函数发生器武汉理工大学.docx

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函数发生器武汉理工大学

学号：

0121309341420

课程设计

题目

函数发生器的设计

学院

信息工程学院

专业

电子科学与技术

班级

电子1303班

姓名

涂飞

指导教师

韩屏

2015

年

01

月

17

日

课程设计任务书

学生姓名：

涂飞专业班级：

电子1303班

指导教师：

韩屏工作单位：

信息工程学院

题目:

函数发生器的设计

初始条件：

可选元件：

双运放μA741两只，双三极管3DG130两对，电阻、电位器、电容若干，直流电源Vcc=+12V，VEE=-12V，或自备元器件。

可用仪器：

示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表

要求完成的主要任务:

（1）设计任务

根据已知条件，完成对方波－三角波－正弦波发生器的设计、装配与调试。

（2）设计要求

频率范围　10~100Hz，100Hz~1KHz，1KHz~10KHz；

正弦波Upp≈3V，幅度连续可调，线性失真小。

三角波Upp≈5V，幅度连续可调，线性失真小。

方波Upp≈14V，幅度连续可调，线性失真小。

选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。

计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。

（选做：

用PSPICE或EWB软件完成仿真）

安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。

时间安排：

1、2015年1月12日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。

2、2015年1月13日至2015年1月21日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。

3、2015年1月21日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要

函数信号发生器。

能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。

例如在通信、广播、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振荡器。

除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。

关键字：

函数发生器；方波；三角波；正弦波

Abstract

Functiongeneratorcanproduceavarietyofspecificperiodictimefunctionwaveform,suchasthetrianglewave,squarewave,sinewaveASIC.Whenadjustingtheexternalparameters,youcanalsogetanadjustabledutycyclesquarewaveandsawtooth.Frequencyrangefromafewtensofmicro-HztoMHz.Inadditiontocommunications,instrumentationandautomaticcontrolsystemtesting,butalsowidelyusedinothernon-electricmeasurement.

Keywords:

functiongenerator,sinewave,squarewave,trianglewave

1绪论

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。

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。

1.1设计目的及意义

1、利用集成运算放大器和晶体管差分放大器等设计一个方波－三角波－正弦波函数发生器。

2、进一步掌握模拟电子技术的理论知识，培养工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力。

3、基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力。

学会运用Multisim12仿真软件对所作出的理论设计进行仿真测试，并能进一步完善设计。

4、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。

1.2设计任务及要求

频率范围　10~100Hz，100Hz~1KHz，1KHz~10KHz；

正弦波Upp≈3V，幅度连续可调，线性失真小。

三角波Upp≈5V，幅度连续可调，线性失真小。

方波Upp≈14V，幅度连续可调，线性失真小。

选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。

计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。

（选做：

用PSPICE或EWB软件完成仿真）

安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。

2设计方案

函数信号发生器电路可分为三个部分，即：

方波；三角波；正弦波。

经查阅资料，确定以下三种方案。

2.1方案一

用单片集成函数发生器5G8038。

随着集成制造技术的不断发展，多功能信号发生器已被制作成专用集成电路。

该集成电路使用方便，调试简单，性能稳定，它不仅能产生正弦波，同时能产生三角波和方波，5G8038就是其中一种，它与运算放大器LM318、电阻和电容等组合，就能实现一个多种波形输出的信号发生器。

其工作原理为：

图2即为8038多功能函数发生器的原理框图。

它由一个恒流充放电振荡电路和一个正弦波变换器组成，恒流充放电振荡器产生方波和三角波，三角波经正弦波变换器输出正弦波。

图中两个比较器C1、C2组成一个参考电压分别设置在2/3VCC和1/3VCC上的窗口比较器。

两比较器的输出分别控制R-S触发器的位置端和复位端。

两个恒流源I1、I2担任对定时电容C的充放电，而充电与放电的转换则为R-S触发器的输出通过电子开关S的通或断来进行控制。

电路设计I2=2I1，当电子开关S断开，电路对外接电容C充电，当电子开关S接通时，电容C放电，所以在电容C上产生线性良好的三角波，经缓冲器由3脚输出。

为了得到在比较宽的频率范围内由三角波到正弦波的转换，一个由电阻与晶体管组成的折线近似转换网络将三角波转换为正弦波，由2脚输出。

而用于控制开关S的信号，及R-S触发器的输出，就是一方波，经缓冲器由9脚输出。

恒流充放电振荡电路输出方波的振荡频率由下式决定：

f0=1/T=I1/UHC（1-I1/I2）。

其中UH是窗口电压比较器的上、下限门槛电压之差。

对于UH=1/3Vcc，若取I2=2I1，则函数发生器产生典型的方波、三角波、正弦波。

其振荡频率变为:

f0=3I/2VccC。

若由外部电路控制两恒流源的比值I1/I2，则可得到矩形波和锯齿波的输出。

但此时不能获得正弦波输出。

2.2方案二

如图3所示：

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。

图3

当振荡电路与电源接通时，在电路中激起一个微小信号，这就是起始信号。

它是一个非正弦信号，含有一系列不同的正弦分量。

振荡电路中含有放大和正反馈环节使其发展增长；电路中的选频环节能够得到单一频率的正弦输出信号；电路中的稳幅环节可使它逐渐趋于稳定。

常用的正弦振荡电路有RC振荡电路与LC振荡电路，这里，对于频率要求不高，所以可以采用频率低的RC振荡电路组成一个双联电位器，从而产生符合要求的正弦波形。

图4555振荡电路

555定时器的功能主要由两个比较器决定。

两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。

在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的反相输入端的电压为2VCC/3，C2的同相输入端的电压为VCC/3。

若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。

如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。

2.3方案三

首先产生三角波与方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波。

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，输出阻抗高，抗干扰能力较强等特点，可以有效地抑制零点漂移，因此可以将频率很低的三角波变成正弦波。

也可以利用二极管折线近似电路实现三角波变成正弦波的原理图，如图5：

图5

2.4最优方案设计

方案一采用集成芯片使得电路大大简化，但是由于实验室条件和成本的限制，首先抛弃的是第一种方案，因为成本高昂带来的方便不适合我们。

方案二和方案三难易程度相似，方波产生部分不同剩余部分基本相同，成本也可以承受，但是方案一中555芯片比集成运算放大器稍微复杂，综合各种因素，我们选择方案三，其简单便于理解、也容易购买材料。

3硬件电路设计

3.1方波---三角波产生电路及工作原理

图6方波—三角波发生器

图6所示的电路能自动产生方波-三角波。

电路工作原理如下：

运算放大器U1与R1、R2、RP1组成电压比较器，C1（C2、C3）为加速电容，可加速比较器的翻转,运放的反向端接基准电压，即V-=0，同向输入端接输入电压Via；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V+=V-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平+VCC跳转到低电平-VEE，或从低电平跳到高电平。

设Uo1=+VCC,则：

，

式中RP1指电位器的调整值，（下同），将上式整理，可知比较器下门限电位为：

当Vo1=+VCC,则比较翻转器下门限电位为：

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7所示：

图7

运放U2与R4、RP2、C2（C1、C3）及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1时，则输出积分器的电压Uo2为

当Uo1=+VCC时，输出积分器的电压Uo2为：

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，如图8所示

图8

当比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，会自动产生方波-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，RP2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。

3.2三角波---正弦波转换电路及工作原理

图9三角波—正弦波转换电路

图9为三角波—方波转换电路，三角波--正弦波的变换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、抗干扰能力强等优点。

特别是做直流放大器时，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低