课程设计函数信号发生器的设计.docx

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课程设计函数信号发生器的设计

课程设计说明书

课程设计名称：

电子技术（模拟电路部分）

课程设计题目：

设计制作一个方波—三角波—正弦波的函数转换器

学院名称：

物理与电子工程学院

一、实验方案

方案一：

采用传统的直流频率合成器。

这种方法能实现快速频率变换，且具有低相位噪声以及所有方法中最高的倍频分频混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂体积庞大成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。

方案二：

采用555集成芯片，外接部分电容及电阻，用调节电位器来调节整个装置的频率及满足实验要求的可调频率，调节555芯片接入的电压值来调节各波形的幅值，可使方波占空比可调。

方案三：

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转变成方波，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低通滤波器来完成。

本实验选用方案三：

采用集成运放UA741CD实现方波——三角波的转换，然后利用RC振荡电路产生正弦波。

二、系统的组成

本系统主要采用UA741CD芯片组成。

UA741CD型运算放大器具有广泛的模拟作用。

宽范围的共模电压和无阻塞功能可用于电压跟随器。

高增益和宽范围的工作电压特点在积分器、加法器和一般反馈应用中能使电路具有优良性能。

此外，它还具有如下特点：

（1）无频率补偿要求；

（2）短路保护；（3）失调电压调零；（4）大的共模、差模范围；（5）低功耗。

UA741CD芯片引脚如图1所示。

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

图1图2

RC正弦波振荡电路如图2所示。

三、设计的具体方案

1.总的设计框图与总的方案

　　本课题采用由集成运算放大器与低通滤波电路共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。

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低通滤波器来完成。

2.单元电路的设计与工作原理

2.1方波-三角波发生电路

图3.2.1方波—三角波产生电路

由电压比较器和积分器构成的方波—三角波发生器如图2.1.1所示，积分电路的输出电压U2反馈至电压比较器的输入端，形成闭环，是电路产生自激振荡。

由于采用了积分电路，使方波—三角波发生器的性能大为改善，不仅得到的三角波线性度比较理想，且振荡频率和幅值也便于调节。

电路中若a点断开，运算放大器U1与R1、R3及R6组成电压比较器。

运算放大器U2与R4、R7、C1及R5组成反向积分器。

其输入信号为方波Uo1,则积分器输出电压Uo2为

UO2=∫UO1dt

当UO1=+VCC时，UO2=t=t

当UO1=-VEE时，UO2=t=t

由此可见积分器在输入为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关系如下图3.2.2所示

UO

+VCC

UO1

R2/（R3+R6）UO2

Ot

-R2/（R3+R6）

-VCC

图3.2.2方波三角波波形关系

若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：

UO2m=VCC

方波-三角波的频率f为：

f=

 由以上式子可以得到以下结论:

1.方波的幅度由+Vcc和–Vee决定

2.电位器R7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。

3.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R6可实现幅度微调,但会影响方波-三角波的频率。

3.3三角波变正弦波电路

三角波变正弦波电路是由低通无源滤波器构成。

滤波器是一种选择装置，它对输入信号进行加工和处理，从中选出某些特定的信号作为输出。

滤波器的输出与输入关系通常用电压转移函数H（S）来描述，电压转移函数又称为电压增益函数，它的定义如下 

H（S）=

式中UO（S）、Ui（S）分别为输出、输入电压的拉氏变换。

在正弦稳态情况下，S=jω，电压转移函数可写成

式中Hj（w）表示输出与输入的幅值比，称为幅值函数或增益函数，它与频率的关系称为幅频特性；（ω）表示输出与输入的相位差，称为相位函数，它与频率的关系称为相频特性。

幅频特性与相频特性统称滤波器的频率响应。

滤波器的幅频特性很容易用实验方法测定。

低通滤波电路，其幅频响应如图所示，图中|H（jωC）|为增益的幅值，K为增益常数。

由图可知，它的功能是通过从零到某一截止频率ωC的低频信号，而对大于ωC的所有频率则衰减，因此其带宽B=ωC

│H（jw）│

K实际

k/

通带阻带

WCW

图3.3.1低通滤波电路

四、实验仿真图及仿真结果

图4.1函数信号发生器仿真图

图4.2函数信号发生器仿真结果

五、电路的焊接与测试

1.电路的安装：

1.需进行整体布局的构思，使元器件分布合理、整体上更加美观；

2.先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等等；

3.布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；

2电路的调试：

1.在仔细检查安装好的电路，确定元件与导线连接无误后，然后接通直流电

压为6V的电源，观察LED工作指示灯是否亮起，若不亮，则需要检查电路。

2.将示波器的检测端接在信号输出端，调节频率旋钮和Y位移旋钮，观察示波器上是否有清晰的信号。

3.待示波器出现较良好信号时，这时要调节电位器RP。

随着调到大概RP达到4K~7K时，就会出现需要的波形。

4.出现波形后，要适当调节示波器的频率档和幅值档，让波形的幅值尽量接近要求的幅值。

调好后，再调节电位器RP的组织。

再一步接近课设所要求的幅值。

3焊接与调试分析：

在调试的时候，重点在于调试电位器。

正弦波和三角波的出现频率值要依靠用电位器调出方波来定位。

一开始去测正弦波和三角波很难调出，几乎都是一条直线。

但是将示波器的探针接触方波的输出端，很快就有了反应（虽然失真很厉害）。

可以先调节示波器的频率档，使方波变得较为清楚。

然后再调节电位器，调到适合位置，使波形在示波器里更加清晰。

完成这一步骤后，再去测三角波和正弦波，就能测得到。

为观察幅值方便和使图形稳定，要适当调节幅值档和频率。

六、实验结果及分析

1.方波

2.三角波

3.正弦波

4.实验分析

比较器与积分器组成正反馈闭环电路，方波、三角波同时输出。

电位器R6与R7要事先调整到设定值，否则电路可能会不起振。

只要接线正确，接通电源后便可输出方波、三角波。

微调R6，使三角波的输出幅度满足设计要求，调节R7，则输出频率在对应波段内连续可变。

通过低通滤波器将三角波转化成的正弦波，幅度会随着频率的变化而变化。

七、实验总结

本课题根据设计中要实现的功能，经过自己认真地分析、实践，确立方案，书写文档，设计出电路，在设计过程中翻阅了大量资料，通过对所得的各种资料的综合分析，提炼出自己需要的信息，从而提高自己的分析能力；通过对主要技术指标的分析，认真体会了设计时的各项技术政策；通过对设计时出现的各种问题的分析与解决，锻炼了独立分析，进行工程设计的能力；通过对电路设计中的某些问题的较为深入的探索，培养了自己的科研工作能力；通过设计论文的书写，进一步锻炼了绘图技巧，文字表达能力和对工作的认真态度。

 当然，在设计中遇到了一些实际困难，通过本人及同组同学多次查找参考资料，以及指导老师的悉心讲解，终于豁然开朗；通过这次设计不仅巩固了本专业的知识，加深了对课本知识的理解，为本人在这一学期所学专业知识做了一个系统的把握。

八、参考文献

模拟电子技术基础胡宴如耿苏燕高等教育出版社

电子技术基础实验陈大钦罗杰高等教育出版社

附录：

元器件

个数

运放UA741CD

2片

10KΩ

6个

20KΩ

1个

5.1KΩ

1个

50KΩ滑动变阻器

1个

100KΩ滑动变阻器

1个

470μf

1个

1μf

1个

0.47μf

2个