函数信号发生器DOCWord文件下载.docx

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软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主要是由CPU的工作速度决定的，如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行周期时间或提高CPU的时钟周期，但这些办法是有限度的，根本的办法还是要改进硬件电路。

随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来。

1.2信号发生器的分类及用途

信号发生器的应用非常广泛，种类繁多。

首先，信号发生器可以分通用和专用两大类，专用信号发生器主要为了某种特殊的测量目的而研制的，如电视信号发生器、脉冲编码信号发生器等。

这种发生器的特性是受测量对象的要求所制约的。

其次，信号发生器按输出波形又可分为正弦波信号发生器、脉冲波信号发生器、函数发生器和任意波发生器等。

再次，按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种。

一般传统的信号发生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。

但也可以通过频率合成技术来获得所需频率。

利用频率合成技术制成的信号发生器，通常被称为合成信号发生器。

1.3课程设计主要任务

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。

本课设采用先产生正弦波，再将正弦波变换成方波，然后由积分电路把方波变成三角波。

要求如下：

1.频率范围三段：

10～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz；

2.正弦波U≈3V，三角波U≈5V，方波U≈14V；

3.幅度连续可调，线性失真小；

4.仿真调试。

二、设计目的

1．掌握电子系统的一般设计方法

2．学习用软件对电路进行仿真

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

三、设计的要求

1）设计电路原理图并画出；

2）能同时输出一定频率一定幅度的3种波形：

正弦波、和三角波；

3）输出正弦波时，输出电压峰峰值为3V，输出波形频率为10Hz～10KHz可调；

4）输出方波时，输出波形峰峰值14V，输出波形频率为10Hz～10KHz可调；

5）输出三角波时，输出波形峰峰值5V，输出波形频率为10Hz～10KHz可调。

对电路进行仿真和调试

4、电路设计原理

1、正弦波产生电路

1.1正弦波振荡器的基本结构与工作原理

正弦波振荡器是一个没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波输出信号的电路，它由一个基本放大器和一个带有选频功能的正反馈网络组成。

电路接通电源的一瞬间，由于电路中电流从零突变到某一值，它包含着很多的交流谐波，经选频网络选出频率为fo的信号，一方面由输出端输出，另一方面经正反馈网络传送回到输入端，经放大和选频，这样周而复始，不断地反复，只要反馈信号大于初始信号，振荡逐渐变强起来。

1.2RC文氏电桥振荡器的制作

由于RC文氏电桥振荡器具有电路简单、易起振、频率可调等特点被大量应用与低频振荡电路，所以我们采用RC文氏电桥振荡器产生正弦波。

电子电路图如图2-1所示：

图2-1RC正弦波振荡器电路

如图所示，根据设计要求可选择电阻R1，R2均为15k，R4为100k的可调电位器。

电容C1和C2为0.22F，D1，D2为1N4001，采用的集成运放为MC4558。

R1、C1、R2、C2组成RC串并联网络形成正反馈，运放、R4、R5、D1、D2组成同相比例放大器，D1，D2具有稳幅作用。

在此电路中，由RC串、并联网络组成正反馈支路和选频网络，这部分电路决定了电路的振荡频率；

由R4、D1、D2和R5组成负反馈支路和稳幅环节。

负反馈电路控制运算放大器的增益。

反馈过深，不易起振，反馈过小，容易造成波形失真。

调节R4为适当值，电路即能起振，输出正弦波，并利用D1、D2的非线性实现稳幅。

并联电阻R5有改善二极管非线形引起波形失真的作用。

在实际应用中，常选取文氏电桥两个支路中的R、C相同，当R选用同轴双连电位器，即可以实现振荡频率的连续可调，输出正弦波的频率为:

1.3RC正弦波振荡器的调试

按上述电路图接好电路图在仿真仿真软件中仿真，仿真步骤如下：

1）调节电位器R4，用示波器观察输出波形UO直到出现正弦波，记录波形，并测量输出电压UO的最大不失真电压幅度，波形的周期T。

2）调节电位器RP，观察其对输出波形的影响。

3）测量频率。

将输出UO接示波器Y轴输入端，标准信号源（正弦波）输出端接示波器X轴输入端，将示波器改为“X-Y”显示方式，这时读出标准信号源的频率即是振荡器的输出频率f。

用Multisim10.0对电路进行仿真得到图2-2仿真波形

从图中可得出产生的正弦波最大值Umax=1.5V;

T=5ms×

4.2=21ms.

F0=1/T=48Hz.

仿真得出的数据与理论计算一样，电路正确。

2、方波产生电路

2.1方波发生器的基本结构与工作原理

如图2-3所示的方波发生器电路，其中R2与Rf组成负反馈支路，运放同相端的电压为：

电阻R1、Rp和电容C组成运放的正反馈支路。

当电容C的端电压VC（等于运放的反向端电压V-）大于V+时，输出电压VO＝VZ（双向稳压管VD的限幅电压），则电容C经电阻R1、Rp放电，VC下降。

当VC下降到比V+小时，比较器的输出电压VO=+VZ，电容C又经过电阻R1、Rp充电，电容的端电压VC又开始上升，如此反复，则输出电压VO为周期性方波。

方波的频率为

调节电路中的Rp可以改变频率。

图2-3方波发生器

2.2方波发生器的制作

电子电路如图2-3所示，根据设计要求运算放大器为LM324，R1、R2、Rf为10k的电阻，RP为100k的电位器，C的容量为1uF。

D1,D1为1N750。

2.3方波发生器的调试

按上述电子电路图接好电路在仿真软件中仿真，仿真步骤如下：

1）UREF=2V（参考电压）的直流电压；

2）在电路中接人ui=3V的直流电压，用万用表测量输出直流电压的大小并记录；

3）ui改为1V的直流电压，用万用表测量输出直流电压的大小，并记录；

4）微调ui，使ui在1V~3V之间变化，用万用表测量并观察输出直流电压的变化情况，并记录：

恰好出现高电平向低电平翻转或低电向平高电平翻转时的ui，确定此值与UREF值结果表明该电路能不能实现电压比较的作用；

5）改变电位器RP，观测是否可以改变输出信号频率。

将电位器RP调至最小时，观测电路的输出波形，此时输出信号的周期T1,器RP调至最大时，观测电路的输出波形，此时输出信号的周期为T2；

观察在这个过程中，输出信号的电压变化；

6）改变电容容量，观测是否可以改变输出信号频率。

将电路中的电C改为0.022F，观测输出信号波形，C增大时，输出信号频率会怎样变化；

用Multisim10.0对其进行仿真得到如下2-4波形图：

图2-4

从波形中可以得到方波电压约为±

7V,与理论一样，可得出电路是正确的。

3、三角波产生电路

3.1三角波发生器的结构与基本工作原理

图2-5三角波发生器电路

其工作原理如下：

当运算放大器开环电压增益足够大时，可认为,其中又由虚短和虚断，得：

式中，τ＝RC，称为积分器的时间常数。

3.2三角波发生器的制作

电子电路如图2-4所示，积分电路和迟滞比较器相连可组成三角波发生器。

根据设计要求电阻R1为2.5K，电容C为220nf，采用的集成运放为LM324。

3.3三角波发生器的测试

根据电子电路图接好线路，在仿真软件中仿真，仿真步骤如下：

1）用双踪示波器DC输入方式观察U波形。

并将波形记录下来。

2）改变电阻R1或电容C，观察输出电压波形的变化。

当输入信号为方波时，其输出信号为三角波，电路波形图2-5如下：

图2-5

电仿真中信号源为方波，f0=1Kz,Umax=3.5V

电路中R1=2.5K，C=220nF

4、函数信号发生器总电路图

根据上述独立单元电路的设计，可以设计总的电路图如图3-1所示

图3-1函数信号发生器总原理图

通过看示波器波形，可得出正弦波发生器中电位器调到R4调到50K时开始起振，调大R4则不能起振，而调到40K时波形出现失真，起振是由弱变强的。

总电路的频率有R1，C1，R2，C2决定，令R1=R2，C1=C2，

如图R为15K，C为0.22uF，可算出频率为50Hz,所有可通过减小电容值来增大频率，如C为0.001uF时，频率为10.6kHz，满足要求。

五、仿真结果及分析

对总原理图进行仿真，得到正弦波，方波和三角波的波形如下图：

图3-2100HZ正弦波

图3-31KHZ正弦波

图3-4100HZ方波

图3-51KHZ方波

图3-6100HZ三角波

图3-71KHZ三角波

六、电路实验结果

函数信号发生器电路的实验的结果

类别

输出电压

输出频率

设计值

实际值

正弦波

0～1.5V

0～1.4V

10HZ～10kHZ

62HZ～10.3kHZ

方波

0～7V

0～7.2V

三角波

0～2.5V

0～2.1V

结束语

通过这次函数信号发生器设计，进一步理解并加深了对所学的模拟及电子测量技术的认识。

学会了在实践中运用理论，用理论来指导实践，培养了理论联系实际的正确设计思想。

通过对课题的设计，训练了运用所学的理论知识去思考问题并联系理论实际解决问题的能力，同时通过此次设计，学会了较复杂的电子系统设计的一般方法，进一步掌握了分析与设计一般电子电路的方法，并增强了独立的思考问题和解决问题的能力。

通过这次电子课程设计，培养了实际运用理论的能力，为以后的毕业设计有很好的促进作用，让我更好地掌握了各种电路的分析、调试与计算方法，各种信号的产生原理有了更深刻的理解。

在此次作课程设计过程中，我深深地感受到自己所学知识的有限和对所学知识的生疏，明确了不仅要学课本知识，还要再通过图书馆和网络等各种渠道来扩