函数发生器的设计.docx

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函数发生器的设计

工学08-I《电子技术课程设计》报告

函数发生器的设计

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1设计任务要求

1.设计一个函数发生器，可产生方波，三角波，正弦波信号。

2.频率与幅度可以调节。

3.方波占空比可以调节。

2方案比较

2.1第一种方案

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。

能实现频率可调的指标要求，且能实现一定范围内的幅度调节。

如图一所示：

图1函数发生器电路组成框图

2.2第二种方案

采用DDS作为信号发生核心器件的全数控函数信号发生器设计方案，选用了AD9850芯片，并通过单片机程序控制和处理AD9850的32位频率控制字，再经放大后加至以数字电位器为核心的数字衰减网络，从而实现了信号幅度、频率、类型以及输出等选项的全数字控制。

2.3第三种方案

首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。

如图二所示：

图2方波、三角波、正弦波信号发生器的原理框图

2.4函数发生器方案选择

方案一，关于三角波的缺陷，不是能很好的处理，且波形质量不太理想，且频率调节不如方案三简单方便；方案二，知识所限，复杂；方案三的电路结构、思路简单，运行时性能稳定且能较好的符合设计要求，且成本低廉、调整方便，关于输出正弦波波形的变形，可以通过可变电阻的调节来调整。

综上所述，我们选择方案三。

3.单元电路设计

3.1由555定时器产生方波

当电容C1被充电时，2和6引脚的电压都上升，此时二极管D1导通，接通+12V电源后，电容C1被充电，Vc上升，当Vc上升到2Vcc/3时，触发器被复位，同时放电BJTT导通，此时输出电平Vo为低电平，电容C1通过R2和T放电，使Vc下降。

当Vc下降到Vcc/3时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。

电容器C1经R2，R3，他们此时所分的总阻值为R1向电容C1放电，当C1放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2所分得的阻值为R3向电容器C2充电，当Vc上升到2Vcc/3时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到了一个周期性的方波，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。

并使2端电位瞬时低于1/3Vcc，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。

当Vc充电到2/3Vcc时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。

波形图见图4。

图3方波产生电路

图4电路的电压波形图

3.2方波-三角波转换

图5三角波的产生电路

当741很大时，运放两输入端为"虚地"，忽略流入放大器的电流，令输入电压为Vi输出为Vo，流过电容C的电流为i1则有即输出电压与输入电压成积分关系。

当为固定值时。

上式表明输出电压按一定比例随时间作直线上升或下降。

当为矩形波时，便成为三角波。

3.3三角波-正弦波转换的电路设计

分析表明，传输特性曲线的表达式为：

Ic=I/[1+exp（-Uid/UT）]I是差分放大器的恒定电流；

UT是温度的电压当量，当室温为25摄氏度时，UT≈26mV。

如果Uid为三角波，设表达式为

Uid（t）=[4*Um*（t-T/4）]/T（0<=t<=T/2）

Uid（t）=[-4*Um*（t-3*T/4）]/T（T/2<=t<=T）

式中Um是三角波的幅度；T是三角波的周期。

为使输出波形更接近正弦波，有三个条件：

（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R5调节三角波的幅度，R9调整电路的对称性，其并联电阻R10用来减小差分放大器的线性区。

电容C5为隔直电容，C8为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

隔直电容C5要取得较大，因为输出频率很低，取c5=500微法，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，c6,c7可取得较小，一般为几十皮法至0.01微法。

R9=100欧与R10=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。

图6正弦波的产生电路

4.元件选择

本电路采用555定时器，555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

一般用双极型（TTL）工艺制作的称为555，用互补金属氧化物（CMOS）工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。

555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制和检测电路中。

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

555定时器引脚功能：

1脚：

外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

2脚：

低触发端TR。

3脚：

输出端Vo。

4脚：

是直接清零端。

当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：

VC为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

6脚：

高触发端TH。

7脚：

放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

8脚：

外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。

一般用5V。

555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、由两个与非门G1和G2组成的基本RS触发器（低电平触发）、放电三极管T以及输出反相缓冲器G3组成。

555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图7所示。

图7555定时器逻辑符号和管脚排列

5.整体电路

5.1总电路图

图8总电路图

5.2电路仿真

图9方波的仿真图

图10三角波仿真波形图

图11正弦波仿真波形

6.总结与体会

为期两个星期的课程设计已经结束，在这两星期的学习、设计过程中我感触颇深。

使我对抽象的理论有了具体的认识。

通过对函数信号发生器的设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；通过对函数信号发生器的设计，我们还深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。

而且通过对此课程的设计，我们不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。

最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。

也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。

他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。

在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我们感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。

而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧！

在实验过程中，我们遇到了不少的问题。

比如：

波形失真，甚至不出波形这样的问题。

在老师和同学的帮助下，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啦。

实验中暴露出我们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，老师们不厌其烦地为我们调整波形，讲解知识点。

最后用一句话来结束吧：

“实践是检验真理的唯一标准”。

7.参考文献

[1]王传昌，《高分子化工的研究对象》，天津，天津大学学报，1997年

[2]李明，《物理学》，北京，科学出版社，1977年

[3]郝鸿安，《555集成电路实用大全》，上海，上海科学普及出版社，1996年

[4]陈兆仁，《电子技术基础实验研究与设计》，北京，电子工业出版社，2000年

[5]毕满清，《电子技术实验与课程设计》，北京，机械工业出版社，2012年