函数信号发生器制作与调试Word格式.docx
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《模拟电子技术》与《数字电子技术》统称为电子技术，是电力工程各专业的技术基础课，在生产实践中有着广泛的应用。
为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题主要说明采用运算放大器与独立的模拟器件共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法与调试。
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着广泛的应用。
各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。
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。
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）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。
在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。
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。
本课题的设计思路如下图所示：
其中1号线输出正弦波，2号线输出方波，3号线输出三角波。
1课程设计的目标与设计任务
1.1设计的目标
1）了解集成电路和集成运放的基本知识；
2）理解集成运放的线性运放和非线性的应用；
3）会制作集成运放组成的常见电路；
4）了解振荡和其他振荡器的组成和特点；
5）了解正弦波振荡器的组成及工作原理；
6）会制作正弦波振荡器；
7）能用仪器、仪表调试、测量振荡器的主要指标；
8）理解函数信号发生器的组成框图及工作流程；
9）会制作函数信号发生器；
10）能用仪器、仪表调试、测量函数信号发生器的主要指标。
1.2设计的要求
1）画出实际设计电路原理图
2）输出为正弦波、方波和三角波，用开关切换输出；
3）输出正弦波时，输出电压峰值为0～12V可调，输出波形频率为100Hz～1KHz可调；
4）输出方波时，输出波形峰值为0～12V可调，输出波形频率为100Hz～1KHz可调；
5）输出三角波时，输出波形峰值为0～3V可调，输出波形频率为100Hz～1KHz可调。
6）在制作过程中发现问题并能解决问题
1.3设计的任务
1）识读函数信号发生器的电路图；
2）制作集成运放基本电路；
3）制作集成运算的三角波、方波发生器；
4）制作正弦波振荡器；
5）制作函数信号发生器；
6）选择仪器仪表，调试函数信号发生器的主要指标并分析。
2单元电路的设计与调试
2.1正弦波产生电路
2.1.1正弦波振荡器的基本结构与工作原理
正弦波振荡器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。
正弦波振荡器的结构方框图如图P3M4.1所示，它没有输入信号，正反馈信号
就是基本放大器的输入信号
。
在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，它包含着丰富的交流谐波，经选频网络选出频率为某一频率的信号，一方面由输出端输出，另一方面经正反馈网络送回到输入端，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，振荡将由弱到强的建立起来。
图
（1）正弦波振荡器结构方框图
2.1.2产生振荡的条件
1）振荡平衡条件
要使振荡器输出信号
维持稳定的输出，必须使再次反馈回输入端信号
和原来输入端的信号
相等，即
将
由于
所以振荡平衡条件为
设
则
即：
………………………………………………幅度平衡条件
…）……………………………………相位平衡条件
一个振荡器只有同时满足这两个条件，才能振荡。
2）振荡起振条件
振荡器满足平衡条件时，
输出信号幅度保持不变。
但在振荡器刚开始振荡时，信号非常微弱，如仅是
振荡器将不能起振。
必须使每次反馈回来的信号大于原来的输入信号，即
振荡才能由弱到强建立起来。
所以振荡起振条件应为
>
1。
2.1.3RC正弦波振荡器的制作
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，所以本课题拟采用RC文氏电桥振荡器产生正弦波。
电子电路图如图
（2）所示：
图
（2）RC正弦波振荡器电路
如图
（2）所示，根据设计要求可选择电阻R1、R2均为2k，R3、R4均为15k，RP为47k的可调电位器。
电容C1和C2为0.1F，V1、V2为1N4001，采用的集成运放为MC4558。
R3、C1、R4、C2组成RC串并联网络形成正反馈，运放、R1、RP、R2、V1、V2组成同相比例放大器，V1、V2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RP、V1、V2和R2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。
改变RP的阻值可改变输出电压的峰值。
调节RP为适当值，电路即能起振，输出正弦波，并利用V1、V2的非线性实现稳幅。
并联电阻R2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，或C选用双连可变电容器，即可以实现振荡频率的连续可调，输出正弦波的频率为
2.1.4RC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RP，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。
4）观察二极管的稳幅作用。
断开其中一个二极管，观察输出电压的波形能不能稳定。
断开R3，观察R3对改善失真有无作用。
2.2方波产生电路
2.2.1方波发生器的基本结构与工作原理
如图（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（3）方波发生器
2.2.2方波发生器的制作
电子电路如图（3）所示，根据设计要求运算放大器为MC4558，R为2k的电阻，R1、R2、Rf为10k的电阻，R3为1k的电阻，RP为100k的电位器，C的容量为1nF。
VD为2DW7。
2.2.3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；
2.3三角波产生电路
2.3.1三角波发生器的结构与基本工作原理
如图（4）为三角波发生器电路，它由积分电路和迟滞比较器构成。
图（4）三角波发生器电路
迟滞比较器A1输出为方波，积分器A2输出为三角波。
迟滞比较器A1的输出电平为稳压管的稳压值，高电平为UZ，低电平为-UZ。
反相端基准电压为0。
所以上、下门限电压为：
由于积分器A2输出u0反馈到迟滞比较器的输入端，所以u0在大于UTH1和小于UTH2时，迟滞比较器A1输出翻转。
三角波发生器的工作过程如下：
当迟滞比较器A1的输出电压为+UZ时，积分器A2对+UZ积分，u0线形减小。
当减小到
=
时，迟滞比较器A1输出电压翻转为-UZ。
于是A2积分器对-
积分，u0线形增大，当u0增大到
时，迟滞比较器A1输出电压又翻回为+UZ。
于是电路将周而复始，形成自激振荡。
其工作波形如图（5）所示。
图（5）工作波形
由上分析可得三角波的幅度为
在t1到t2时刻由于积分时
的变化量为
，所以
振荡周期为
2.3.2三角波发生器的制作
电子电路如图（5）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、R2均为10k，R3为330，R4、R5均为1k，电容C为0.01F，稳压管V1、V2为1N4740，采用的集成运放为MC4558。
2.3.3三角波发生器的测试
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uo1和u02波形。
并将波形记录下来。
2）改变电阻R4或电容C，观察输出电压波形的变化。
3）改变电阻R1或R2，观察输出电压波形的变化。
3.函数信号发生器总电路图与电路仿真
3.1函数信号发生器总电路图
3.1.1函数信号发生器总电路图的工作原理
根据上述独立单元电路的设计，可以设计如下的总的电路图如图（6）所示：
图（6）函数信号发生器电原理图
1）正弦波振荡器
如图（7）所示，正弦波振荡器采用RC桥式振荡器产生一频率可调的正弦信号。
S1a、S1b为频率粗调，通过S1切换两组电容，改变频率倍率。
RP1采用双联线性电位器，便于频率刻度调节，可获得所需要的输出频率。
调整RP2可改变正弦波失真度，同时使正弦波趋于稳定。
图（7）正弦波振荡电路
2）方波发生器
如图（8）所示，由正弦波振荡器产生的一定频率的正弦信号经过比较器产生一同频率的方波。
转换开关S2的作用就是通过开关切换与比例运算放大电路连接输出一定幅度的正弦波或方波。
图（8）方波发生器
3）三角波发生器
如图（9）所示，方波发生器产生一定频率的方波经过积分电路可产生同频率的三角波信号。
可以通过转换开关选择将正弦波、方波或三角波接入比例放大器输出，比例放大器可通过调节RP3来控制输出幅度的大小，实现对输出幅度的调节。
图（9）三角波发生器及比例运算放大器
3.2函数信号发生器的仿真
正弦波10V，150HZ正弦波10V，1000HZ
方波10V，150HZ方波10V，1000HZ
三角波10V，150HZ三角波10V,10000HZ
4电路的安装与调试
4.1电路的安装
4.1.1元器件的规格与测试表
标号
元器件名称
规格与型号
使用挡位
测试结果
V1
整流二极管
1N4001
V2
V3
稳压二极管
1N4734
V4
A1
集成运算放大器
MC4558
A2
A3
A4
R1
电阻
15k1/8W
R2
R3
3301/8W
R4
100k1/8W
R5
10k1/8W
R6
R7
R8
5.6k1/8W
R9
R10
R11
R12
R13
R14
RP1
双联线性电位器
150k
RP2
电位器
100k
RP3
20k
C1
电容
0.051F
C2
5100pF
C3
C4
C5
82000pF
S1
开关
S2
转换开关
4.1.2实践制作工具及仪器仪表
电烙铁一把，电烙铁一把，焊锡丝，镊子1把，普通万用表1只，双路直流稳压电源，双踪示波器一台。
4.1.3实践制作过程
1）识读函数信号发生器电路原理图和印制电路图。
2）先在印制电路板上找到相对应的元器件的位置，将元器件成形。
3）采用边插装边焊接的方法依次正确插装焊接好元器件（注意二极管正、负极和集成运算放大器的管脚方向）。
插装步骤如下：
插装集成运算放大器A1、A2、A3、A4
插装电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13
插装二极管V1、V2、V3、V4
插装电容器C1、C2、C3、C4、C5
插装电位器RP1、RP2、RP3
插装转换开关S1、S2
4）检查焊接的电路中元器件是否有假焊、漏焊，以及元器件的极性是否正确。
5）通电试验，观察电路通电情况。
4.2电路功能调试
1）按上述制作步骤完整接好图（10）电路并复查，通电检测。
2）分别将两组电源调至15V，两组电源与MC4558的接法如图所示。
3）拨动转换开关S2，用示波器分别观察正弦波、方波和三角波三种波形，若波形失真，可通过调节RP2来改善波形。
在坐标纸上绘制出电路产生的三种波形，分别测量波形输出电压的幅度并记录。
4）调整电位器RP1和拨动转换开关S1，测量各种波形的输出频率变化范围。
图（10）5.8
5）调整电位器RP2，测量输出电压变化范围。
5电路的实验结果与总结
5.1电路实验结果
5.1.1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
0～12V
0～12.9V
100HZ～1kHZ
120HZ～1.10kHZ
方波
0～10.6V
126HZ～1.30kHZ
三角波
0～3V
0～3.40V
110HZ～0.95kHZ
5.2实验总结
《模拟电子技术》与《数字电子技术》，是非常重要的专业基础课，《电子技术课程设计》是在学完这两门课程之后对所学知识的一次检测。
通过这次课程设计不仅加深了对电子电路的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。
通过这段时间不懈的努力与切实追求，我做完了课程设计。
通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；
熟悉了常用的仪器仪表；
了解了电路的连接、焊接方法；
以及如何提高电路的性能等等。
其次，这次课程设计让我懂得了坚持就是胜利，在困难面前不要轻言放弃，要勇于面对问题，并想法设法解决问题。
在实验过程中，遇到了不少的问题。
比如：
波形失真，甚至不出波形这样的问题。
还有就是焊接实物的问题，以为很简单，但其实很复杂，要对焊板上的元件进行布置和焊接电路元件连线，这有很大的难度。
在此期间，除了对元件较好的焊接外，还要考虑电路元件间的影响（即元件之间信号的干扰等问题），还要考虑元件连线的不相交以及焊板面积的大小、元件摆放和连线的美观性等，所以想要焊出一块实用又美观的板子，还要经过一番考虑和布置。
但是最后在老师和同学的帮助以及自己的不断努力下，把问题一一解决了，那种心情别提有多高兴啊。
实验中暴露出我在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，通过课程设计加深了我对所学知识的理解。
作为一个电子专业的学生，我深知课程设计的重要性。
这次实习我从刚开始的什么都不懂不会不敢不碰，到现在的基本了解了一个电路元件是如何构成的，还有以前看的集成板上让人难琢磨的电路焊接图我都可以看懂一些了，其中的电路仿真也让我对以前学习的电路知识有了详细地了解。
我顺利完成了电子的课程设计。
这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电、数电的理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。
6参考文献
[1]童诗白主编．模拟电子技术基础（第三版）．北京：
高教出版社，2001
[2]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，2001
[3]胡宴如主编.模拟电子技术.北京.高等教育出版社，2000
[4]康华光主编.电子技术基础（模拟部分）（第五版）高等教育出版社，2005
[5]沈尚贤主编.电子技术导论（下册）.高等教育出版社，1986
[6]康华光主编.电子技术基础（数字部分）（第五版）高等教育出版社，2005
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