扬州大学模电课程设计信号发生器Word格式.docx
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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，
一、函数发生器的工作原理
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。
二、设计目的
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
三、设计要求及技术指标
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；
四、设计所用仪器及器件
1．直流稳压电源
2．双踪示波器
3．万用表
4．运放741
5．电阻、电容若干
6．三极管
7．面包板
五、日程安排
1．布置任务、查阅资料，方案设计 （一天）
根据设计要求，查阅参考资料，进行方案设计及可行性论证，确定设计方案，画出详细的原理图。
2．上机在EDB（或EDA）对设计电路进行模拟仿真调试、画电路原理接线图（半天）
要求在虚拟仪器上观测到正确的波形并达到规定的技术指标。
3．电路的装配及调试 （两天半）
在面包板上对电路进行装配调试，使其全面达到规定的技术指标，最终通过验收。
4．总结报告 （一天）
六、课程设计报告内容：
总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：
1．课程设计的目和设计的任务
2．课程设计的要求及技术指标
3．总方案的确定并画出原理框图。
4．各组成单元电路设计，及电路的原理、工作特性（结合设计图写）
5．总原理图，工作原理、工作特性（结合框图及电路图讲解）。
6．电路安装、调试步骤及方法，调试中遇到的问题，及分析解决方法。
7．实验结果分析，改进意见及收获。
8．体会。
七、电子电路设计的一般方法：
1．仔细分析产品的功能要求，利用互连网、图书、杂志查阅资料，从中提取相关和最有价值的信息、方法。
（1）设计总体方案。
（2）设计单元电路、选择元器件、根据需要调整总体方案
（3）计算电路（元件）参数。
（4）绘制总体电路初稿
（5）上机在EDB（或EDA）电路实验仿真。
（6）绘制总体电路。
2．明确电路图设计的基本要求进行电路设计。
并上机在EDB（或EDA）上进行电路实验仿真，电路图设计已有不少的计算机辅助设计软件，利用这些软件可显著减轻了人工绘图的压力，电路实验仿真大大减少人工重复劳动，并可帮助工程技术人员调整电路的整体布局，减少电路不同部分的相互干扰等等。
3．掌握常用元器件的识别和测试。
电子元器件种类繁多，并且不断有新的功能、性能更好的元器件出现。
需要通过互连网、图书、杂志查阅它们的识别和测试方法。
对于常用元器件，不少手册有所介绍。
4、熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。
通过排除电路故障，提高电路性能的过程，巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。
5、独立书写课程设计报告。
第二部分
课
程
设
计
报
告
1设计的目的及任务……………………………………………………………
（1）
1.1课程设计的目的…………………………………………………………
（1）
1.2课程设计的任务与要求…………………………………………………
（1）
1.3课程设计的技术指标……………………………………………………
（1）
2电路设计总方案及原理框图………………………………………………
（2）
2.1电路设计原理框图……………………………………………………
（2）
2.2电路设计方案设计……………………………………………………
（2）
3各部分电路设计……………………………………………………………（3）
3.1方波发生电路的工作原理………………………………………………（3）
3.2方波---三角波转换电路的工作原理……………………………………（3）
3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理…………………………………（6）
3.4电路的参数选择及计算……………………………………………………（8）
3.5总电路图…………………………………………………………………（9）
4电路仿真……………………………………………………………………（10）
4.1方波---三角波发生电路的仿真…………………………………………（10）
4.2三角波---正弦波转换电路的仿真………………………………………（11）
5电路的安装与调试…………………………………………………………（12）
5.1方波---三角波发生电路的安装与调试…………………………………（12）
5.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试………………………………（12）
5.3总电路的安装与调试……………………………………………………（12）
5.4电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法………………………（12）
6电路的实验结果……………………………………………………………（14）
6.1方波---三角波发生电路的实验结果……………………………………（14）
6.2三角波---正弦波转换电路的实验结果…………………………………（15）
6.3实测电路波形、误差分析及改进方法……………………………………（16）
7收获与体会…………………………………………………………………（17）
8仪器仪表明细清单…………………………………………………………（18）
参考文献………………………………………………………………………（19）
一设计的目的及任务
1.1课程设计的目的
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
1.2课程设计的任务与要求
设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器
1.3课程设计的要求及技术指标
二函数发生器总方案及原理框图
2.1电路设计原理框图
图2-1设计原理框图
2.2电路设计方案设计
三各组成部分的工作原理
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
图3-1方波—三角波产生电路
图3-2比较器的电压传输特性图3-3方波----三角波变换
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，
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
图3-4三角波—正弦波变换电路
三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。
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。
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。
图3-5三角波-----正弦波变换
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0.1uf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。
得
即
取
，则
，取
，RP1为47KΩ的点位器。
区平衡电阻
由式（3-62）
当
时，取
，为100KΩ电位器。
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
图3-6总设计图
四电路仿真
4.1方波---三角波发生电路的仿真
图4-1方波
图4-2三角波
图4-3方波—三角波发生电路仿真
4.2三角波---正弦波转换电路的仿真
图4-4三角波—正弦波发生电路仿真
五电路的安装与调试
5.1方波---三角波发生电路的安装与调试
1.按装方波——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。
2.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。
5.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试
1.安装三角波——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。
2.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；
5.3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。
5.4调试中遇到的问题及解决的方法
方波-三角波-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
六电路的实验结果
6.1方波---三角波发生电路的实验结果
Multisim仿真结果：
C=0.01uf
fmin=625HZ
fmax=5.1KHZ
C=0.1uf
fmin=67HZ
fmax=1.01KHZ
C=1uf
Fmin=6.7HZ
fmax=114HZ
C=10uf
Fmin=0.67HZ
fmax=15HZ
实际电路结果：
fmin=1.5KHZ
fmax=17.8KHZ
fmin=158HZ
fmax=3.1KHZ
fmin=53HZ
fmax=370HZ
fmax=29HZ
最大不失真电压U=2.43V
6.2三角波---正弦波转换电路的实验结果
（1）静态工作点：
R13=15KΩ
Vc1=5.47VVc2=5.01V
Vb1=-0.012VVb2=-0.014V
Ve1=-0.617VVe2=-0.622V
Ve3=-10.559Ve4=-10.561
Ic1=0.3265Ic2=0.3459
Ie3=0.7205
（2）.最后波形：
Uo3（正弦波）Uo2（三角波）
测量值Uo3=0.43VUo2=0.072V
峰峰值Uo3=1.2162VUo2=0.2036V
6.3实测电路波形、误差分析及改进方法
图6-1失真波形
将C6替换为由两个.1uF串联或直接拿掉,
C1=0.1uFU=54mvUo=2.7v>
1v
C1=0.01uFU=54mvUo=2.8v>
Xc=1/W*C,当输出波形为高频时，若电容C6较大，则Xc很小，高频信号完全被吞并，无法显示出来。
七收获与体会
经过几天的课程设计的学习，我成功地制作出自己的函数发生器，内心感到十分的愉悦。
首先在做电路仿真时，用我们已经画好了电路原理图，修改好参数后，结果总是出现问题无论我怎样修改都不行。
但我没有放弃，最终调试出来。
接下来，开始了电路焊接阶段。
之前的电工实习让我简单的接触到了焊接实物，我觉得自己很在行很专业，一定又快又好，但实际焊接起来才觉得难度还是不小的，要自己对焊板上元件进行布置和焊接电路元件连线，而且线多焊点多，增加了很大的难度。
为了使布置美观、简洁，还真是费了我们不少精力，最终电路的视觉效果还比较另人满意的。
最后调试的一天，我们小组很快就完成了，很开心，可能是唯一一组调试出来的。
模电的知识又再一次加深了印象，通过这次课程设计，我明白了一个好搭档的重要性，因为从头到尾，都是我和我的搭档共同完成，来解决中间出现的各种问题。
从原理图的最终确定，到波形的仿真，到焊接与调试都是我们共同完成的，是因为我们的默契，每项工作都完成得很快很好，才使我们率先完成了任务。
尽管现在只是初步学会了函数发生器设计，但课程设计的这段日子还是令我收益匪浅的，还让我明白学过的知识不能扔，这是我们走向职业道路的本钱。
八仪器仪表明细清单
设计所用仪器及器件
R1=R2=R5=10k、R3=20k、R4=5.1k、RP1=RP3=47k、RP2=RP4=100k；
RC1=RC2=20kRB1=RB2=6.8kRE3=RE4=2kR7=R13=100Ω
C2=C3=C4=470μF、C5=0.1μF、C1为可调电容，视波形频率而定。
运放7413个
参考文献：
童诗白《模拟电子技术基础》
第三部分
实际电路接线图
调试成功电路实物照片
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