模电多种波形发生器.docx

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模电多种波形发生器

辽宁工业大学

模拟电子技术基础课程设计（论文）

题目：

函数信号发生器的设计与制作

院（系）：

工程技术学院

专业班级：

电气工程及自动化

学号：

11

学生姓名：

吴小强

指导教师：

（签字）

起止时间：

2013.06.24—2013.07.5

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

工程技术学院教研室：

电子信息工程

学号

111902011

学生姓名

吴小强

专业班级

电气工程及自动化

课程设计题目

函数信号发生器的设计与制作

课程设计（论文）任务

设计任务：

1.波形的产生及变换电路是应用极为广泛的电子电路，现设计并制作能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的函数发生器。

2.设计电路所需的直流稳压电源。

功能要求：

1.输出的各种波形工作频率范围0.02Hz～1kHz连续可调。

2.正弦波幅值±18V，失真度小于3％。

3.方波幅值±18V。

4.三角波幅值18V；各种输出波形幅值均连续可调。

设计要求：

1.分析设计要求，明确性能指标。

必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。

2.确定合理的总体方案。

对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。

3.设计各单元电路。

总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

4.组成系统。

在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

指导教师评语及成绩

成绩：

指导教师签字：

年月日

摘要

在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。

随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。

用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。

信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。

能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。

例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。

在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功或大或小、频率或高或低的振荡器。

函数信号发生器的实现方法通常有以下几种:

（1）用分立元件组成的函数发生器：

通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。

（2）可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。

早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。

　　（3）利用单片集成芯片的函数发生器：

能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试.（4）利用专用直接数字合成ＤＤＳ芯片的函数发生器：

能产生任意波形并达到很高的频率。

但成本较高。

一、设计要求2

二、设计的作用、目的2

三、性能指标2

四、设计方案的选择及论证3

五、函数发生器的具体方案3

1.总的原理框图及总方案3

2.各组成部分的工作原理3

2.1方波发生电路3

2.2角波发生电路3

2.3正弦波发生电路3

2.4直流稳压电源的设计………………………………3

2.5方波---三角波转换电路的工作原理3

2.6三角波—正弦波转换电路工作原理3

3.总电路图3

六、实验结果分析3

七、实验总结3

八、参考资料3

函数信号发生器设计报告

一、设计要求

1.用集成运放组成正弦波、方波和三角波发生器。

2.幅值和频率自定义。

3.正弦波、方波和三角波的幅值、频率可调。

二、设计的作用、目的

1.掌握函数信号发生器工作原理。

2.熟悉集成运放的使用。

3.熟悉Multisim软件。

三、性能指标

1．输出波形：

正弦波、方波、三角波等；

2．频率范围：

0.02～100HZ

3．输出电压：

方波U=18,三角波U=18V,正弦波U=18V；

四、设计方案的选择及论证

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8038）。

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。

方案一：

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过积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。

方案二：

文氏桥振荡器产生正弦波输出，用集成运放构成电压比较器，将正弦波信号变换成方波信号输出。

用运放构成积分电路，将方波信号变换成三角波信号输出。

方案二同方案一比较，对于三角波的产生有一定的麻烦，因为题目需要频率为连续可调，但幅度稳定性难以达到要求；方案一由于采用运算放大器组成积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波线性大为改善。

由此，本设计采用方案一

五、函数发生器的具体方案

总体设计方案及框图

多波形信号发生器方框图如图1.1所示。

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。

并采用先产生方波—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。

设计差分放大器时，传输特性曲线要对称、线性区要窄，输入的三角波的的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

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。

2.各组成部分的工作原理

2.1方波发生电路

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式RC电路进行充电和放电，于是电容上的电压降升高或降低，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模型如图5-1和5-2所示

图5-1

图5-1

图5-1方波发生电路仿真模拟

2.2三角波发生电路

在产生方波之后，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形式，所以线性度较差，为了能得到线性度较好的三角波，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模型如图5-2所示：

图5-2

图5-2

　　　　图5-2　三角波发生电路仿真模拟　　

2.3　正弦波发生电路

　利用差分放大器传输特曲线的非线性，将三角波信号转化成正弦波信号。

其传输特性曲线越对称，线性区越窄越好，三角波的幅值Ｕpp应正好使晶体管接近饱和区和截止去。

正弦波发生电路仿真电路模型如图5-3所示：

图5-3

图5-3

方波仿真图如下　

三角波仿真图如下

正弦波仿真图如下

2.4直流稳压电源设计

电源电压由220v交流电源组成外加3个三极管2个9013一个8050组成的输出串联型稳压电源的实验电路图。

其中整流部分采用了4个二极管组成的桥式整流器，型号为1N4007,。

滤波电容C1、C2一般选取几百至几千微法。

当稳压器距离蒸馏滤波电路较远时，在输入端必须接入电容器C3，以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。

输出端电容C4用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。

2.5方波---三角波转换电路的工作原理

图5-7为方波-三角波转换电路，其中运算放大器用双运放器741－DIV

　　　　　　　　图5-7

参数选择：

在电容C1、C2处放置了选择开关，可以满足课设要求的两个频率范围1～10Hz、10～100Hz：

当需要1～10Hz时，开关选择C2=1μF，取

，RP2为100Ω电位器；

当需要10～100Hz时，取C2=100nF，以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。

平衡电阻

。

工作原理如下：

若a点断开，运算发大器A1（左）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A2（右）与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1,则积分器的输出电压Uo2为

　当

时，

当

时，

若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。

三角波的幅度为：

方波-三角波的频率f为：

由此可见积分器在输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如下图５－８所示

方波-三角波的频率f为：

　　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。

2.6三角波—正弦波转换电路工作原理

　　　　　　　　图5-9

参数选择：

隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取

，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。

RE2=100欧与RP4=100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及电阻R6确定。

图5-10

分析表明，传输特性曲线的表达式为：

上式中：

；

—差分放大器的恒定电流；

—温度的电压当量，当室温为25℃时，UT≈26mV。

如果Uid为三角波，设表达式为

式中：

Um—三角波的幅度；T—三角波的周期。

为使输出波形更接近正弦波，由图5-10可知：

（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.总电路图

图5-11

六、实验结果分析

比较器与积分器组成正反馈闭环电路，方波、三角波同时输出。

电位器Rp1与Rp2要事先调整到设定值，否则电路可能会不起振。

只要接线正确，接通电源后便可输出方波、三角波。

微调Rp1，使三角波的输出幅度满足设计要求，调节Rp2，则输出频率在对应波段内连续可变。

调整RP4及电阻R7，可以使传输特性曲线对称。

调节Rp3使三角波的输出幅度经Rp3输出等于Uidm值，这时输出波形应接近正弦波，调节C6的大小可改善波形。

因为运放输出级由PNP型与NPN型两种晶体管组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，导通时受输出电阻的影响，使方波输出值小于电源电压值，故方波输出电压Up-p≤2Vcc。

方波的上升时间tr主要受运算放大器转换速率的限制。

实验中若波形幅值太小，可适当添加一个放大电路以达到课设要求。

作品展览

七、实验总结

本课题根据设计中要实现的功能，经过自己认真地分析、实践，确立方案，书写文档，设计出电路，在设计过程中翻阅了大量资料，通过对所得的各种资料的综合分析，提炼出自己需要的信息，从而提高自己的分析能力；通过对主要技术指标的分析，认真体会了设计时的各项技术政策；通过对设计时出现的各种问题的分析与解决，锻炼了独立分析，进行工程设计的能力；通过对电路设计中的某些问题的较为深入的探索，培养了自己的科研工作能力；通过设计论文的书写，进一步锻炼了绘图技巧，文字表达能力和对工作的认真态度。

当然，在设计中遇到了一些实际困难，通过本人及同组同学多次查找参考资料，以及指导老师的悉心讲解，终于豁然开朗；通过这次设计不仅巩固了本专业的知识，加深了对课本知识的理解，为本人在这一学期所学专业知识做了一个系统的把握。

八、参考资料

[1]彭介华.电子技术课程设计指导[M].：

高等教育出版社

[2]孙梅生，李美莺，徐振英.电子技术基础课程设计[M].：

高等教育出版社

[3]梁宗善.电子技术基础课程设计[M].：

华中理工大学出版社

[4]张玉璞，李庆常.电子技术课程设计[M].：

北京理工大学出版社

[5]薛鹏骞，梁秀荣.电子设计自动化技术实用教程[M].：

中国矿业大学出版社