函数信号发生器的设计.docx
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函数信号发生器的设计
课程设计任务书
课程名称电子线路课程设计
课程设计题目函数信号发生器的设计
课程设计的内容及要求：
一、设计说明与技术指标
1．设计能产生正弦波等波形的函数信号发生器，
2．信号频率范围：
1Hz∽100kHz；
3．输出波形要求
①正弦波谐波失真度≤2%；
②方波上升沿和下降沿时间不得超过200nS，占空比在48%∽50%之间；
4．输出信号幅度范围：
0∽20V；
二、设计要求
1．在选择器件时，应考虑成本。
2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。
3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。
三、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用multisim软件仿真。
2．进行实验数据处理和分析。
四、推荐参考资料
1.童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础．[M]北京：
高等教育出版社，2006年
2.阎石，数字电子技术（第五版）．[M]北京：
高等教育出版社，2005.
3.陈孝彬《555集成电路实用电路集》高等教育出版社2002-8
4.王刚《TTL集成电路应用》机械工业出版社2000-10
五、按照要求撰写课程设计报告
成绩评定表：
序号
评定项目
评分成绩
1
设计方案正确，具有可行性，创新性（15分）
2
设计结果可信（例如：
系统分析、仿真结果）（15分）
3
态度认真，遵守纪律（15分）
4
设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（25分）
5
答辩（30分）
总分
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
1、概述
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）。
函数信号发生器的应用十分广泛，无论是在生产、科研还是教学上，函数信号发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具。
例如在通信、官博、电视系统中，都需要射频发射，这里的射频波就是载波，把音频、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的函数信号发生器。
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。
二、方案论证
设计一个函数信号发生器，能产生正弦波和方波，并且输出信号幅度和信号频率可调，谐波失真度较小。
方案一：
方案一原理框图如图1所示。
差分放大电路
积分运算电路
多谐振动器
产生三角波
产生方波
产生正弦波
图1数字电子电路实现方案原理图
由555定时器所构成的多谐振动器产生方波,方波经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波。
采用分立器件实现电路组成，主要的部件电压比较器、积分运算电路、差分放大电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。
该方案由三级单元电路组成的，第一级单元可以产生方波，第二级可以产生三角波，第三级可以产生正弦波，通过第二级的选择开关可以实现频率波段的转换，通过对差分放大电路部分元器件的调节来改善正弦波产生的波形。
方案二：
方案二原理框图如图2所示。
施密特触发器
产生方波
方波整形
电压比较器
产生正弦波
电压放大器
负反馈网络
正反馈网络
运算放大器
图2模拟电子电路实现方案的原理图
有RC震荡回路产生正弦波，再由比较器产生方波。
该方案通过调节不同电位器可调节函数发生器输出振荡频率大小、占空比、正弦波信号的失真，可产生精度较高的方波、三角波、正弦波，且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。
该电路有二级单元组成，第一级单元产生正弦波，第二级单元产生方波。
通过对正反馈网络元器件参数的调节可以改变信号的频率范围，通过对负反馈网络元器件参数的调节可以减小谐波失真度，通过施密特触发器来改善方波产生的波形。
方案二采用芯片精度较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，它们能产生300kHz以下的中低频正弦波、矩形波和三角波。
与题目要求相符。
综上所述，选择第二种方案。
用改进过的RC震荡回路产生正弦波，用运放将产生的正弦波放大，再用电压比较器比较器将放大了的正弦波转换为方波。
三、电路设计
1.正弦波发生电路
实用的RC正弦波振荡电路多种多样，但最具典型性的是RC桥式正弦波振荡电路，也称文氏桥振荡电路。
本设计采用的就是这种电路。
当输入量为0时，反馈量等于尽输入量。
由于电扰动，电路产生一个幅值很小的输出量，它含有丰富的频率，而电路只对频率为f0的正弦波产生正反馈过程，则输出信号进入一个循环——输出电压增,反馈电压增，输出电压增。
在正反馈过程中，输出电压越来越大。
由于晶体管的非线性特性，当输出电压的幅值增大到一定程度时，放大倍数的数值将减小。
因此，输出电压不会无限制的增大，当输出电压增到一定值时，电路达到平衡。
图3正弦波产生电路
正反馈网络由R1、C2、C3、C6和R2、C1、C4、C5组成；负反馈网络由R3和R8组成。
为了获得较小的谐波失真度，R3的取值要略大于2R8。
此外，由于输出电压与输入电压具有良好的线性关系，所以为了稳定输出电压的幅值，在电路中加入非线性环节，如图中D1和D2。
为了使振荡频率连续可调，在正反馈网络中接入值可调的电容，如图中C3、C5等。
振荡频率f0=1/2*pi*RC
R=R1=R2，C的值根据可调电容的值与固定电容的值，用电容的串并联规律求得。
C=C2+C3+C6=C1+C4+C5
所以改变电容的值即可改变振荡频率。
2.方波发生电路
由RC振荡回路产生的正弦波幅值比较小，因此，用一个运算放大器将它放大，再通过电压比较器将它转化为方波。
输出电压幅度要求连续可调，这部分通过改变滑动变阻器R9的阻值来调节。
图4方波产生电路
占空比要求在48%~50%之间，如果用普通的电阻，
方波的占空比=R11/（R11+R12）
占空比总是大于50%。
所以R11用滑动变阻器。
滑动变阻器R11可以分为两部分,上部分阻值是Ra和下部分组织史Rb，
方波的占空比=Ra/（R11+R12）
只要Ra小于15K，占空比就在50%以下，经过计算，要满足题目要求，Ra的取值应该在14.4K和15K之间。
方波的上升沿和下降沿容易受到多种因素的影响。
例如：
当传输线上电容较大时，波形的上升沿和下降沿将被明显破坏；当传输线较长时且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。
施密特触发器具有脉冲整形作用，题目要求方波的上升沿和下降沿时间不得超过200ns，因此加一个施密特触发器，使波形更完美。
四、性能测试
1.正弦波波形测试
图5正弦波仿真结果
2.谐波失真度测试
谐波失真度由负反馈网络决定，取R8=8K，R3=16.5K，R3略大于R8。
图6正弦波谐波失真度测试
3.方波波形测试
图7方波仿真结果
4.方波上升沿下降沿测试
图8方波的上升沿和下降沿测试
5.方波的占空比测试
方波的占空比=Ra/（R11+R12）
取Ra=14.5K，R11=20K，R12=10K。
方波的占空比=48.33%
6.总的芯能测试
取R1=R2=158K，C1=C2=1nF，C3=C4=C5=C6=5nF。
f0=91.467HZ
图9频率测试1
取R1=R2=158K，C1=C2=1nF，C3=5nF，C4=0nF，C5=C6=10nF。
f0=17.018KHZ
图10频率测试2
7.输出电压幅度测试
分别取R9=40K和120K，输出电压幅度如下。
图11输出电压幅度测试
5、结论
实验总结
通过本次课设，我对模拟电子技术与数字电子技术有了更深的理解；对所学知识的应用有了更深刻的认识；也使自己的创作能力与团队合作能力得到提高。
本课题根据设计中要实现的功能，经过自己认真地分析、实践，确立方案，书写文档，设计出电路，在设计过程中翻阅了大量资料，通过对所得的各种资料的综合分析，提炼出自己需要的信息，从而提高自己的分析能力；通过对主要技术指标的分析，认真体会了设计时的各项技术政策；通过对设计时出现的各种问题的分析与解决，锻炼了独立分析，进行工程设计的能力；通过对电路设计中的某些问题的较为深入的探索，培养了自己的科研工作能力；通过设计论文的书写，进一步锻炼了绘图技巧，文字表达能力和对工作的认真态度。
在这次课设中遇到的主要问题是，再将正弦波转换为方波时，如何确保方波下降沿较小。
我和小组成员尝试了很多方法，都不能实现，最好的情况是400ns，与题目要求的还差一点。
最终，经过小组成员的努力，查阅了很资料，找到了用施密特触发器对输出波形整形的方法，并顺利解决了问题。
这让我很有成就感。
总而言之，这次电子线路课程设计，使我离成功更进一步。
我非常感谢学校和老师能给我这一个锻炼的机会，我也非常珍惜这个机会，我更加感谢老师能够尽心尽力不厌其烦的给我指导，这使我受益匪浅。
我很自豪我顺利完成了课设，同样，也很庆幸有这样一个环境。
参考文献
1.童诗白，华成英主编。
模拟电子技术基础.[M]北京：
高等教育出版社，2006.
2.阎石，数字电子技术（第五版）.[M]北京：
高等教育出版社，2005.
3.陈孝彬《555集成电路实用电路集》高等教育出版社，2002-8.
4.王刚《TTL集成电路应用》机械工业出版社，2000-10.
5.邱关源，电路（第五版）.[M]北京：
高等教育出版社，2006-5.
附录1总的原理图
附录2元器件清单
序号
编号
名称
型号
数量
1
U1
集成运放
OP07AH
3
2
U4A
施密特触发器
7414N
1
3
R1
电阻
158K
2
4
R3
电阻
16.5K
1
5
R4
电阻
49.6K
2
6
R5
电阻
2.9K
2
7
R8
电阻
8K
1
8
R9
滑动变阻器
200K
1
9
R10
电阻
10K
2
10
R11
电阻
20K
1
11
R13
滑动变阻器
1.0K
1
12
C1
可调电容
10nF
6
13
C2
电容
1nF
2
14
D1
二极管
DBREAK
2
15
导线
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