课题 函数信号发生器的课程设计.docx

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课题函数信号发生器的课程设计

函数信号发生器的设计报告

一、设计要求2

二、设计作用和目的3

三、设计方案的具体实现4

1）设计方案概述4

2）方案比较5

3）设计方案的实现5

四、单元电路的设计与分析6

1）方波—三角波的设计及仿真6

i．方波部分6

ii．三角波部分8

iii．方波—三角波转换9

2）正弦波的设计及仿真11

五、心得体会及建议15

六、附录17

七、参考文献18

一、设计要求

1.利用集成运算放大器，设计一个正弦波—方波—三角波函数信号发生器。

使得信号频率可调，发出信号不失真。

2.频率范围100Hz~1KHz。

3.输出电压：

正弦波Up-p>6V，方波Up-p=12V，三角波Up-p=12V。

4.总体设计画出电路原理框图。

5.单元电路设计。

6.利用仿真软件设计进行电路仿真，列出元件明细表。

7.撰写设计说明书。

二、设计的作用和目的

1.巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。

2.培养根据课题需要选学参考书籍，查阅手册，图表和文献资料的自学能力。

通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。

3.通过电路方案的分析，论证和比较，设计计算和选取元器件；初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。

4.了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。

5.学会运用Mulitisim8仿真软件对所做出的理论设计进行仿真测试，并能进一步完善设计。

6.熟练掌握常用元器件的识别和测试，熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。

7.培养严肃，认真的工作作风和科学态度

三、设计方案的具体实现

1）设计方案概述

函数信号发生器是一种常用的信号源，是是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。

在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都要有信号源。

通常所说的函数信号发生器指的是能自动产生正弦波—三角波—方波等的电路或者仪器。

根据不同的需要有产生一种波形的发生器，也有产生多种波形的发生器，所使用的期间可以是分立元件，也可以是专用集成电路。

根据要求，产生正弦波、方波、三角波的方案有许多种，例如首先产生正弦波，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，再将三角波变成正弦波或方波，再或者先产生方波，再将方波变成正弦波等等。

2）方案比较

方案一：

以由分立元件运算放大器、电阻、电容、晶体管等器件组成电路，主要部件是运算放大器LM741组的滞回放大电路、积分电路和差分放大电路构成。

分为三级单元电路组成，第一级单元电路利用滞回放大器产生方波，第二级为积分电路改成三角波，第三级电路用运算放大器改为正弦波。

图1由差分放大电路构成的函数信号发生器

方案二：

采用单片集成芯片来构成函数信号发生器，由于单片集成芯片的知识对于我们比较陌生，而且集成电路的芯片中各路元件已经设计好，不能实现我们本设计的目的，所以此方案不采用。

方案三、

运用集成放大器、电容、电阻等基本元件实现正弦波—方波—三角波的波形的产生，本课程设计采用先用滞回比较电路—积分电路—RC振荡电路来实现函数信号发生器的设计。

由于滞回比较电路、积分电路、RC振荡电路等为我们本学期模拟电子课程所学习的内容，所以便于我们通过本设计来熟悉所学知识。

3）设计方案的实现

本次课程设计函数信号发生器实现方案的特点是：

首先是滞回比较电路产生方波，再通过积分电路产生三角波，然后再通过RC桥式振荡电路产生正弦波。

下面我们将分别对各个波形的发生进行分析，从而达到在合成电路时使电路更加合理，如图2。

图2系统实现方案整体框图

四、单元电路的设计与分析

1）方波—三角波发生电路的设计

i.方波部分

由运放LM324为主构成的同相滞回比较电路产生方波信号的工作原理图如下图3：

电路中运用集成运算放大器LM324，用稳压管D1、D2来实现对方波信号的幅值的稳定，经过用Multisim软件多次反复的实验确定11.3V的稳压幅值可以实现方波信号Up-p为12V左右，各个电阻阻值通过参数计算及查阅资料来确定。

电位器R8的改变可以改变输出方波信号的频率值，电路的参数计算及器件选择后面写出。

使用Multisim10.1仿真软件仿真出的波形图如下图4所示，电压峰峰值Up-p为12.4V。

图3方波发生电路原理图

图4方波仿真图

ii.三角波部分

图5三角波发生电路原理图

本课程设计要求输出频率为100Hz~1kHz，，所以电容选择C1=100nF以实现频段的转换，R4以及R7阻值都不变，平衡电阻R5等于10kΩ。

运放经过查阅资料及多次试验，选择3288RT，直流电源电源

。

图6三角波仿真图

iii.方波—三角波转换部分

方波—三角波转换的整体工作原理图如下图

图7方波—三角波转换电路原理图

图7中由同相输入滞回比较器产生方波，有运算放大器LM324、电阻和稳压管组成。

当同相端输入电压大于零时，运放输出幅值为+Uz的高电平当同相端输入电压小于零时，运放输入幅值为-Uz的低电平，故输出Uo1的幅值为±Uz的方波。

右边的积分运算电路由电阻和电容组成。

当方波输出Uo1输出高电平时，电容充电，运放输出电压负方向线性增加，并发亏到滞回比较器的同相输入端，控制其输出端的状态跳变；当Uo1输出电压跳变到低电平是，电容放电，运放输出电压正方向线性增加，并反馈回去，从而在三角波输出Uo2端得到周期性的频率与方波相同的三角波。

参数计算和器件选择

滞回比较器中运算放大器LM324同相输入端的电压U+同时与Uo1和Uo2有关，根据叠加原理，可得：

根据叠加原理，集成运放U1A同相输入端的电位U+=U-=0，

，滞回比较器的输出发生跳变。

阈值电压

。

由积分电路的运算可得：

起始值为-UT，终了值为+UT，积分时间为T/2。

此时

故得：

所以频率为：

可以通过控制R8的阻值来实现改变方波输出电压Uo1的频率。

由Multisim软件仿真之后的仿真图如下图8。

图8方波—三角波转换电路仿真图

2）正弦波发生电路

由RC振荡器振荡产生正弦波信号的工作原理图如下图10：

正弦波振荡器是在只有直流供电、不加外加输入信号的条件下产生正弦波信号的电路，通常由放大电路、选频网络。

正反馈网络、稳幅环节组成。

根据选频电路回路的不同，正弦波振荡器可分为RC正弦波振荡器。

LC正弦波振荡器和石英晶体振荡器。

其中，RC正弦波振荡器驻澳用于产生中低频正弦波，振荡频率一般小于1MHz；如在电子琴中产生音频信号灯；LC正弦波振荡器主要用于高频率震荡，如收音机的本机震荡；而石英晶体震荡器主要应用

图9正弦波发生电路原理图

于对频率稳定度要求较高的场合，如产生时钟信号等。

本次课程设计要求频率范围是100Hz~1kHz，所以采用RC正弦波振荡器来

实现正弦波信号的简易输出。

RC正弦波振荡器的实验电路如上图图9所示。

其中，由R4、C1、R5、C2组成的RC串、并联选频网络引入了正反馈，其谐振频率为：

此时RC串、并联网络的增益为

。

所以满足正弦振荡的幅值条件，由运算放大器和R3、R6、R1组成同相比例放大器的增益：

（起振时大于3，稳定振荡时等于3）。

参数计算及器件选择

正反馈通道是RC串、并联选频网络，震荡频率取决于选频网络的参数。

在图中，因为RC串、并联网络在正弦波振荡电路中既为选频网络，又为正反馈网络，所以其输入电压为

，输出电压为

。

由图得到：

整理可得：

（1）

令

，则

代入

（1）式，得出

幅频特性为：

相频特性为：

当RC桥式正弦波振荡电路要产生振荡必须满足相位平衡条件

和幅度平衡条件

，即需要电路的振荡频率为

改变电阻R6的电阻阻值可以改变负反馈的深度，使电路产生稳定振荡、停振和波形振荡是真的几种不同的输入信号。

调节R6的值为37.5%可以得到RC振荡的起振波形，用Multisim仿真软件仿真得到的起振波形如下图11所示；下图12是用仿真软件仿真所得的正弦波振荡振荡中的波形。

原电路为先选出电容为μF级的电容，本次课程设计选择1μF的电容，电阻阻值通过查阅资料以及用仿真软件不断改变尝试所得。

图10起振波形仿真

图11正弦波振荡电路振荡中的仿真

五、心得体会及建议

通过本次课程设计，我巩固的本学期在《模拟电子技术基础》中所学习的对各种电路的简单应用，尤其是对于RC振荡电路、滞回比较电路、积分电路以及差分放大电路在设计函数信号发生器过程中的应用。

在课程设计的过程中，我学会了如何自己根据已知条件，把各个熟悉的元件应用到各个电路中。

在此过程中，我需要不断地认真分析已知条件，以及老师所给的基本电路，在遇到不会的知识点时，需要积极地去图书馆查阅资料，从对各种资料的综合分析中提取出自己需要的信息，提高了自己的分析能力。

在设计过程中，我还学会了如何熟练的使用Multisim仿真软件来模拟现实电路，对各个元件的查找等等。

在本次课程设计的过程中，通过自己查阅资料，解决做课设过程中出现的各种问题，锻炼了我的独立分析能力，进行电路设计的能力，培养了自己对各个问题深入探索的能力以及自己钻研学习的能力，通过设计论文的书写，锻炼了自己的语言表达能力以及对知识点的透彻了解。

在设计以及仿真过程中遇到的很多自己解决不了问题，通过和同组同学查阅资料以及讨论，请老师指导等途径解决了，更加深了我对基础知识的理解，以及对本学期学习的专业知识的巩固，使得我能将理论学习与实际设计相结合起来。

五、附录

元件明细表

元件名称

数量

规格或型号

运算放大器

3个

LM324、3288RT

200Ω电阻

1个

1kΩ电阻

2个

3kΩ电阻

1个

10kΩ电阻

6个

50kΩ变位器

2个

100kΩ变位器

1个

稳压管

2个

11.3V

二极管1BH62

2个

1BH62

电容10

2个

1µF、100nF

七、参考文献

[1]纪静波·低频电子线路·机械工业出版社·2009.1

[2]杨凌·模拟电子线路·机械工业出版社·2006.7

[3]何希才·尤克·振荡电路的设计与应用·科学出版社·2005.3

[4]张新喜等·Multisim10电路仿真及应用·机械工业出版社·2010.2

[5]童诗白·模拟电子技术基础·高等教育出版社·2009.4

[6]熊伟林主编·模拟电子技术及应用·机械工业出版社·2010.6

[7]刘树林·低频电子线路·机械工业出版社·2008.8