函数发生器的设计和仿真实现讲解.docx
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函数发生器的设计和仿真实现讲解
学号：
课程设计
课程名称
模拟电子技术基础课程设计
题目
函数发生器
学院
专业
班级
姓名
指导教师
2015
年
01
月
20
日
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
题目:
函数发生器的设计和仿真实现
初始条件：
具备模拟电子电路的理论知识；
具备模拟电路基本电路的设计能力；
具备模拟电路的基本调试手段；
自选相关电子器件。
要求完成的主要任务:
（1）设计任务
根据要求，完成对方波－三角波－正弦波发生器的仿真设计、仿真、装配与调试，并自制直流稳压电源
（2）设计要求
①正弦波Upp≈3V，幅度连续可调；三角波Upp≈5V，幅度连续可调；方波Upp≈14V，幅度连续可调。
频率范围：
三段：
10~100Hz，100Hz~1KHz，1KHz~10KHz；
频率控制方式：
改变RC时间常数；
正弦波输出电量：
电流；
②选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。
③利用Proteus或Multisim仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理并仿真实现系统功能。
④安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。
⑤选做：
利用仿真软件的PCB设计功能进行PCB设计。
时间安排：
1、2015年1月13日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明,查阅相关资料，学习电路的工作原理。
。
2、2015年1月14日至2015年1月16日，方案选择和电路设计。
3、2015年1月17日至2015年1月18日，电路调试和设计说明书撰写。
4、2015年1月20日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
本次课程设计的题目是函数发生器,函数发生器可以产生正弦波、方波、三角波甚至任意波形，有很宽的频率调节范围。
通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出正弦波、方波、三角波的简易发生器
我们所做的课程设计电路，是运用集成运算放大器芯片UA741CD来组建函数发生器的几个模块，产生正弦波、方波、三角波。
RC文氏电桥振荡产生正弦信号，再通过电压比较器将正弦信号转换成方波信号，方波信号通过积分比较器后即可转变成三角波。
接入示波器即可显示对应正弦波、方波、三角波。
关键词：
UA741CD、函数发生器、RC文氏电桥、电压比较器、积分器
Abstract
Thecoursedesignisthesubjectoffunctiongenerator,functiongeneratorcanproducesinewave,trianglewave,squarewaveevenarbitrarywaveform,wideadjustablerangeoffrequency.Byanalyzingtheprinciplesandcomponentsofthefunctiongeneratorcanchangethedesignofasimplegeneratorofsinewave,trianglewave,squarewave.
Curriculumdesigncircuitofwhatwedo,isseveralmodulesusingthechipintegratedoperationalamplifierUA741CDtoestablishthefunctiongenerator,generatesinewave,trianglewave,squarewave.ThesinusoidalsignalgeneratorRCWienbridgeoscillation,thenthesinesignalisconvertedintoasquarewavesignalbyavoltagecomparator,squarewavesignalsthroughintegralcomparatorcanbetransformedintoatriangularwave.Oscilloscopecandisplaythecorrespondingaccesssinewave,trianglewave,squarewave.
Keywords:
UA741CD,functiongenerator,RCWienbridgecircuit,voltagecomparator,integrator
函数发生器
1.设计概述
设计电路分为直流稳压电源模块、RC正弦波振荡电路及选频网络模块、电压比较器产生方波模块、积分器产生三角波模块。
2.NA741芯片简介
2.1UA741芯片
UA741型运放双列直插封装的俯视图如图1
（1）所示。
紧靠缺口（有时也用小圆点标记）下方的管脚编号为1，按逆时针方向，管脚编号依次为2，3，…，8。
其中，管脚2为运放反相输入端，管脚3为同相输入端，管脚6为输出端，管脚7为正电源端，管脚4为负电源端，管脚8为空端，管脚1和5为调零端。
通常，在两个调零端接一几十千欧的电位器，其滑动端接负电源，如图1
（2）所示。
调整电位器，可使失调电压为零。
图1
（1）图1
（2）
2.2LM7815芯片和LM7915芯片
LM78**：
1输入，2地，3输出；LM79**：
1地，2输入，3输出。
3.各部分电路设计
3.1直流稳压电源电路
该模块分四部分，变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路。
电源变压器：
将电网提供的220V交流电压通过变压器转换为+18V电压输出。
整流电路：
利用单向导电器件构成的整流桥将交流电转换成脉动直流电。
滤波电路：
利用储能元件C1、C2把脉动直流电转换成比较平坦的直流电。
稳压电路：
利用集成稳压芯片LM7815和LM7915各一块组成具有同时输出+15V、-15V电压的稳压电路。
仿真电路图如下：
图1直流稳压电源仿真电路图
图2直流稳压可调电源仿真结果
3.2函数发生器的原理
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，也可以采用集成电路。
为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本次课程设计采用由集成运算放大器组成的正弦波—方波—三角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，有首先产生正弦波，通过整形电路将正弦波变换成方波，再通过积分电路将方波变成三角波；还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。
本课题采用先产生正弦波再转换成方波，再将方波变成三角波的电路设计方法。
3.3函数发生器设计思路及流程图
通过RC正弦波振荡电路及选频网络产生频率可调的正弦信号，然后通过电压比较器将正弦信号转换成同频率的方波信号、通过积分器将方波信号转换成同频率的三角波。
最后，接调幅网络后即可输出幅度、频率可调的正弦、方波、三角波信号。
函数信号发生器的设计框图如图3所示。
图3.函数信号发生器框图
3.4函数发生器的仿真图
图4
3.5AltiumDesigner设计原理图
AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在WindowsXP操作系统。
这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。
AltiumDesigner除了全面继承包括Protel99SE、ProtelDXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。
该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。
由于AltiumDesigner在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，AltiumDesigner对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。
利用AltiumDesigner画出原理图然后布线画出电路所需的PCB图，使得焊接电路更加准确，避免出现焊接错误或者是焊接电路过于复杂等问题。
设计原理图及PCB板如图5、图6所示。
图5.原理图
图6.PCB图
4.函数发生器各模块电路设计
4.1正弦波模块
正弦波模块是文氏桥电路。
RC串并联网络构成选频网络兼正反馈网络，加上负反馈网络后构成RC文氏电桥振荡产生正弦信号，其振荡是电路的自激振荡，由直流信号变成正弦信号的过程。
如图7所示UA741为放大环节，R3和RC串并联构成正负反馈，RC串并联也是选频环节，两个1N4007组成稳幅环节。
可知，正弦波模块由放大环节、选频环节、正反馈网络及稳幅环节构成。
振荡频率几乎仅决定于选频网络，通常选用引入电压串联负反馈的放大电路，正反馈网络的反馈电压Uf是同相比例运算电路的输入电压，要把同相比例运算电路作为整体看成电路放大电路，它的比例系数是电压放大倍数，根据起振条件和幅值平衡条件有：
R5
2R1
且振荡产生正弦波频率为：
RC桥式振荡的振荡频率是由RC网络决定的，选择RC的值时，要已知的振荡频率作为主要依据。
同时，为了使选频网络的特性不受集成放大器输入和输出电阻的影响，放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻以减少放大电路对选频特性的影响，在选择R1时还应考虑R1应该远远大于集成远放的输出电阻，并且要远远小于集成远放的输入电阻。
实际应用的时候要注意选择的是要稳定性较好的电阻和电容。
计算电容的值：
fo=1/（2πRC），此时fo=f
电阻的计算：
R5和R4的值可以由起振条件来确定，通常取R5=2.1R4，这样可以保证起振又不会使输出波形严重失真。
由于设计中要求10Hz<
<10KHz，所以可以计算出
R
。
又因R5
R4取R5=2.1R4
可得R1=
。
设计R
要考虑失调电流及其漂移影响，应该取R1=R4//R5。
综合上述两个条件可算出R4的值为5.85
～0.585K，则R5应为12.145
～1.24154K。
实际应用时应当调节这两个电阻的值使其满足要求。
图7正弦波模块
4.2方波模块设计
方波转换电路输入为可调频率的正弦波，经由UA741构成的过零电压比较器，将周期性的正弦信号转换成同频率的方波信号。
比较器基本功能是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平或低电平电压，据此来判断输入信号的大小和极性。
电压比较器是将一个模拟输入信号ui与一个固定的参考电压UR进行比较和鉴别的电路。
参考电压为零的比较器称为零电平比较器。
按输入方式的不同可分为反相输入和同相输入两种零电位比较器。
当ui处于正半周期时，Vp>Vn，又由于放大器开环增益接近无穷大，故输出uo等于稳压二极管稳压值。
当输入ui为负半周时，Vp>Vn，输出达到负饱和。
同相输入过零比较器原理图如图8所示，方波转换电路图如图9所示。
图8.同相输入过零比较器原理图图9方波转换电路图
4.2.1方波电路参数设计
1N4733A稳压值为5.1V，适合输出幅度要求
4.3三角波模块设计
积分电路能将方波转换成三角波,并具有延时和移相作用。
采用改变电路中R、C的值,比较RC与T的大小关系，将方波信号转换成三角波信号。
使输出电压与输入电压的时间积分值成比例的电路。
最简单的积分电路由一个电阻器R和一个电容器C构成积分电路，可由周期性方波信号转换成同频率三角波信号。
三角波电路图如图10所示。
4.3.1三角波电路参数设计
由于输入输出满足关系：
，所以积分电路的输出相位改变180度时即可实现由方波转换成同频率三角波。
根据设计要求应满足方波Upp约为14V，三角波约为5V，即vi=Upp,vo=5V,则可由
求出所需的R、C的值。
图10三角波电路图
5.仿真软件
在本次课程设计中，运用到仿真软件Multisim来进行电路的仿真，学会并绘制仿真电路图。
Multisim具有的功能繁多，可以更好地为我们提供很好的模拟效果，实现我们所需要的各种效果，目前NIMultisim13.0是最新产品。
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
本次课程设计的任务是设计函数发生器，利用Multisim绘制原理图后可以运用虚拟示波器得到仿真出想要的正弦波、方波、三角波以及直流稳压电源得到的输出电压，并且利用仿真软件可以让我们在有构思和计算后有一个可以尝试看所想的电路是否合理，是否符合实验要求，这样就可以在进行实物的焊接前对得出的东西进行了解，但是，仿真和实际还是有区别的，仿真出来的结果是较为理想的结果，与实际可能存在一定的差距。
Multisim在此次课设中发挥着重要的作用。
下面是展示用Multisim仿真出来的函数发生器产生的波形情况。
图11为本课设任务函数发生器原理图。
图12为仿真出来的正弦波信号。
图13为仿真出来的方波信号。
图14为仿真出来的三角波信号。
图11
图12正弦波信号
图13方波信号
图14三角波信号
6.实物及调试得到波形信号
根据实验电路PCB板焊出所设计的函数发生器。
图15、图16分别为直流稳压电源及函数信号发生器实物图。
图17为用示波器调试得到的信号波形。
图15直流稳压电源
图16函数发生器
示波器调试出的正弦波、方波、三角波：
正弦波
方波
三角波
图17示波器得到信号
7、总结和收获
本次课程设计中，我们小组需要设计一个函数发生器，在经过讨论后决定好合理方案，整理思路后设计出合适的电路图并运用仿真软件进行仿真，得到的仿真结果和我们所需预想值一样后买元器件焊接实物。
焊接好后对实物进行合理的调试，使得输出波形和幅值符合设计要求。
通过本次课程设计，使自己更好地了解和掌握模拟电子电路的有关知识，对电路的设计也有了进一步的认识，接触到并学会了仿真软件Mmultisim， 在这个过程中，使用到Multisim仿真软件和Aultium Designer，运用这些软件可以更好地帮助我们完成课程设计，我这次主要是设计直流稳压电源并且按函数发生器原理图完成PCB板的设计。
课程设计不仅锻炼了动手能力和实践能力，也更好地培养了团队合作，和小组成员在进行课程设计过程中，不断发现问题并积极想出解决方案，每个人都有自己负责的任务，积极提出有益的建议。
在进行调试过程中，都动手对电路进行调试，使示波器可以显示所需要的正弦波、方波、三角波，并完成调试工作。
参考文献
[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）.北京：
高等教育出版社，2006
[2]何希才.新型集成电路应用实例.北京：
电子工业出版社，2002
[3]臧春华.电子线路设计与应用.北京：
高等出版社，2004
[4]吴友宇.模拟电子技术基础.北京：
清华大学出版社，2009
[5]童诗白.模拟电子技术基础（第五版）.北京：
高等教育出版社，2001
附录1整体元件清单
序号
元器件名称
数量
1
变压器（220：
18）
1
2
整流桥
1
3
电容470uF
2
4
电容0.03uF
2
5
电容0.01uF
2
6
LM7815
1
7
LM7915
1
8
电阻300Ω
2
表1直流稳压电源电路元件清单
表2函数发生器电路元件清单
序号
元器件名称
数量
1
UA741
3
2
1N4007
2
3
1N4733A
2
4
电容500nF
2
5
电容200nF
1
6
滑动变阻器10k
2
7
滑动变阻器5k
1
8
滑动变阻器100k
1
9
滑动变阻器200
1
10
电阻1k
4
11
电阻20k
1
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
函数发生器
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
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
信息工程学院课程设计评分表
评定项目
评分成绩
1．选题合理、目的明确（10分）
2．设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）
3．设计结果（例如：
硬件成果、软件程序）（20分）
4．态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）
5．设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）
6．答辩（25分）
总分
备注：
成绩等级：
优（90分—100分）、良（80分—89分）、中（70分—79分）、及格（60分—69分）、60分以下为不及格。
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