函数发生器的设计报告.docx

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函数发生器的设计报告

电子实习报告

-------函数发生器的设计

绪论

能产生多种波形，如三角波、锯齿波、方波、正弦波的电路被称为函数信号发生器，又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有广泛的应用。

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），视频信号和脉冲信号运载出去，就需要产生高频振荡器。

作为基础测量仪器的信号发生器随着用户的需求而不断发展。

信号源实质上就是一个扫频示波器或合成信号源，并具有基本的调制功能。

现在是数字化时代，研发或其他人员对测量仪器是最基本的工具，测量仪技术指标上也不断提高。

如精度高、工作频带宽、误差小等。

能够满足不同层次用户的测试要求。

近几年，数字化仪器在迅速发展，我国也在不断研究推出各种新型数字化仪器。

目前使用的信号发生器大部分是利用AT89S51单片机构成的发生器，但本次设计要求采用分立元件产生正弦波、方波、三角波。

电路的原理部分的设计，可以是先设计单元电路，然后用仿真软件模拟，等到各个单元都设计完成后，再将各个单元结合到一起，由仿真软件模拟是否符合制作要求。

本次设计就是按照这样的思路来进行一步一步的分析：

首先按照设计的方案选择具体的元件，画出仿真图，并对仿真图进行调试，观察效果并与课题要求的性能指标作对比，最后分析出现误差的原因以及影响因素。

在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。

1函数发生器的总方案及原理框图

1.1电路设计原理框图

1.2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。

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）。

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。

2设计的目的、任务及时间安排

2.1课程设计的目的

1．掌握电子系统的一般设计方法

2．掌握模拟IC器件的应用

3．培养综合应用所学知识来指导实践的能力

4．掌握常用元器件的识别和测试

5．熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法

2.2课程设计的任务与要求

设计构成正弦波、方波、三角波的函数发生器先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变成方波，再由积分电路将方波变成三角波。

2.3课程设计的技术指标

1．设计、组装、调试函数发生器；

2．输出波形：

正弦波、方波、三角波；

3．频率范围：

在10－10000Hz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。

2.4时间安排

时间

任务安排

5月27日（星期一）

资料的查找

5月28日（星期二）

学习设计原理

5月29日（星期三）

焊接

5月30日（星期四）

调试

5月31日（星期五）

发现问题并解决

3各部分电路设计

3.1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，如图中实线箭头所示。

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。

3.2方波---三角波转换电路的工作原理

方波—三角波产生电路

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。

设Uo1=+Vcc,则

将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为

若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为

比较器的门限宽度

由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-71所示。

a点断开后，运放A2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。

a点闭合，既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。

3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理

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：

式中　　

——差分放大器的恒定电流；

——温度的电压当量，当室温为25oc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。

三角波—正弦波变换电路

3.4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C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.47uf时，顺利得出波形。

实际上，分析一下便知当C2=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。

由式（3-61）得

即

取

，则

，取

，RP1为47KΩ的点位器。

区平衡电阻

由式（3-62）

即

当

时，取

，则

，取

，为100KΩ电位器。

当

时，取

以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。

取平衡电阻

。

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。

3.5总电路图

4电路的安装与调试

4.1方波---三角波发生电路的安装与调试

（一）安装方波——三角波产生电路

1.把两块741集成块插入面包板，注意布局；

2.分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；

3.按图接线，注意直流源的正负及接地端。

（二）调试方波——三角波产生电路

1.接入电源后，用示波器进行双踪观察；

2.调节RP1，使三角波的幅值满足指标要求；

3.调节RP2，微调波形的频率；

4.观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装。

4.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试

（一）按装三角波——正弦波变换电路

1.在面包板上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线；

2.搭生成直流源电路，注意R*的阻值选取；

3.接入各电容及电位器，注意C6的选取；

4.按图接线，注意直流源的正负及接地端。

（二）调试三角波——正弦波变换电路

1.接入直流源后把C4接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点；

2.测试V1、V2的电容值，当不相等时调节RP4使其相等；

3.测试V3、V4的电容值，使其满足实验要求；

4.在C4端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压；

4.3总电路的安装与调试

1.把两部分的电路接好，进行整体测试、观察

2.针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。

3.调试接线图

4.4电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法

1．正弦波失真：

将10uf的电容换成0.47uf的电容，并在电阻R12上并联一个电阻。

2.换好电容后的电路把开关2、3连接后得不到波形，把开关1、2连接后得到波形，分析：

换好的电容损坏，再换上相同大小的电容后得到波形。

5电路的实验结果

5.1实测方波波形

5.2实测三角波波形

5.3实测正弦波波形

5.4误差分析及改进方法

1．方波-三角波发生器的装调

由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。

需要注意的是，安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使RP1=10KΩ,RP2取（2.5-70）KΩ内的任一值,否则电路可能会不起振。

只要电路接线正确，上电后，UO1的输出为方波，UO2的输出为三角波，微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求有，调节RP2，则输出频率在对应波段内连续可变。

2．三角波---正弦波变换电路的装调

按照图3—75所示电路，装调三角波—正弦波变换电路，其中差分发大电路可利用课题三设计完成的电路。

电路的调试步骤如下。

（1）经电容C4输入差摸信号电压Uid=50v，Fi=100Hz正弦波。

调节Rp4及电阻R*,是传输特性曲线对称。

在逐渐增大Uid。

直到传输特性曲线形状入图3—73所示，记下次时对应的Uid即Uidm值。

移去信号源，再将C4左段接地，测量差份放大器的静态工作点I0,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.

（2）Rp3与C4连接，调节Rp3使三角波俄输出幅度经Rp3等于Uidm值，这时Uo3的输出波形应接近正弦波，调节C6大小可改善输出波形。

如果Uo3的波形出现如图3—76所示的几种正弦波失真，则应调节和改善参数，产生是真的原因及采取的措施有；

1）钟形失真如图（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小Re2。

2）半波圆定或平顶失真如图（b）所示，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R*.

3）非线性失真如图（C）所示，三角波传输特性区线性度差引起的失真，主要是受到运放的影响。

可在输出端加滤波网络改善输出波形。

（3）性能指标测量与误差分析

1）放波输出电压Up—p《=2Vcc是因为运放输出极有PNP型两种晶体组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饮和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出度小于电源电压值。

2）方波的上升时间T，主要受预算放大器的限制。

如果输出频率的限制。

可接俄加速电容C1，一般取C1为几十皮法。

用示波器或脉冲示波器测量T

6实验总结

为期一周的实习时间显得短暂而忙碌，虽然操作的时间很少，但大多数时间还是需要我去思考，发现问题并解决，因此增强了我的思维能力。

这次实习让我对数字电子技术的认识从理论转化为实践，也让我体会到了数字电子技术的实用性，更让我对接下来的模拟电子技术这门课程充满了期待。

让我感慨的是，函数信号发生器竟然可以做得如此简单，电子技术真是个神奇的东西。

当然，在实习过程中，我也遇到了一些问题，这些问题也促使我去更深入地了解原理并查找相关资料，以及和其他同学探讨，这也增强了我的团队合作意识。

“实践是检验真理的唯一标准。

”在实习过程中，我对这句话有了更深刻的体会，只有在实践中，知识才能发挥它应有的作用。

7仪器仪表明细清单

1．直流稳压电源1台

2．示波器1台

3．集成运放2片

4．运放7412片

5．电位器50K2只

100K1只

100Ω1只

6．电容470μF2只

47μF1只

1μF1只

0.1μF1只

0.47μF1只

7．三极管90134只

8．面　包　板1块

9．剪　　　刀　　　　　　１把

10．仪器探头线3根

11．电源线3根

12.电阻14个

13.电烙铁1个

14.镊子1个

15.剪刀1把

8参考文献

[1]康华光. 电子技术基础数字部分（第五版）. 高等教育出版社 

[2]康华光. 电子技术基础模拟部分（第五版）. 高等教育出版社

[3]谢自美．电子线路设计、实验、测试．第二版．华中科技大学出版社

[4]李万臣主编．模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社

[5]陈梓城．实用电子电路设计与调试．中国电力出版社