模拟电子电路课程设计-函数发生器设计.doc

模模 拟拟 电电 子子 电电 路路课程设计课程设计课程设计名称课程设计名称： ： 函数函数发发生器生器设计设计姓姓 名：名： 学学 号号： ： 班班 级级： ： 课程设计时间课程设计时间： ： 2011.12.15 目目 录录一、函数发生器的总方案及原理框图一、函数发生器的总方案及原理框图1、电路设计原理框图2、电路设计方案设计二、设计的目的及任务二、设计的目的及任务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 三、三、 各部分电路设计各部分电路设计1、方波发生电路及工作原理2、方波---三角波转换电路的工作原理：1）基本电路2）电路原理3）电路仿真3、三角波---正弦波转换电路的工作原理 1）基本电路2）电路原理3）电路仿真四、实验总结四、实验总结五、参考文献一、函数发生器的总方案及原理框图一、函数发生器的总方案及原理框图1、电路设计原理框图2、电路设计方案设计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。

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的基本结构是比例放大器，对不同区段内比例系数的切换，是通过二级管网络来实现的如输出信号的正半周内由 D1~D3 控制切换，负半周由 D4~D6 控制切换电阻 Rb1~Rb3 与 Ra1~Ra3 分别组成分压器，控制着各二极管的动作电平二、设计的目的及任务二、设计的目的及任务1、课程设计的目的(1)掌握用集成运算放大器构成正弦波、方波和三角波函数发生器的设计方法2)学会安装、调试与仿真由分立器件、调试与仿真由分立器件与集成电路组成的多级电子电路小系统2、课程设计的任务与要求(1)输出波形：方波、三角波、正弦波2)频率范围 ：在 1 Hz－10Hz，10 Hz -100 Hz,100 Hz -1000 Hz 等三个波段。

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 UＰ－Ｐ≤24V，三角波 UＰ－Ｐ＝8V，正弦波 UＰ－Ｐ>1V5)合理的设计硬件电路，说明工作原理及设计过程，画出相关的电路原理图6)选用常用的电器元件（说明电器元件选择过程和依据） 7)画出设计的原理电路图，作出电路的仿真8)提交课程设计报告书一份，A3 图纸两张，完成相应答辩3、课程设计的技术指标 三、三、 各部分电路设计各部分电路设计1、方波发生电路及工作原理假设 t=0 时电容 C 上的电压 Uc=0,而滞回比较器的输出端为高电平,即 Uo=+Uz.则集成运放同相输入端的电压为输出电压在电阻 R1,R2 上分压的结果, 即： U+=R1*Uz/(R1+R2) 此时输出电压+Uz将通过电阻 R 向电容 C 充电,使电容两端的电压 Uc 升高,而 此电容两端的电压接到集成运放的反向输入端,即 Uc=U_.当电容上的电压上升 到 U-=U+时,滞回比较器的输出端将发生跳转,由高电平跳变为低电平,使 Uo=-Uz,于是集成运放同相输入端的电压也立即变为 U+=-R1*Uz/(R1+R2),然后又重复刚才 过程.如此电容反复地进行充电放电,滞比较器的输出端将再次发生跳转,于是 产生了正负交替矩形波. 2 2、、方波---三角波转换电路的工作原理：1）基本电路R112354U1R2 R350%Rp1R450%Rp212354U2C1R172）电路原理工作原理如下：若 a 点断开，运算发大器 A1 与 R1、R2 及 R3、RP1 组成电压比较器，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由计算可以得到以下结论：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 C1 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3）电路仿真方波---三角波发生电路的仿真与调试 1.安装方波——三角波产生电路 2. 把两块 741 集成块插入面包板，注意布局；3. 分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法； 4. 按图接线，注意直流源的正负及接地端 首先我接入了 47k 的滑动变阻器，接入电源后，用示波器进行双踪观察；发现 波形正常，但是通过频率计的测试，发现频率较低，并且可调范围较窄，故不 能符合要求，因此我尝试了 45k、100k、250k、500k 以及其以上的电阻，发现 滑动变阻器太大也不会有较大变化，因此我选用了后两种，但是后来调电容的 时候，发现 500k 的比较适合！同理，电容也经过这个过程，我从 0.01uf 开始 以一定的宽度调节，最终发现，频率太小或太大都会导致波形失真，经过反复 比较，最终选定了 1uf、10nf、100nf 这个范围最为合适！且波形较好。

在调好 频率之后，想到调整幅度，通过反复更换 R2、R3、R4 发现没有显著的变化，故 而改变稳压管以及直流电源，最终使幅度达到要求！ 第一：我们使用滞回比较器和积分器组合电路，他们互为输入，故而只需要调 整滑动变阻器就可以调整出相应的波形，频段的调节由电容决定，我们要求做 三个频段的频率，因此每要求一个频段，就选择相应的电容，打下相应的开关， 结果如下表所示方波发生器的波形三角波发生器波形 这个波形是方波和三角波同时发生并显示在同一示波器上，两个发生器是互相 互为输入的故而他们的波也是相互影响的，调整效果时，只需调示波器即可 效果如图：方波三角波发生器波形3、三角波---正弦波转换电路的工作原理 1）基本电路2）电路原理三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成 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，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曲线的非线性分析表明，传输特性曲线的表达式为：0 22/1idTCEUUaIIaIe0 11/1idTCEUUaIIaIe式中 /1CEaII——差分放大器的恒定电流；0I——温度的电压当量，当室温为 25oc 时，UT≈26mV。

TU如果 Uid 为三角波，设表达式为4 443 4mid mUTtTUUTtT022TtTtT  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，由图可见：传输特性曲线越对称，线性区越窄越好； 三角波的幅度 Um 应正好使晶体管接近饱和区或截止区 图为实现三角波——正弦波变换的电路其中 Rp1 调节三角波的幅度，Rp2 调整电路的对 称性，其并联电阻 RE2 用来减小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，以滤除谐波分量，改善输出波形C4-12VVCCR5R6R7R8R9R11-12VVCCR1250%R13C5C2R14IO2三角波—正弦波电路的参数选择及计算 1.方波-三角波中电容 C1 变化（关键性变化之一） 实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将 C1 从 10uf（理论时可出来波形） 换成 0.1uf 时，顺利得出波形实际上，分析一下便知当 C1=10uf 时，频率很低，不容易 在实际电路中实现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。

223141 123O mCCUR RRPV即 223141 123O mCCUR RRPV取 ，则，取 ，RP1 为 47KΩ 的点位器区平210RK3130RRPK320RK衡电阻1231//()10RRRRPK由式即31 41 224RRPRRPRC当时，取，则，取，为110ZHf210CF42(75~ 7.5)RRPk45.1Rk100KΩ 电位器当时 ，取以实现频率波段的转换，R4 及10100ZHf21CFRP2 的取值不变取平衡电阻510Rk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345470CCCF6C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=1006C6C欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区差分放大器的几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3）电路仿真三角波---正弦波转换电路的仿真与调试 1.绘制三角波——正弦波变换电路 在面包板上接入比例放大电路，注意各电阻对应和接线；由于此电路来 源于现学课本，因此只要根据要求的幅度计算各电阻值即可。

2.调试三角波——正弦波变换电路 由于计算值有小数，故而要对数值进行近似，可能近似的当，在电阻方面， 没有太多的调整我们使用的是折线法，因此正弦波会不很光滑，这也是正常的，因为输入 的三角波并不是如同发生器中的波形那么标准，故而会有些平滑，另一个原因 是我采用的是七点折线计算，选点不多会有不少误差 在选定好相应的电容之后，要想调多大的频率，只需要调整滑动变阻器就可 以了至于波形美观性，我们可以调整示波器的水平比例 与竖直比例，原理就2 2 31O mCCRUVRRP3124224()RRPfR RRP C是改变加在示波器中的电压，从而使相应的扫描变宽如果波形有些失真，可 以通过改变相应的比例放大器中各电阻的比率，从而改变效果此波图是三角 波与正弦波同时在一个示波器中显示，即三角波转换成正弦波的效果图三角波转换成正弦波图四、实验总结四、实验总结通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，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。

这次课程设计让我认识到设计是让我们提升动手能力的绝好机会，这也能 让我们可以把以前学到的理论知识在实践中得到认证，我期盼在今后的课程中 能得到更多像这样的机会让同学们得到锻炼同时通过这次对函数波形发生器 的设计与制作，让我更加了解了一些设计电路的程序，也让我了解了关于函数 波形发生器的原理与设计理念，设计一个电路时只有先通过仿真，仿真成功之 后再实际接线使我了解了 Protel，multisim 等软件及其运用，这次设计还使我认识到，电路设计需要耐心，需要一种整体的思维，而且遇到点问题很正常，关键要学会分析问题，善于解决问题，很多东西要弄懂弄透，。