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》课程设计

课题名称函数信号发生器

学院（部）汽车学院

班级22020802

姓名张名芳

学号2202080202

指导教师李三财

日期2010年06月12日

一、任务和要求

1、设计并制作能产生正弦波、矩形波（占空比可调）和锯齿波等多种信号的函数信号发生器。

2、主要技术指标和要求

（1）输出的各种信号波形工作频率范围10Hz~10kHz，连续可调。

（2）输出的各种信号波形幅值0~10V，连续可调。

二、摘要

在生产实践中，广泛的采用各种信号，就其波形来说，可能用到正弦波和非正弦波，相应的，就会用到不同的信号产生电路，而不同波形的信号，又会相互转换。

信号发生器一般能自动产生正弦波、三角波、方波、锯齿波等波形的仪器，故可在设计时先在电路中产生一种信号，然后再通过波形变换使电路能输出其它波形，故能设计许多电路来实现目的。

在设计时，应考虑多种情况（如外界干扰、内部因素）设计一种在现实应用中性能良好，又廉价实用的方案。

本方案就是利用这种思想设计出的一个低频函数信号发生器。

三、总体设计方案选择及论证

1．信号产生电路

〖方案一〗

由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波。

这一方案为一开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小。

但是对于三角波的产生则有一定的麻烦，因为题目要求有10倍的频率覆盖系数，然而对于积分器的输入输出关系为：

显然对于10倍的频率变化会有积分时间dt的10倍变化从而导致输出电压振幅的10倍变化。

而这是电路所不希望的。

幅度稳定性难以达到要求。

而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。

〖方案二〗

由矩形波产生电路产生矩形波，在通过积分电路把矩形波转换为锯齿波，再经过差动放大电路将锯齿波转换为正弦波。

该电路的优点是十分明显的：

1线性良好、稳定性好；

2频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便地连续地改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变；

3不存在如文氏电桥那样的过渡过程，接通电源后会立即产生稳定的波形；

4三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。

综合上述分析，我们采用了第二种方案来产生信号。

下面将分析讨论对生成的三角波和方波变换为正弦波的方法。

2．信号变换电路

三角波变为正弦波的方法有多种，但总的看来可以分为两类：

一种是通过滤波器进行“频域”处理，另一种则是通过非线性元件或电路作折线近似变换“时域”处理。

具体有以下几种方案：

〖方案一〗

采用米勒积分法。

设三角波的峰值为

，三角波的傅立叶级数展开：

通过线性积分后：

显见滤波式的优点是不太受输入三角波电平变动的影响，其缺点是输出正弦波幅度会随频率一起变化（随频率的升高而衰减），这对于我们要求的10倍的频率覆盖系数是不合适的。

另外我们在仿真时还发现，这种积分滤波电路存在这较明显的失调，这种失调使输出信号的直流电平不断向某一方向变化。

积分滤波法的失调图（Protel99SESIM99仿真）

而且输出存在直流分量。

〖方案二〗

才用二极管－电阻转换网络折线逼近法。

十分明显，用折线逼近正弦波时，如果增多折线的段数，则逼近的精度会增高，但是实际的二极管不是理想开关，存在导通阈值问题，故不可盲目的增加分段数；在所选的折线段数一定的情况下，转折电的位置的选择也影响逼近的精度。

凭直观可以判知，在正弦波变化较快的区段，转折点应选择的密一些；而变化缓慢的区段应选的稀疏一些。

二极管－电阻网络折线逼近电路对于集成化来说是比较简单，但要采用分立元件打接则会用到数十个器件，而且为了达到较高的精度所有处于对称位置的电阻和二极管的正向导通电阻都应匹配。

实现起来不是很方便的。

另外折线逼近电路的原理是应用电路传输的非线性，故作用于变换电路的输入信号的幅度必须是固定的。

而且这个转换网络还有输出阻抗高的缺点。

二极管－电阻转换网络图

〖方案三〗

利用差分放大器的差模传输特性。

设差放的集电极电流分别为

和

，输入差模电压为

发射极电流为

则晶体三极管工作在放大区时有：

由下图的传输特性曲线我们可以想象当输入为三角波时输出会得到近似的正弦波。

差放差模传输特性曲线图（Protel99SESIM99仿真）

这种转换方式比较简单，而且频带很宽。

四、设计方案的原理框图、总体电路图、接线图及说明

单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算

1．单元电路设计

（1）矩形波发生电路

图1

如图一所示，利用二极管的单向导电性使电容的充电与放电回路不同，使电容的充电与放电时间常数不相等，从而使矩形波的高电平持续时间与低电平持续时间不相等。

电源刚接通时，uo=+Uz，所以Up=R1Uz/（R+R1）=Kuz,电容C1充电，uc升高.当uc=Un≥Up时，uo=-Uz，所以Up=-R1Uz/（R+R1）=-KUz，电容C1放电并反向充电，Uc下降。

当uo=Un≤Up时，uo=+Uz，电容C1充电，重复上述过程。

当输出电压为高电平时，二极管D1导通，D2截止，电容C1被充电，C1的充电常数为

ζ1=（Rw+rd1+R）C1

当输出电压为低电平时，二极管D1截止，D2导通，电容C1开始放电，C1的放电时间常数为

ζ2+（R总-Rw+rd2+R）C1

矩形波振荡周期为

T1=（ζ1+ζ2）ln（1+2R1/R2）=（R总+rd1+rd2+2R）C1ln（1+2R1/R2）

调节电位器Rw滑动端的位置，矩形波的周期不变，但占空比会发生变化。

由上式可知：

R总、rd1、rd2、R为定值，因此可固定R1和C1的值，通过改变R2的阻值来改变矩形波的振荡频率。

计算：

设定R总=20K、R=1K、C1=4uF、R1=1K

由于设计要求输出的信号波形工作频率范围为10Hz~10kHz

通过计算R2的阻值变化范围应为1K~20M，连续可调。

（2）锯齿波发生电路

图2

如图2所示，若t=0，uc=0，uo1=+Uz，则电容C2充电；同时uo按线性逐渐下降，最终从+Uz跳变为-Uz。

在uo1=-Uz后，电容C2开始放电，uo按线性上升，最终从-Uz跳变为+Uz，电容C2开始充电，如此周而复始，产生振荡。

积分器的输出Uo2为Uo2=-1/（R4+R5）C2∫Uo1dt

（1）

Uo1=+12V时，Uo2=-12t/（R4+R5）C2

（2）

Uo1=-12V时，Uo2=12t/（R4+R5）C2（3）

可见积分器的输入为矩形波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的锯齿波。

频率f=R2/4R1（R4+R5）C2

计算：

R4=5.1K、C2=3.5uF、R1=1K

通过计算可得R5的阻值变化范围应为0~35M

（3）正弦波发生电路

图3

如图3所示，锯齿波到正弦波的变换电路主要由差动放大电路来完成。

差动放大器具有工作点稳定，输入阻值高，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。

波形变换的原理是利用差动放大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

Ic1=αIe1=αIo/（1+e

Ic2=αIe2=αIo/（1+e

式中α=Ic/Ie≈1；

Io——差动放大器的恒定电流；

Ut——温度的电压当量，当室温为25℃时，Ut≈26mA。

又因为Uid为三角波，设表达式为

Uid=4Um（t-T/4）/T,0≤t≤T/2

Uid=-4Um（t-3T/4）/T,T/2≤t≤T

式中Um——三角波幅度；

T——三角波的周期。

则

Ic1=αIo/（1+e0≤t≤T/2

Ic2=αIo/（1+eT/2≤t≤T

2.设计方案的原理框图

矩形波发积分电路差动放大电路

生电路

3.总体电路图

总体波形如下：

4.主要元器件的选择

该电路主要由LM301集成运算放大器构成，这款运放具有较高的速度，虽然价格比LM324略高，但是性能是LM324所无法比拟的。

其中两个调节电位器采用多圈线绕电位器，可以达到令人满意的调节效果。

元器件清单

名称

标号

规格

运放

A1、A2

Default741

电容

C1

4uF

C2

3.5uF

C3

470uF

C4、C5

470uF

C

0.1uF

二极管

D1、D2

1N4148

稳压管

DW1、DW2

1N4733l

三极管

Q1、Q2

2N3904

Q3、Q4

2N2222

电阻

R、R1、R3、R6

1K

R4

5.1K

R7

10k

R5、Rc、Rc1

30K

Re、Re1

2K

R9、R10

6.8K

Ra

8K

可变电阻R2、Rw、R0

20K、20K、100

名称

标号

规格

电阻

R8

47K

直流电源

V1、V2、V3、V4、V5、V6

12V

五、收获与体会、存在的问题

1．收获与体会

通过这次课程设计使我对所需的三部分电路有了进一步的了解和认识，并且清楚了每一部分工作时所需要的条件，也对集成芯片有了初步的认识，虽然在设计中没有使用复杂的芯片，不过还是了解到了像555、8038等芯片的基本知识。

对于完成仿真的软件，EWB没有Multisim功能强大，很多元器件都不齐全。

这是第一次靠自己去查资料完成的任务，充分的利用了图书馆的资源，并且为以后更复杂的设计打下了基础。

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。

六、参考文献

1．《电路与模拟电子技术基础.》林涛林薇顾樱华编2004年6月科学出版社

2.《模拟电子技术基础与应用实例》戈素贞杜群羊吴海青等编著2007年2月北京航空航天大学出版社

3.《电子技术试验与课程设计指导模拟电路分册》郭永贞刘勤编2004年10月东南大学出版社

4.《模拟电子技术基础设计仿真编程与实践》李万臣主编2005年5月哈尔滨工程大学出版社

5.《电子电路计算机仿真技术》周常森编著2001年9月山东科学技术出版社

6.《电子元器件选用·使用·检测一本通》孟贵华编著2006年2月中国电力出版社

7．谢沅清解月珍编《通信电子电路》2000年2月北京邮电出版社

8．梁恩主梁恩维著《Protel99SE电路设计于仿真应用》2000年11月清华大学出版社

9．刘志军编《电子测量与模拟电路实验技术》2001年4月

10．《实用电子电路手册（模拟电路分册）》编写组编《实用电子电路手册（模拟电路分册）》1991年10月高等教育出版社

11．ProtelWorldWideWebSite

12．NationalWorldWideWebSite

最后我们还要特别感谢李三财老师在电路设计阶段给予我们的帮助!