函数信号发生器课程设计.docx
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函数信号发生器课程设计
函数信号发生器课程设计
目录
1摘要............................................2
2函数信号发生器的设计
课程设计任务书.........................................................................3
2.1设计目的及意义................................4
2.2设计任务及要求................................3
2.3设计步骤......................................4
2.4总体设计思路和总体电路图........................4
2.4.1函数信号发生器设计思路......................4
2.4.2函数信号发生器原理..........................5
2.4.3总体电路图..................................6
2.5单元电路设计与原理说明...........................6
2.5.1方波发生电路的工作原理.......................6
2.5.2方波转三角波电路.............................7
2.5.3三角波转正弦波电路...........................7
2.5.4元器件选择和电路参数计算说明.................7
2.6电路仿真.........................................13
2.6.1测试要求.....................................13
2.6.2仿真结果分析.................................13
2.6.3电路的误差分析与改进.........................15
3心得体会.............................................16
4参考文献资料.........................................16
5附录.................................................17
附录A总电路图附录
附录B元器件清单
附录C集成模块的管脚排列与管脚功能
附录CMultism软件介绍
1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。
2函数信号发生器的设计
课程设计任务书
学生姓名：
徐航专业班级：
电信0906
指导教师：
工作单位：
信息工程学院
题目:
函数发生器的设计仿真与实现
初始条件：
可选元件：
运算放大器，三极管，电阻、电位器、电容若干，直流电源Vcc=+6~12V，
VEE=-6~-12V，或自选元器件。
可用仪器：
示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表等
要求完成的主要任务:
（1）设计任务
根据要求，完成对方波－三角波－正弦波发生器的仿真设计、装配与调试。
（2）设计要求
正弦波Upp≈6V，幅度连续可调，线性失真小。
三角波Upp≈5V，幅度连续可调，线性失真小。
方波Upp≈16V，幅度连续可调，线性失真小。
频率范围：
三段：
10~100Hz，100Hz~1KHz，1KHz~10KHz；
频率控制方式：
压控频率（即VCF）；
输出电量：
电压；
选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。
计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。
（用Proteus画电路原理图并实现仿真）
安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。
时间安排：
1、2011年1月11日至2011年1月15日，完成仿真设计、制作与调试；撰写课程设计报告。
2、2011年1月16日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
2.1设计目的
（1）．学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。
（2）掌握方波—三角波——正弦波函数发生器的原理及设计方法
（3）．学会函数信号发生器的设计方法和性能指标测试方法。
（4）．培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。
设计意义
函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。
在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。
信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。
它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。
2.2设计任务及要点
初始条件：
可选元件：
运算放大器，三极管，电阻、电位器、电容若干，直流电源Vcc=+6~12V，
VEE=-6~-12V，或自选元器件。
可用仪器：
示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表等
要求完成的主要任务:
正弦波Upp≈6V，幅度连续可调，线性失真小。
三角波Upp≈5V，幅度连续可调，线性失真小。
方波Upp≈16V，幅度连续可调，线性失真小。
频率范围：
三段：
10~100Hz，100Hz~1KHz，1KHz~10KHz；
频率控制方式：
压控频率（即VCF）；
输出电量：
电压；
选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。
计算电路元件参数与元件选择、并画总体电路原理图，阐述基本原理。
（用Proteus画电路原理图并实现仿真）
安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。
2.3、设计步骤
（1）．电路图设计
①确定目标：
整个系统是由三个模块组成，分别作为方波、三角波、正弦波的输出。
②系统分析：
根据系统功能，选择各模块所用电路形式。
③参数选择：
根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。
④总电路图：
设计各模块电路，画出总电路图。
（2）.电路仿真
电路设计完成后，用仿真软件Multisim（或Proteus）进行电路的仿真，记录仿真过程，分析仿真结果，对电路进行完善。
电路安装、调试
买原件，进行电路的焊接。
②实物做成以后，给每个运放加上+12v和-12v的偏置电压，调节滑动变阻器，测试输出端信号，以验证每个模块能否达到所规定的指标。
2.4.总体设计思路和总体电路图
2.4.1．函数信号发生器设计思路
①要先产生方波，就必须先用过零比较器和稳压管组成方波产生电路，为调节幅值，则用专用的电压跟随器（方波容易失真产生纹波）隔离方波产生端，再用电位器接在运放输出端调节电压输出幅值。
②产生的方波经RC积分电路后输出，得到三角波，为调节幅值，则用电压跟随器隔离三角波输出端，再用电位器接在运放输出端调节电压输出幅值。
③产生的三角波经二极管折线近似电路实现三角波到正弦波的转换，为调节幅值，则用电压跟随器隔离三角波输出端，再用电位器接在运放输出端调节电压输出幅值。
④通过调节ＲＣ时间常数中的Ｃ实现频段间的转换，调节Ｒ实现连续改变某一频段的频率
2.4.2．函数信号发生器原理
函数信号发生器是一种用来产生特定需要波形信号的装置，比较常见的有方波、三角波、正弦波和锯齿波发生器。
本实验用来产生方波----三角波----正弦波信号。
其中：
1方波发生器：
采用过零比较器与稳压管相结合，实现输出幅值为7.4V的方波。
②方波转三角波电路：
将RC积分电路与运放结合，实现方波转三角波
③三角波转正弦波电路：
通过二极管折线电路实现三角波三角波转正弦波
④幅值调节电路：
通过电压跟随器实现阻抗变换，隔离输入级输出级，再利用电位器调节幅值
2.4.3总体电路图
2.5单元电路设计与原理说明.
2.5.1方波发生电路的工作原理
此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。
RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。
设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+Ut。
Uo通过R3对电容C正向充电，反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。
随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。
Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。
上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。
2.5.2方波转三角波电路
若a点断开，整个电路呈开环状态。
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
2.5．3三角波转正弦波电路
电路中，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。
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
2.5.4元器件选择和电路参数计算说明
参数计算：
为了减少R1上通过的电流，R1选择较大的阻值75kΩ，R3作为限流电阻，为了给与积分电路和R1电阻适当电流而合理选择，在此选为4.7kΩ。
可列方程：
V01V01
所以R2=75kΩ而：
QUOTE
我们想让频率在1k~10kHz内变化，所以Tmin=0.1ms，Tmax=1ms。
在元件库能找到的最大电阻阻值为100kΩ,当考虑T=1ms即QUOTE
=0.25TQUOTE
QUOTE
因为元件库能找到的电阻只有2.2nf，所以C1选为2.2nf同理可确定频率为100~1kHz时需C2=22nf，频率为10~100Hz时需C2=220nf。
在三角波转正弦波电路中，
（Vo1-vo2）R8
为了获得较小的输入电流，选定R5、R6、R7为39kΩ可得Vo3~=2.4VV4和V5分别接+12V，-12V偏置电压。
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，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1
2.6电路仿真
2.6.1测试要求
做的电路仿真要求能得出正确的方波，三角波及正弦波的图形，并且应尽量减少失真，调节合适的频率，振幅等，使最终能得到尽量完美的波形图。
测量的几组频率值也应该和理论值有较小的误差。
2.6.2仿真结果分析
波形记录如下
方波如下
2.6电路仿真
波形记录如下;
方波图如下所示：
此方波时的电容为22nF与2.2nF并联时测得图像
三角波如下
三角波时电容为2222nF与2.2nF并联
正弦波如下：
正弦波如下：
正弦波时没有接入电容
2.6.3电路的误差分析与改进
本实验有很多的误差存在，正弦波失真。
调节R100K电位器RW4，可以将正弦波的失真减小到1%，若要求获得接近0.5%失真度的正弦波时，在6脚和11脚之间接两个100K电位器就可以了。
输出方波不对称，改变RW3阻值来调节频率与占空比，可获得占空比为50%的方波，电位器RW3与外接电容C一起决定了输出波形的频率，调节RW3可使波形对称。
没有振荡。
是10脚与11脚短接了，断开就可以了
产生波形失真，有可能是电容管脚太长引起信号干扰，把管脚剪短就可以解决此问题。
也有可能是因为2030功率太大发热导致波形失真，加装上散热片就可以了。
本次实验的偏置电压为12V，偏大，容易造成功放和电容的损坏，所以我们应该在设计电路时在加一个限流保护的负载来减小电流，保障电路得安全。
五、参考文献资料
◆<<电子线路基础>>,华东师范大学物理系万嘉若,林康运等编著,高等教育出版社◆<<电子技术基础>>,华中工学院电子学教研室编,康华光主编,高等教育出版社。
◆<<电子线路设计>>,（第二版）华中科技大学谢自美主编,华中科技大学出版社.
◆《模拟电子技术》，程开明主编，重庆大学出版社，1992
◆《模拟电子电路分析、设计与仿真》，劳五一、劳佳编著，西安电子科技大学出版社，2007
◆《电子电路分析与设计》，劳五一，劳佳编著，出版社：
清华大学出版社，2007月
附件6：
本科生课程设计成绩评定表
姓名
刘赤利
性别
男
专业、班级
电信0805
课程设计题目：
函数信号发生器的设计仿真与实现
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
附件6：
本科生课程设计成绩评定表
姓名
刘赤利
性别
男
专业、班级
电信0805
课程设计题目：
函数信号发生器的设计仿真与实现
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
Multism简介
Multisim是加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnoligics简称IIT公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
[编辑本段]
multisim10概述
●通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路
●通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为
●借助高级电路分析,理解基本设计特征
●通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试
●通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间
NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。
凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。
借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。
与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。
Multisim2001提供了多种工具栏，并以层次化的模式加以管理，用户可以通过View菜单中的选项方便地将顶层的工具栏打开或关闭，再通过顶层工具栏中的按钮来管理和控制下层的工具栏。
通过工具栏，用户可以方便直接地使用软件的各项功能。
顶层的工具栏有：
Standard工具栏、Design工具栏、Zoom工具栏，Simulation工具栏。
1．Standard工具栏包含了常见的文件操作和编辑操作，如下图所示：
2．Design工具栏作为设计工具栏是Multisim的核心工具栏，通过对该工作栏按钮的操作可以完成对电路从设计到分析的全部工作，其中的按钮可以直接开关下层的工具栏：
Component中的MultisimMaster工具栏，Instrument工具栏。
（1）作为元器件（Component）工具栏中的一项，可以在Design工具栏中通过按钮来开关MultisimMaster工具栏。
该工具栏有14个按钮，每个每一个按钮都对应一类元器件，其分类方式和Multisim元器件数据库中的分类相对应，通过按钮上图标就可大致清楚该类元器件的类型。
具体的内容可以从Multisim的在线文档中获取。
这个工具栏作为元器件的顶层工具栏，每一个按钮又可以开关下层的工具栏，下层工具栏是对该类元器件更细致的分类工具栏。
以第一个按钮为例。
通过这个按钮可以开关电源和信号源类的Sources工具栏如下图所示：
（2）Instruments工具栏集中了Multisim为用户提供的所有虚拟仪器仪表，用户可以通过按钮选择自己需要的仪器对电路进行观测。
3．用户可以通过Zoom工具栏方便地调整所编辑电路的视图大小。
4．Simulation工具栏可以控制电路仿真的开始、结束和暂停。
第二节Multisim对元器件的管理
EDA软件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的准确性都直接决定了该EDA软件的质量和易用性。
Multisim为用户提供了丰富的元器件，并以开放的形式管理元器件，使得用户能够自己添加所需要的元器件。
Multisim以库的形式管理元器件，通过菜单Tools/DatabaseManagement打开DatabaseManagement（数据库管理）窗口（如下图所示），对元器件库进行管理。
在DatabaseManagement窗口中的Daltabase列表中有两个数据库：
MultisimMaster和User。
其中MultisimMaster库中存放的是软件为用户提供的元器件，User是为用户自建元器件准备的数据库。
用户对MultisimMaster数据库中的元器件和表示方式没有编辑权。
当选中MultisimMaster时，窗口中对库的编辑按钮全部失效而变成灰色，如下图所示。
但用户可以通过这个对话窗口中的ButtoninToolbar显示框，查找库中不同类别器件在工具栏中的表示方法。
据此用户可以通过选择User数据库，进而对自建元器件进行编辑管理。
在MultisimMaster中有实际元器件和虚拟元器件，它们之间根本差别在于：
一种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件，在设计中选用此类器件，不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性，还可以直接将设计导出到Ultiboard中进行PCB的设计。
另一种器件的参数值是该类器件的典型值，不与实际器件对应，用户可以根据需要改变器件模型的参数值，只能用于仿真，这类器件称为虚拟器件。
它们在工具栏和对话窗口中的表示方法也不同。
在元器件工具栏中，虽然代表虚拟器件的按钮的图标与该类实际器件的图标形状相同，但虚拟器件的按钮有底色，而实际器件没有，如下图所示。
从图中可以看到，相同类型的实际元器件和虚拟元器件的按钮并排排列，并非所有的是元器件都设有虚拟类的器件。
在元器件类型列标中，虚拟元器件类的后缀标有Virtual，如下图所示：
第三节输入并编辑电路
输入电路图是分析和设计工作的第一步，用户从元器件库中选择需要的元器件放置在电路图中并连接起来,为分析和仿真做准备。
一、设置Multisim的通用环境变量
为了适应不同的需求和用户习惯，用户可以用菜单Option/Preferences打开Preferences对话窗口，如下图所示。
通过该窗口的6个标签选项，用户可以就编辑界面颜色、电路尺寸、缩放比例、自动存储时间等内容作相应的设置。
以标签Workspace为例，当选中该标签时，Preferences对话框如下图所示：
在这个对话窗口中有3个分项：
1．Show：
可以设置是否显示网格，页边界以及标题框。
2．Sheetsize：
设置电路图页面大
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