电工课程设计函数信号发生器.docx
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电工课程设计函数信号发生器
《电工与电子技术基础》课程设计报告
题目函数信号发生器
学院（部）
专业
班级
学生姓名
学号
6月24日至6月28日共1周
指导教师（签字）
1.课题名称与技术要求
1.1课题名称
函数信号发生器
1.2主要技术指标和要求：
（1）能产生正弦波、矩形波（占空比可调）、锯齿波等多种波形；
（2）输出信号的工作频率范围10Hz~10kHz，且连续可调；
（3）输出信号波形幅值0~10V，且连续可调；
2.摘要
函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如锯齿波、锯齿波、矩形波、正弦波的电路。
广泛地应用于各大院校和科研场所。
随着科技的进步，社会的发展，单一的波形发生器已经不能满足人们的需求，而我们所设计的正是包含有正弦波、矩形波、锯齿波的多种波形发生器。
通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出锯齿波、正弦波、矩形波的函数波形发生器。
采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的矩形波—锯齿波—正弦波函数发生器的设计方法，先通过比较器产生矩形波，再通过积分器产生锯齿波，最后通过差分放大器形成正弦波。
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。
经过仿真得出了矩形波、锯齿波、正弦波、矩形波，利用555定时器实现占空比调节。
关键词：
比较电路差分电路集成运算放大器555定时器
目录
1.课题名称与技术要求2
1.1课题名称2
1.2主要技术指标和要求：
2
2.摘要3
3.方案设计5
3.1总体设计方案论证及选择5
3.1.1方案一:
基于单片集成芯片MAX038构成的函数信号发生器。
5
3.1.2方案二:
矩形波——锯齿波——正弦波函数信号发生器6
3.1.3方案的选择8
3.2 设计方案的原理框图、总体电路原理图及说明8
3.2.1方案原理框图8
3.3.2总体电路原理图9
3.4单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算10
3.4.1占空比可调矩形波发生电路的工作原理10
3.4.2矩形波---锯齿波转换电路的工作原理12
3.4.3锯齿波---正弦波转换电路的工作原理15
3.5主要元器件选择与电路参数计算17
4.1收获与体会18
4.2存在的问题19
5.参考文献20
6.附件21
元器件列表21
3.方案设计
3.1总体设计方案论证及选择
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、锯齿波、矩形波及锯齿波、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）。
3.1.1方案一:
基于单片集成芯片MAX038构成的函数信号发生器。
3.1.1.1总体设计
该系统采用单片机作为数据处理及控制核心，由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析及信号的处理和变换，采用按键输入，利用数码管动态显示电路输出数字显示的方案。
将设计任务分解为按键电路、数码管显示电路等模块。
3.1.1.2MAX038芯片工作特性:
MAX038精度高且频率调节方便，并且能够产生多种波形，是性价比较高的信号发生芯片。
产生信号的频率可以通过调整电流、电压、电阻分别控制。
所需的输出波形可由在A0、A1输入端设置适当的代码来选择，所有的输出波形都是对称于地电位的2V（峰-峰值）信号。
MAX038工作电源为±5V。
3.1.2方案二:
矩形波——锯齿波——正弦波函数信号发生器
3.1.2.1总体设计
矩形波—锯齿波—正弦波信号发生器电路有运算放大器及分立元件构成，由比较器和积分器组成矩形波—锯齿波产生电路，锯齿波通过差分放大电路产生正弦波输出,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锯齿波变换成正弦波。
输出波形幅度及频率均可通过改变元件参数进行调整，方便且成本较低。
3.1.2.2利用差分放大电路实现锯齿波—正弦波的变换
波形变换原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性，波形变换过程如图所示
锯齿波和正弦波得转换示意图
由图可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好；锯齿波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。
3.1.3方案的选择
综合考虑以上方案,由于方案二稳定性高,可操作性强且经济性好,而方案一成本较高且需要程序控制,实现难度较高，故选择方案二矩形波——锯齿波——正弦波函数信号发生器。
3.2 设计方案的原理框图、总体电路原理图及说明
3.2.1方案原理框图
3.3.2总体电路原理图
采用分立器件实现电路组成，主要的部件有运算放大器、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矩形波，第二级可以产生锯齿波，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。
3.4单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算
3.4.1占空比可调矩形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回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、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，如图中实线箭头所示。
反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦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C反向充电，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=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。
上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。
在本文设计方案中，由于电路中二极管
、
的单向导电性，使电容
的充放电回路分开，调节电位器，就可以调节多谐振荡器的占空比。
图中
通过
、
上部分及
对
充电，充电时间为
通过
、
下部分及
从放电端（DIS）放电，放电时间为
因而振荡频率为
输出波形的占空比即为
555定时器构成的多谐振荡器电路
555集成电路是8脚封装，双列直插型。
其中6脚称阈值端（THR），是上比较器的输入；2脚称触发端（TRI），是下比较器的输入；3脚是输出端（OUT），它有O和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端（DIS），它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端（RST），加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端（CON）,可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端（VCC），1脚是地端（GND）。
3.4.2矩形波---锯齿波转换电路的工作原理
矩形波—锯齿波产生电路
迟滞电压传输特性
锯齿波发生器工作波形
工作原理：
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,
a点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为矩形波Uo1，则积分器的输出Uo2为
时，
时，
可见积分器的输入为矩形波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的锯齿波，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，则自动产生矩形波-锯齿波。
锯齿波的幅度为
矩形波-锯齿波的频率f为
由以上两式可以得到以下结论：
（1）电位器RP2在调整矩形波-锯齿波的输出频率时，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。
（2）矩形波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。
锯齿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，但会影响矩形波-锯齿波的频率。
3.4.3锯齿波---正弦波转换电路的工作原理
锯齿波产生电路
锯齿波——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锯齿波变换成正弦波。
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为锯齿波，设表达式为
式中 Um——锯齿波的幅度；
T——锯齿波的周期。
1）为使输出波形更接近正弦波：
2）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；
3）锯齿波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
图为实现锯齿波——正弦波变换的电路。
其中Rp1调节锯齿波的幅度，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。
锯齿波—正弦波变换电路
3.5主要元器件选择与电路参数计算
（1）矩形波-锯齿波中电容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）锯齿波-正弦波部分
比较器A1与积分器A2的元件计算如下。
由计算得
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
。
锯齿波—>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R*确定。
4.1收获与体会
在完成了电工电子技术的课程学习后，我们用了一个周的时间完成本次课程设计《函数信号发生器》，在这次设计中，我学到了很多有关模拟电子技术理论和实际等方面的知识。
我认识到，学习的知识只有在不断的实践中才能更好的为我所用，而用心实践用心探索的过程可以让我们不断地进步。
在进行设计的过程中，遇到了很多困难和问题，我和同学们一起广泛地查找资料、一起讨论、并向老师请教，反复思考认真研究而得出了结果。
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，文字表达能力和材料撰写整理能力。
总之，本次课程设计让我受益匪浅，是我学习中重要的经历，我将在此基础上继续努力，用实践巩固和探索知识，真正做到学为我用，融会贯通。
4.2存在的问题
在设计中，对各元器件型号的选择还很陌生，无法很顺利地把书中所学电路知识灵活的运用到设计中，尤其是在仿真部分，设计进展的很缓慢。
另外，在完成仿真电路时，无法处理由于元器件参数问题引起的波形失真问题。
对于参数大小及相互之间的关系掌握不够完整，不够全面。
5.参考文献
[1]秦曾煌.《电工学电子技术（第七版）》.高等教育出版社
[2]李群芳.《单片微型计算机与接口技术（第二版）》.电子工业出版社
[3]李万臣．《模拟电子技术基础与课程设计》.哈尔滨工程大学出版社
[4]谢沅清.《模拟电子线路》.成都：
成都电子科大学出版社
[5]凌玉华.《单片机原理及应用系统设计》.中南大学出版社
[6]梁宗善.《电子技术基础课程设计》.华中理工大学出版社
6.附件
元器件列表
CB555
1只
运放741-DIV
2片
电位器47KΩ
2只
电位器100Ω
1只
电位器100KΩ
1只
电容470μF
3只
电容100μF
1只
电容1μF
1只
电容0.1μF
1只
选择开关
1只
电阻20KΩ
3只
电阻10KΩ
3只
电阻6.8KΩ
2只
电阻5.1KΩ
1只
电阻2KΩ
2只
电阻8KΩ
1只
电阻100Ω
1只
晶体管2N2219
4只
二极管1N4743A
2只
评语
评审人:
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