函数发生器的设计.docx
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函数发生器的设计
电子实习报告
题目：
函数发生器的设计
课程：
电子实习
专业：
电子信息工程
班级：
学号：
姓名：
成绩：
完成日期：
2013年05月27日至2013年5月31日
目录
1.函数发生器总方案及原理框图1
1.1函数发生器的总方案1
1.2电路设计的原理框图2
2.课程设计的目的和任务3
2.1设计的目的3
2.2课程设计的任务与要求3
2.3课程设计的技术指标3
2.4课程设计的时间安排4
3.各部分电路设计5
3.1方波发生电路的工作原理5
3.2方波——三角波转换电路的工作原理6
3.3三角波——正弦波转换电路的工作原理8
3.4电路的参数选择及计算9
3.5总电路图10
4.电路的安装与调试12
4.1方波---三角波发生电路的安装与调试12
4.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试12
4.3总电路的安装与调试13
4.4调试中遇到的问题及解决的方法13
5.电路实验结果及分析14
5.1方波实测结果14
5.2三角波实测结果15
5.3正弦波实测结果15
5.4误差分析及改进方法16
6.实习总结17
7.仪器仪表明细清单19
8.参考文献21
1.函数发生器总方案及原理框图
1.1函数发生器的总方案
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，
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。
1.2电路设计的原理框图
图1原理框图
2.课程设计的目的和任务
2.1设计的目的
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；
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。
2.2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
2.3课程设计的技术指标
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；
2.4课程设计的时间安排
时间
任务安排
5月27日（星期一）
资料的查找
5月28日（星期二）
学习函数信号发生器的原理
5月29日（星期三）
电路板的焊接
5月30日（星期四）
电路的调试
5月31日（星期五）
电路的调试、写实习报告
3.各部分电路设计
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回路即作为迟滞环节，又作为反馈网络，通过RC冲、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，如图中箭头所示。
反相输入端电位n随时间的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是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对电容反相充电，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=-Uz再减小，UO就从-Uz跃变为+Uz，UO从-Ut跃变为+Ut，电容又开是正向充电。
上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。
同相滞回比较器的电压传输特性曲线
3.2方波——三角波转换电路的工作原理
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，
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：
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。
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
三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。
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，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。
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。
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
为使输出波形更接近正弦波，由图可见：
传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；
三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
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。
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。
由式（3-61）得
即
取
，则
，取
，RP1为47KΩ的点位器。
区平衡电阻
由式
即
当
时，取
，则
，取
，为100KΩ电位器。
当
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Re2确定。
3.5总电路图
4.电路的安装与调试
4.1方波---三角波发生电路的安装与调试
1.安装方波——三角波产生电路
1.把LM324集成块插入插槽，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R6，使三角波的幅值满足指标要求；
3.调节R7，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安装。
4.2三角波---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）在万用板上接入低通滤波电路；
（2）搭生成直流源电路，注意各电阻的阻值选取；
（3）接入各电容及电位器，注意电容型号的选取，尽量选电容值相等的电容；
（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C2、C3接地；
（2）在R8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；
4.3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为4V。
4.4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，否则电路可能会不起振。
只要电路接线正确，上电后，接Uo1端时，示波器输出为方波；接Uo2端时，输出为三角波。
刚开始连接，进行调试时，只能出现正弦波，后经老师指点，原来，电路的接地线接错了位置，改正后，方波和三角波才调试出来。
2.三角波---正弦波变换电路的装调
按照图电路，装调三角波—正弦波变换电路，电路的调试步骤如下：
将Uo3端接上示波器，正弦波形出现失真现象，后经老师指导，是因为
时，频率较低，把它替换成0.47纳伏，后经调试，波形变得标准些，但不是很标准；后来，老师又让我们在Re2上并联一个小电阻，调试后，出现标准波形。
5.电路实验结果及分析
5.1方波实测结果
方波实测结果
5.2三角波实测结果
三角波实测结果
。
5.3正弦波实测结果
正弦波实测结果
5.4误差分析及改进方法
1、自己的焊接技术不好，在工艺上无形的改变了某些参数，对电路造成了许多的影响。
2、在由三角波到正弦波的转换电路中，在很长的一段时间的测出来的正弦波都是很不规则的，这个问题是通过减小电容以及并联电阻解决的，实际上，分析一下便知，当电容过大时，频率很低，不容易在实际电路中实现
6.实习总结
为期一个星期的课程设计已经结束，在这一个星期的学习、设计、焊接过程中我感触颇深。
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；进一步了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。
通过对函数信号发生器的设计，我还深刻认识到了“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，我个人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。
其次，这次课程设计从选题到设计电路再到参数设计以及连接电路到最后调试电路的过程中体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦，体会到成功来自于汗水，体会到成果的来之不易。
在函数发生器的设计过程中，我们不能只懂得电路板的焊接，关键是明白其工作原理以及出现问题后的对电路板的检查及修改，如果只懂得焊接的话，将来也只能做一名蓝领工人而无法取得较高的成就。
在实习过程中，我们遇到了不少的问题。
例如在调试正弦波的过程中，示波器上显示的波形总是不圆滑、不规则的，在老师的帮助下，我们通过换小一点的电容以及减小电阻，即再并联一个电阻，最后把问题解决，当在示波器上看到圆润的、非常完美的正弦波的那一刻，心情别提有多高兴啦，一种满足感油然而生。
此外，实习过程中也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，陆超老师不厌其烦地为我们调整波形，讲解知识点，实在令我感动，在这里，我要特别感谢陆超老师的辛勤付出，他让我掌握了更多的知识，明白了更多的道理。
还有就是在课题中，让我想起用电等方面安全问题，所以在以后的实习中我们应该注意安全，特别是在特殊的地方或者使用特殊工具时，一定要特别注意，不让危险事故发生。
最后用一句话来结束吧：
“实践出真知”。
7.仪器仪表明细清单
类型
规格
数量
备注
电阻
10K
3个
20K
3个
2K
2个
5.1K
1个
6.8K
1个
8K
1个
100K
1个
滑动变阻器
50K
1个
100
1个
100K
1个
芯片
UA747CN
1块
芯片插槽
14管脚
1块
电容
0.1uF
3只
0.47uF
1只
1uF
1只
10uF
1只
47uF
1只
470uF
1只
三极管
S9013
4只
PCB板
110×70
1块
导线
多股皮包线
6根
锡丝
0.8mm
若干
电源
直流稳压
1台
示波器
双踪
1台
钳子
1把
镊子
1只
8.参考文献
1、王港元《电工电子实践指导》（第二版）[M]江西科学技术出版社，2005.
2、谢自美《电子线路设计、课题、测试》（第二版）[M]华中理工大学出版社，2000
3、张友汉《电子线路设计应用手册》[M]福建科学技术出版社，2000.
4、陈兆仁《电子技术基础课题研究与设计》[M]电子工业出版社，2000.
5、毕满清《电子技术课题与课程设计》[M]机械工业出版社，2000
6、康华光《电子技术基础》（数字部分）[M]高等教育出版社，2005
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