模电课程设计报告函数发生器的设计仿真与实现.docx
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模电课程设计报告函数发生器的设计仿真与实现
模电课程设计报告函数发生器的设计仿真与实现
课程设计任务书
题目:
函数发生器的设计仿真与实现1
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，鼓励自制稳压源。
（2）设计要求
①正弦波Upp≈3V，幅度连续可调；三角波Upp≈5V，幅度连续可调；方波Upp≈14V，幅度连续可调。
频率范围：
三段：
10~100Hz，100Hz~1KHz，1KHz~10KHz；
频率控制方式：
改变RC时间常数；
正弦波输出电量：
电流；
②选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。
③利用Proteus或Multisim仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理并仿真实现系统功能。
④安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。
⑤选做：
利用仿真软件的PCB设计功能进行PCB设计。
时间安排：
1、前半周，完成仿真设计调试；并制作实物。
2、后半周，硬件调试，撰写、提交课程设计报告，进行验收和答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要I
AbstractII
1.Multisim软件简介3
2方案论证与比较4
2.1总体设计方案论证及选择4
3系统方案及单元电路5
3.1函数发生器方案概述5
3.2单元电路设计6
3.2.1.1方波-三角波产生电路6
6
9
4元器件的选择11
4.1元器件型号及参数计算11
5完整的电路图及实物图16
6电路仿真及实物波形18
6.1方波三角波发生电路的仿真及实物18
6.2三角波正弦波转换电路的仿真19
7电路安装与调试20
8元器件清单22
9心得体会23
10参考文献24
摘要
函数发生器是一种多波形的信号源。
它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。
有的函数发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制。
函数发生器有很宽的频率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信号源。
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。
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。
电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。
根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。
关键词：
方波；三角波；正弦波；锯齿波；矩形波
Abstract
Functiongeneratorisamulti-wavesignalsource.Itcanproducesine,square,trianglewave,sawtooth,orarbitrarywaveform.Somefunctiongeneratoralsohasamodulationfunction,canbeAM,FM,phasemodulation,pulsewidthmodulationandVCOcontrol.
Functiongeneratorhasawidefrequencyrange,usingawiderange,itisanindispensablecommonsource.Canbeusedforproductiontesting,equipmentmaintenanceandlaboratory,butalsowidelyusedinothertechnologyareassuchasmedicine,education,chemistry,communications,geophysics,industrialcontrol,military,andaerospaceandsoon.Withtherapiddevelopmentofintegratedcircuits,integratedcircuitscanbeeasilyusedtocreatevariouswaveformgenerator.Integratedcircuitstoachievethesignalwaveformgeneratorandotherwaveformgeneratorscomparedtothewaveformquality,magnitudeandfrequencystabilityandotherperformanceindicators,havebeengreatlyimproved.
Circuitformofthefunctiongeneratorcanbeusedbytheseparationofcomponents,theopamp;alsobeusedmonolithicintegratedfunctiongenerator.Accordingtodifferentpurposes,therehavethreeormoreofthewaveformfunctiongenerator,introducedthesubjectofasquarewave,trianglewave,sinewavefunctiongeneratormethod.
Keywords:
squarewave;trianglewave;sinewave;sawtooth;rectangularwave
1.Multisim软件简介
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以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。
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。
单元电路、功能电路、单片机硬件电路的构建及相应软件调试的仿真。
系统的组成及仿真：
Commsim是一个理想的通信系统的教学软件。
它很适用于如‘信号与系统’、‘通信’、‘网络’等课程，难度适合从一般介绍到高级。
使学生学的更快并且掌握的更多。
Commsim含有200多个通用通信和数学模块，包含工业中的大部分编码器，调制器，滤波器，信号源，信道等，Commsim中的模块和通常通信技术中的很一致，这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术。
要观察仿真的结果，你可以有多种选择：
时域，频域，XY图，对数坐标，比特误码率，眼图和功率谱。
仪表仪器的原理及制造仿真：
可以任意制造出属于自己的虚拟仪器、仪表，并在计算机仿真环境和实际环境中进行使用。
PCB的设计及制作：
产品级版图的设计及制作。
本次Multisim仿真实现函数信号发生器的原理图绘制，PCB板图制作，以及电路的仿真。
运用运放构成的比较器和积分器实现矩形波和三角波的输出，再经差分放大产生正余弦波形。
2方案论证与比较
2.1总体设计方案论证及选择
1、方案一
由RC桥式电路振荡产生正弦波，再经整形积分产生方波和三角波，原理方框见图1
图1由RC网络的转换流程电路图
2、方案二
由运算放大电路、电位器等组成的多功能函数发生器，精确度高但电路过于复杂。
3、方案三
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。
本电路可以很好的结合已学的知识与实践，且输出波形幅度及频率均可通过改变元件参数进行调整，方便且成本较低。
可行性分析在以上三种方案中：
方案一：
用RC桥式电路及整形积分电路构成的函数发生器所产生的信号难控制，不易调试，可调范围小；
方案二：
电路相对复杂。
方案三：
产生信号相对简单。
所以最后我选择第三种方案。
3系统方案及单元电路
3.1函数发生器方案概述
图2为函数发生器的总体框图，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。
图2函数发生器总体框图
3.2单元电路设计
3.2.1.1方波-三角波产生电路
图3方波-三角波产生电路
3.2.1.2方波—三角波产生原理
图3为方波和三角波产生电路。
若a点断开，运算放大器A1与R2、R3、R6组成电压比较器，运放的反向端接基准电压，即V-=0，同向输入端接输入电压Via；比较器的输出Vo1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V+=V-=0时，比较器翻转，输出Vo1从高电平+Vcc跳转到低电平-Vee，或从低电平跳到高电平。
设vo1=+Vcc,
式中R3指电位器的调整值，（下同），将上式整理，可知比较器下门限电位
当vo1=-Vcc,则比较翻转器上门限电位
运放A2与R4、C及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1时，则输出积分器的电压为
当Vo1=+Vcc时
当Vo1=-VEE时
可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图2所示。
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→三角波的频率为
由上分析可知：
①电位器R4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。
②方波的输出幅度应等于电源电压。
三角波的输出幅度应不超过电源电压。
电位器R2可实现幅度微调，但会影响波形的频率。
③通过调节R5可以调节方波占空比
图4迟滞比较器的传输特性图
图5方波-三角波波形图
3.2.2.1三角波-正弦波产生电路
图6三角波—正弦波产生电路
3.2.2.2三角波—正弦波产生原理
正弦波的变换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、抗干扰能力强等优点。
特别是做直流放大器时，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的非线性。
其非线性及变换原理如图6。
图7三角波-正弦波波形
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。
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。
下图为实现三角波——正弦波变换的电路。
其中R17调节三角波的幅度，R16调节正弦波的幅度，Rp2调整电路的对称性，其并联电阻Rp2用来减小差分放大器的线性区。
电容C5,C6,C7为隔直电容。
4元器件的选择
4.1元器件型号及参数计算
采用图2和图3所示的电路，其中运放A1与A2各用一只运放UA741，差分放大器中T1与T2使用8050，恒流源中的T3与T4使用β较大的8050。
UA741简介：
1和5为偏置（调零端），2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源8空脚
8050三极管简介：
最大集存器电流（A）:
0.5A，直流电增益:
10到60，功耗:
625mW，最大集存器发射电（VCEO）:
25，极性:
NPN。
比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下：
由
因此
取R2=10kΩ,则R3+R6=30kΩ，取R6=10kΩ,R3为100kΩ的电位器。
取平衡电阻R1=R2//（R3+R6）≈10kΩ。
因为
当10Hz≤f≤100Hz时，取C=1μF，则R4=（75~7.5）kΩ，取R4为100kΩ电位器。
当100Hz≤f≤1000Hz，取C2=0.1μF以实现频率波段的转换，R4的值不变。
当1000Hz≤f≤10000Hz时，取C2=0.01μF。
取平衡电阻R9=10kΩ。
三角波→正弦波变换电路的参数选择原则是：
隔直电容C5、C6、C7要取得大，因为输出频率较低，取C5=C6=C7=470μF，选取RP2=100Ω为平衡电阻，以减少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RP2确定。
5完整的电路图及实物图
图8总电路图
主要工作原理：
该电路为方波—三角波—正弦波函数发生器电路，利用迟滞比较器（施密特触发器）产生方波，后方波经积分器产生三角波，然后利用差分放大电路的电压传输特性，将三角波转变为正弦波。
该电路通过电位器实现幅值可调，频率可调，通过调节R5可以调节方波占空比，也可以把三角波转换成斜率可调的锯齿波，满足设计要求。
图9实物图
6电路仿真及实物波形
6.1方波三角波发生电路的仿真及实物
方波：
图10
三角波：
图11
6.2三角波正弦波转换电路的仿真
正弦波：
图12
6.3占空比可调矩形波：
图13
斜率可调锯齿：
图14
7电路安装与调试
方波-三角-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的，在装调多级电路时，通常按照单元电路的先后顺序进行分级装调与级联。
（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R3与R4之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使R3=20KΩ，R4取（2.5~70）kΩ内的任一阻值,否则电路可能会不起振.只要电路接线正确,上电后,U01的输出为方波,U02的输出为三角波,微调R17,使三角波的输出幅度满足设计指标要求,调节R4,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7所示电路，装调三角波-正弦波变换电路，其中差分放大器可利用设计完成的电路。
电路的调试步骤如下：
1）经电容C6输入差模信号电压uid=500mV，fi=100Hz的正弦波。
调节RP2，使传输特性曲线对称。
再逐渐增大uid，直到传输特曲线形状如图6所示，记下此时对应的uid，即uidm值。
移去信号源，再将C6左端接地，测量差分放大器的静态工作点I0、Uc1、Uc2、Uc3、Uc4。
2）将RP1与C6连接，调节RP1使三角波的输出幅度经RP1后输出等于uidm值，这时U03的输出波形应接近正弦波，调整C8大小可以改善输出波形。
如果U03的波形出现如图15所示的几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的相应措施有：
①钟形失真如图15（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小RP5。
②半波圆顶或平顶失真如图15（b）如示，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻RP2。
③非线性失真如图图15（c）所示，三角波的线性度较差引起的非线性失真，主要受运放性能的影响。
可在输出端加滤波网络（如C8=0.1mF）改善输出波形。
3）性能指标测量与误差分析
1、方波输出电压UP-P≤2Vcc是因为运放输出级由NPN型与PNP型两种晶体管组成复补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，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tr，主要受运算放大器转换速率的限制。
如果输出频率较高，可接入加速电容C，一般取C为几十皮法。
用示波器或脉冲示波器测量tr。
图15几种波形失真情况
8元器件清单
序号
名称
型号
数量
备注
1
电阻
10K
6
2
电阻
5.1K
1
3
电阻
10K
2
4
电阻
2K
2
5
电阻
8.2K
1
6
电阻
100
1
7
电位器
100
1
8
电位器
50K
1
9
电位器
100K
5
10
电容
0.01µf
1
瓷片电容
11
电容
0.1µf
1
瓷片电容
12
电容
1µf
1
贴片电容
13
电容
470µf
2
电解电容
14
开关
1
单刀双掷开关
15
运算放大器
µa741
2
双运放
9心得体会
本次课程设计是建立在集成运放的基础上，对课本中已学的信号发生电路的一个综合拓展，加强了我们对课本上的知识的思考及锻炼动手实践能力。
在将近一个星期的资料收集过程中，我首先弄懂了函数发生器的工作原理，接着开始着手其设计方案，在网上以及参考书上了解到了几种可用于产生波形的电路以及用单片机设计函数发生器的方法，经过分析各自的优劣并结合自己现有的知识水平，我选择了上述设计方案。
接着便开始根据课程设计的具体要求对电路进行修改，并通过计算对各元件进行参数设置。
这之中的过程都涉及一些小问题，但这也说明了平时课本上知识应当学扎实，这样才不至于在实际应用的时候找不到头绪，真正达到理论与实际结合的效果。
在和组员一起购买元器件时，才发现原先设置的某些元件型号买不到，于是便又通过重新的查找资料确定型号，这使我们认识到在之前的准备工作中就应该有一个备案用来替补。
这同时也给我们提了一个醒，我们在以后的学习中就要培养这样的习惯，要考虑多方面的因素，使自己做到做事有条不紊，提高学习效率。
这次的模拟电子技术课程设计，虽然在这个过程中我遇到了不少的困难，但最后都通过请教老师或与同学讨论而解决了，这也使我更深刻的体会到了团队合作的重要性，另外我也感受到了平时学习理论知识可能会感到很枯燥，但要是把理论与实践结合起来的话，就会使自己更有求知的渴望。
当问题解决后就会有一种成就感。
当我们拿到课题我们进行了任务分配，确定了我是设计方案，在在考虑了众多的方案后最终总算定下来了，选了一个我认为我自己能弄出来的自己有办法能解决的，能够通过自己的努力做出来的，通过自己的努力最终能够有所收获，能够达到其设计的目的。
在遇到问题后能够努力解决问题，也学会了一些新的东西，以前没有尝试过的，我想目前我们做电子课程设计，最重要是在自己已接触的知识的基础上扩展，巩固所学，从而创新！
10参考文献
[1]童诗白,华成英主编.《模拟电子技术基础》.第三版.北京:
高等教育出版社,2001（2004重印）
[2]李万臣主编.《模拟电子技术基础实验与课程设计》.哈尔滨:
哈尔滨工程大学出版社,2001.3
[3]陈兆仁主编.《电子技术基础实验研究与设计》.北京:
电子工业出版社,2000
[4]彭介华主编..《电子技术课程设计指导》.北京。
高等教育出版社，1997
[6]谢自美.《电子线路设计·实验·测试（第三版）》.湖北：
华中科技大学出版社
[7]杨翠娥.《高频电子线路实验与课程设计》.哈尔滨：
哈尔滨工程大学出版社
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
函数发生器的设计仿真与实现1
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
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