函数发生器Word文档格式.docx
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4．电路调试。
了解掌握电路调试的基本方法。
利用常用仪表调试电路，排除电路故障，提高电路性能，巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。
5．独立撰写课程设计报告。
二、函数发生器的简介
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。
根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块8038）。
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，
三、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。
四、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
五、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10－100、１００－１K、1K－10KＨｚ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；
六、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
5．741底座
6．电阻、电容若干
7．三极管
8．万能板
七、日程安排
１．查资料，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．用EDA软件对设计电路进行模拟仿真调试 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
在万能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．总结撰写设计报告 一天
器件清单
1．运放741
2．电位器50K
100K
100Ω
3．电容470μF
10μF
1μF
0.1μF
0.01μF
4．三极管9013
5．万能板（16cm×
12cm）
6．741底座
7．焊锡丝、导线（两种颜色，各2卷）
8．电阻10Ｋ
20Ｋ
5.1Ｋ
8Ｋ
15Ｋ
6.8Ｋ
2Ｋ
100欧
第二部分
课
程
设
计
报
告
1《模拟电子技术》课程设计任务书·
·
3
2器件清单·
5
8收获体会·
20
1．函数发生器总方案及原理框图
1.1原理框图
1.2函数发生器的总方案
2．课程设计的目的和设计的任务
2.1设计目的
进一步巩固简熟悉易信号发生器的电路结构及电路原理并了解波形的转变方法；
学会用简单的元器件及芯片制作简单的函数信号发生器，锻炼动手能力；
学会调试电路并根据结果分析影响实验结果的各种可能的因素
2.2设计任务
设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器
2.3课程设计的要求及技术指标
2.3.1设计、组装、调试函数发生器
2.3.2输出波形：
2.3.3频率范围：
10～100Ｈｚ，100Ｈｚ～1ＫＨｚ，1ＫＨｚ～10ＫＨｚ；
１Ｖ
3.函数发生器的设计目的及框图
根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块AT89C52）。
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，本课题中函数发生器电路组成框图图3-1-1所示：
图3-1-1函数发生器原理框
4.函数发生器工作原理
4.1函数发生器原理图
图4-1三角波—方波—正弦波函数发生器实验电路
4.2方波产生电路
图4-2-1所示电路能自动产生方波。
其电路的工作原理如下：
4.2．1.电路结构
方波产生电路是由滞回比较电路和RC定时电路构成的。
其上下限:
（4-2-1）
（4-2-2）
4.2．2.工作原理：
（1）设uo=+UOM,则：
u+=UT+
此时，输出给C充电,uc,设uC初始值uC（0+）=0
在uc<
UT+时，u-<
u+,uo保持+UOM不变
一旦uc>
UT+,就有u->
u+,uo立即由＋UOM变成－UOM
（2）当uo=-UOM时，u+=UT-
此时，C经输出端放电,再反向充电uc，达到UT-时，uo上翻，实现状态反转。
当uo重新回到＋UOM以后，电路又进入另一个周期性的变化。
方波发生器生成的方波图（图4-2-1）：
4.3方波—三角波产生电路
图4-3-1所示电路能自动产生方波—三角波。
图4-3-1方波—三角波产生电路
若放大器A1同相输入端a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器。
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
（4-3-1）
式中RP1指电位器的调整值（以下同）。
将上式整理，得比较器翻转的下门限电位Uia-为
（4-3-2）
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
（4-3-3）
比较器的门限宽度
（4-3-4）
由式（4-3-1）～（4-3-4）可得比较器的电压传输特性，如图4-3-2所示。
以及方波-三角波原理图，如图4-3-3所示。
图4-3-2比较器电压传输特图4-3-3方波—三角波
当比较器的门限电压为Via+时输出Vo1为高电平（+Vcc）。
这时积分器开始反向积分，三角波Vo2线性下降。
当Vo2下降到比较器的下门限电位Via－时，比较器翻转，输出Vo1由高电平跳到低电平。
这时积分器又开始正向积分，Vo2线性增加。
如此反复，就可自动产生方波-三角波。
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
（4-3-5）
当
时，
（4-3-6）
（4-3-7）
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，其波形如图4-3-3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
（4-3-8）
方波-三角波的频率为
（4-3-9）
由式（4-3-8）以及（4-3-9）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。
4.4三角波—正弦波转换电路的工作原理
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：
（4-4-1）
式中
，
—差分放大器的恒定电流；
—温度的电压当量，当室温为25摄氏度时，UT≈26mV。
如果Uid为三角波，设表达式为
（4-4-2）
式中Um—三角波的幅度；
T—三角波的周期。
将式（4-3-2）代入式（4-3-1）得
（4-4-3）
用计算机对式（4-4-3）进行计算，打印输出的ic1（t）或ic2（t）曲线近似于正弦波，则差分放大器的输出电压vc1（t）、vc2（t）亦近似于正弦波，波形变换过程如图4-4-1所示：
图4-4-1三角波—正弦波变换
为使输出波形更接近正弦波，由图可见要求：
传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。
三角波的幅度Um应正好使晶体管截止电压。
图4-4-2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4-4-2三角波—正弦波变换电路
5.电路的参数选择及计算
5.1三角波—正弦波部分
比较器A1与积分器A2的元件计算如下。
由式（4-2-8）得
（5-1-1）
取
，取
为
的电位器。
取平衡电阻
由式（4-2-9）得
（5-1-2）
时，取
，则
，为
电位器。
时，取
；
以实现频率波段的转换，
及
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。
欧与
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
及电阻
确定。
5.2函数发生器的电路图
函数发生器整体电路图如图5-2-1所示。
图5-2-1方波-三角波—正弦波变换电路
6.电路仿真
画出电路图，并完成仿真，测试结果如下：
Tmin/ms
Tmax/ms
fmin/Hz
fmax/Hz
0.195857
1.620
617.28
5105.771
0.839925
15.16
65.96
1190.58
7.495
151.601
6.596
133.422
7电路的安装与调试
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。
7.1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。
7.2三角波—正弦波变换电路的装调
按照图3-3-1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。
差分放大器传输特性曲线调试。
将C4与RP3的连线断开，经电容C4输入的差摸信号电压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如仿真所示波形，记下次时对应的Uid即Uidm值。
移去信号源，再将C5左段接地，测量差份放大器的静态工作点I0、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。
三角波—正弦波变换电路调试。
将RP3与C5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C*7大小可改善输出波形。
如果Uo3的波形出现以下几种正弦波失真，则应调节和改善参数，产生失真的原因及采取的措施如下。
钟形失真：
传输特性曲线的线性区太宽，应减小Re2。
半波圆定或平顶失真：
传输特性曲线对称性差，静态工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R*。
非线性失真：
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。
图7-2-1方波-三角波—正弦波波形图
7.3性能指标测量与误差分析
1）方波输出电压Upp=20V，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）三角波的输出电压U=8V，主要受比较器的门限宽度的限制
3）正弦波的输出电压U=4V，为使输出波形更接近正弦波，要求：
7.4电路测试结果
0.23
2
500
4347.83
1
15.5
64.52
1000
8
145
6.89
125
最大频率为f=125HZ,最小频率为f=6.89HZ。
（其中可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。
）
8收获体会
参考文献
[1]谢自美．电子线路设计实验测试（第二版）[M]．武昌：
华中科技大学出版社，2000
[2]华成英童诗白编《模拟电子技术基础》2006年5月高等教育出版社
[3]吴慎山.电子线路与实践.北京：
电子工业出版社，2005
[4]王远．模拟电子技术（第二版）[M]．北京：
机械工业出版社，2000
[5]姚福安.电子电路设计与实践.济南：
山东科学技术出版社，2001
[6]华永平陈松.电子线路课程设计—仿真、设计与制作.南京：
东南大学出版社，2002
[7]康华光.电子技术基础.北京：
高等教育出版社，2006
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