作伴。
6、从理论到实践，在这几天学习的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，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。
7、这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，都是很难弄懂的，但我都更加认真的去做，这样才可以不断地提高自己。
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