模拟电子技术课程设计信号发生器.docx

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模拟电子技术课程设计信号发生器

模拟电子技术课程设计

CourseProjectofAnalogElectronics

方波、三角波、正弦波

信号发生器设计

课程名称：

模拟电子技术课程设计

专业：

M09电气工程及其自动化

（2）班

学号：

0921116070

姓名：

指导教师：

赵国树

时间：

2010.12.20~2010.12.30

一、绪论……………………………………………………………3

1.1相关背景知识……………………………………………………………3

1.2课程设计条件……………………………………………………………4

1.3课程设计目的……………………………………………………………4

1.4课程设计的任务…………………………………………………………5

1.5课程设计的技术指标……………………………………………………5

二、信号发生器的基本原理………………………………………5

2.1原理框图…………………………………………………………………5

2.2总体设计思路……………………………………………………………5

三、各组成部分的工作原理………………………………………6

3.1方波产生电路……………………………………………………………6

3.1.1方波产生电路图……………………………………………………6

3.1.2方波产生电路的工作原理…………………………………………6

3.2方波到三角波转换电路…………………………………………………7

3.2.1方波到三角波转换电路图…………………………………………8

3.2.2方波到三角波转换电路的工作原理………………………………8

3.2.3方波到三角波转换电路参数的计算……………………………10

3.3三角波到正弦波转换电路………………………………………………10

3.3.1三角波到正弦波转换电路图………………………………………10

3.3.2三角波到正弦波转换电路的工作原理……………………………11

3.3.3三角波到正弦波转换电路参数的计算……………………………12

3.4总电路图…………………………………………………………………13

四、电路仿真结果…………………………………………………14

4.1方波产生电路的仿真结果………………………………………………14

4.2三角波产生电路的仿真结果……………………………………………15

4.3正弦波产生电路的仿真结果……………………………………………16

4.4三角波——正弦波产生电路的仿真结果………………………………17

4.5方波——三角波产生电路的仿真结果…………………………………18

4.6方波——三角波——正弦波产生电路的仿真结果……………………19

4.7仿真结果分析……………………………………………………………20

五、设计结果分析与总结…………………………………………20

六、附录一——元件参数的简单介绍……………………………20

七、附录二——参考文献…………………………………………22

一、绪论

1.1相关背景知识

信号发生器是一种能够产生多种波形,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，可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。

信号发生器是工业生产、产品开发、科学研究等领域必备的工具，它产生的锯齿波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本测试信号。

在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波信号产生器作为时基电路。

例如，要在示波器荧光屏上不失真地观察到被测信号波形，要求在水平偏转线圈上加随时间线性变化的电压——锯齿波电压，使电子束沿水平方向匀速搜索荧光屏。

对于三角波，方波同样有重要的作用，而函数信号发生器是指一般能自动产生方波、正弦波、三角波以及锯齿波阶梯波等电压波形的电路或仪器。

因此，建议开发一种能产生方波、正弦波、三角波的信号发生器。

信号发生器根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。

也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。

随着电子技术的快速发展，新材料新器件层出不穷，开发新款式函数信号发生器，器件的可选择性大幅增加，例如ICL8038就是一种技术上很成熟的可以产生正弦波、方波、三角波的主芯片。

所以，可选择的方案多种多样，技术上是可行的。

Relatedbackgroundknowledge

Thesignalgeneratingdeviceisonekindcanhavemanykindsofprofiles,likethetriangularwave,thesaw-toothwave,therectangularwave（includingsquare-wave）,thesinewaveelectriccircuitarecalledthefunctionsignalgeneratingdevice.Thefunctionsignalgeneratingdevicehastheverywidespreaduseintheelectriccircuitexperimentandtheequipmentexamination,mayuseinproducingthetest,theinstrumentserviceandthelaboratory,butalsowidespreaduseinothertecharea,likemedicine,education,chemistry,communication,geophysics,industrialcontrol,militaryandastronavigationandsoon.

Thesignalgeneratingdeviceistheindustrialproduction,theproductdevelopment,thescientificresearchandsoondomainnecessarytools,itproducesthesaw-toothwaveandthesinewave,therectangularwave,thetriangularwavearethecommonlyusedbasicspikes.Ininstrumentsandsoonoscilloscope,television,tocausetheelectronaccordingtocertainrulemovement,usesthefluorescentscreendisplayimage,ChangYongdaothesaw-toothwavesignalproducertakesthetimebasecircuit.Forexample,mustobservenotdistortedontheoscilloscopefluorescentscreenismeasuredthewaveform,requeststoaddinthehorizontaldeflectioncoilalongwiththetimelinearvariationvoltage--denticlewavevoltage,causestheelectronbeamalongthehorizontaldirectionuniformspeedsearchfluorescentscreen.Regardingthetriangularwave,thesquare-wavehasthevitalrolesimilarly,butthefunctionsignalgeneratingdeviceisreferstocanhavevoltagewaveformtheautomaticallygenerallyandsoonsquare-wave,sinewave,triangularwaveaswellassaw-toothwavestepwaveelectriccircuitsortheinstrument.Therefore,suggestedthatdevelopsonekindtobeabletohavethesquare-wave,thesinewave,thetriangularwavesignalgeneratingdevice.

Thesignalgeneratingdevicebasisuseisdifferent,hasproducesthreekindormanykindsofprofilefunctiongenerators,initselectriccircuitusesthecomponentmayseparatesthecomponent,mayalsobetheintegrateddevice,hasthesquare-wave,thesinewave,thetriangularwaveplantohavemanykinds,ifhasthesinewavefirst,assumessomekindofdefinitefunctionalrelationsaccordingtotheperiodicnonsinewaveandthesinewave,thentransformsthroughthewaveshapingcircuitthesinewaveasthesquare-wave,afterpassingthroughtheintegratedcircuit,becomesthetriangularwaveit.Mayalsohavethetriangularwave-square-wavefirst,andthentransformsthetriangularwaveorthesquare-waveasthesinewave.Alongwithelectronictechnology'sfastdevelopment,thenewmaterialnewcomponentemergesoneafteranotherincessantly,developsthenewdesignfunctionsignalgeneratingdevice,thecomponentmaytheselectivityincreaselargely,forexampleICL8038isinonekindoftechnologyverymaturemayhavethesinewave,thesquare-wave,thetriangularwavemainchip.Therefore,maychoosetheplanaremanyandvaried,inthetechnologyisfeasible.

1.2课程设计条件

模拟电子技术基础知识、C304，C306实验室、仿真软件（Multisim10.0）。

1.3课程设计目的

①巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。

②培养根据课题需要选学参考书籍,查阅手册、图表和文献资料的自学能力。

通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。

③通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件；初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。

④了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。

培养严肃、认真的工作作风和科学态度。

⑤掌握电子系统的一般设计方法。

⑥掌握模拟IC器件的应用

⑦掌握EDA软件Multisim10.0的应用。

⑧培养综合应用所学知识来指导实践的能力。

1.4课程设计的任务

①设计一个方波、三角波、正弦波函数发生器

②能同时输出一定频率一定幅度的三种波形：

正弦波、方波和三角波

③用±12V电源供电

1.5课程设计的技术指标

①设计、组装、调试信号发生器；

②输出波形：

正弦波、方波、三角波；

③频率范围在10Hz~10000Hz范围内可调；

④输出电压方波UP-P≤24V、三角波UP-P=8V、正弦波UP-P≥1V

二、信号发生器的基本原理

2.1原理框图

图一函数信号发生器原理图

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。

2.2总体设计思路

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）。

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电路设计方法，

本课题中函数发生器电路组成框图如图一所示。

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，抗干扰能力较强等优点。

特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，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。

三、各组成部分的工作原理

3.1方波产生电路

3.1.1方波产生电路图

图二方波产生电路图

方波产生电路是可以直接产生方波或者矩形波的非正弦信号发生电路。

由于方波或者矩形波中包含丰富的谐波，所以又叫多谐振荡电路。

3.1.2方波产生电路的工作原理

用迟滞比较器构成的方波产生电路如图二所示，图中，Rf和C为定时元件，构成积分电路它把输出电压反馈到集成运算放大器的反向端，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。

比较器主要部件为UA741芯片。

当VO=VOH=+VZ时,电容C充电，电流流向如图2（a）所示，电容两端电压VC不断上升，而此时同相端电压为上限门VT+。

当VC＞VT+时，输出电压变为低电平VO=VOH=-VZ使同向端电压变为下限门电压VT-，然后电容C开始放电，电流流向如图2（b）所示，电容上的电压不断降低，当VC降低到VC＜VT-时，VO又变为高电平VOH,电容又开始充电但是，上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

由

、

可知：

图三输出电压与电容器电压波形图

由上式可以解得

又由

可得

设T为方波的周期，当t=T/2时，vC（T/2）=FVZ，代入上式，可得

对T求解，可得

当1+2R2/R1=e时，可使F=0.462，则振荡周期可简化为T=2RfC，或振荡频率为：

3.2方波到三角波转换电路

3.2.1方波到三角波转换电路图

图四方波到三角波转换电路图

3.2.2方波到三角波转换电路的工作原理

图四所示的电路能自动产生方波—三角波。

电路工作原理若下：

若a点断开，运放741与R1、R2及R3、RP1组织成比较器，R1成为平衡电阻，运放的反相端接基准电压，及U—=0，同相端接输入电压Uia；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+VCC跳到低电平-VEE，或从低电平-VEE跳到高电平+VCC。

设UO1=+VCC，则

……………⑴

式子中，RP1指的是电位器。

将上式整理，得比较器翻转的下门限电位为:

……………………⑵

若UO1=-VEE，则比较器翻转的上门限电位为：

……………………⑶

比较器的门限宽度为：

……………………⑷

由式⑴~⑷可以得出比较器的电压传输特性，如下图所示：

图五比较器的电压传输特性

当开关J1与C2相连时，运放741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

时

时

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，其波形关系下图所示。

图六方波和三角波的波形

当开关J1与C1相连时，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

…………………………………[1]

方波-三角波的频率f为

………………………………[2]

由以上[1][2]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，RP2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。

3.电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波—三角波的频率。

3.2.3方波到三角波转换电路参数的计算

设计中用741运算放大器，因为方波的幅度接近电源电压+VCC=+12V，-VEE=-12V。

比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下。

由

得：

取R2=10kΩ，则R3+RP1=40kΩ，取R3=20kΩ，RP1为47kΩ的电位器。

平衡电阻R1=R2∥（R3+RP1）=8kΩ，取R1=8.2kΩ

由

得R5+RP2=（R3+RP1）/（4fC2R2）

当100Hz≤f≤1kHz时，取C2=0.1μF，则10kΩ

取平衡电阻R7=10kΩ。

3.3三角波到正弦波转换电路

3.3.1三角波到正弦波转换电路图

图七三角波到正弦波转换电路图

3.3.2三角波到正弦波转换电路的工作原理

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：

（式中a=IC/IE≈1）

（式中a=IC/IE≈1）

I0—差分放大器的恒定电流；

—温度的电压当量，当室温为25o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。

波形变换过程如下图：

图八三角波——正弦波变换

为使输出波形更接近正弦波，由图可见：

（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）图为实现三角波——正弦波变换的电路。

其中RP3调节三角波的幅度，RP4调整电路的对称性，其并联电阻R10用来减小差分放大器的线性区。

电容C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分波形量，改善输出波形。

3.3.3三角波到正弦波转换电路参数的计算

※差分放大器元件参数确定：

取R16=R17=10kΩ，R7=R11=6.8kΩ，取I0=1.1mA,而

I0=（R17/R16）IREF…………………………………

（1）

IREF=（VEE-VBE）/（R17+R15）=（12-0.7）/（R17+R15）…………………

（2）

取R17=20kΩ，R15=40kΩ,代入

（2），得IREF=0.188mA，将IREF=0.188mA代入

（1），得R16=3.42kΩ。

※三角波——正弦波变换电路的参数选择原则：

隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率不是很大，取C3=47μF，C4=C5=470μF，滤波电容C6视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，C6可取得较小，C6一般为几十皮法至0.1微法。

这里取C6=0.1μF,R10=100Ω与RP4=100Ω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R15确定。

3.4总电路图

四、电路仿真结果

4.1方波产生电路的仿真结果

上图所示为开关打到C2=0.1μF时的情况，此时f≈207Hz，V≈22V。

上图所示为开关打到C1=0.01μF时的情况，此时f≈1724Hz，Vp-p≈22V。

4.2三角波产生电路的仿真结果

上图所示为开关打到C2=0.1μF时的情况，此时f≈207.43Hz。

上图所示为开关打到C1=0.01μF时的情况，此时f≈1724Hz。

4.3正弦波产生电路的仿真结果

上图所示为开关打到C2=0.1μF时的情况，此时f≈214Hz，V≈1.2V。

上图所示为开关打到C1=0.01μF时的情况，此时f≈2000Hz，Vp-p≈1V。

4.4方波——三角波产生电路的仿真结果

上图所示为开关打到C2=0.1μF时的情况，此时f≈207Hz。

上图所示为开关打到C1=0.01μF时的情况，此时f≈1724Hz。

4.5三角波——正弦波产生电路的仿真结果

上图所示为开关打到C2=0.1μF时的情况，此时f≈207.43Hz。

上图所示为开关打到C1=0.01μF时的情况，此时f≈1724Hz。

4.6方波——三角波——正弦波产生电路的仿真结果