模电三角波正弦波课程设计要点.docx

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模电三角波正弦波课程设计要点

学号：

0120828460130

课程设计

题目

方波三角波正弦波函数发生器设计

学院

国际教育学院

专业

通信工程

班级

通信gj0801

姓名

罗云月

指导教师

撒继铭

2011

年

1

月

23

日

课程设计任务书

学生姓名：

罗云月专业班级：

通信gj0801

指导教师：

撒继铭工作单位：

信息工程学院

题目:

方波-三角波-正弦波函数信号发生器

初始条件：

集成运放uA741,电阻,电容,可变电位器,NPN型晶体三极管,单刀双掷开关.电压为+8v的电源,电压为-8v的电源.电路仿真软件EWB等

要求完成的主要任务:

设计完成的电路要求输出方波,三角波,正弦波

（1）输出的频率范围为1~10HZ,10~100HZ,100~1000HZ

（2）输出的电压值方波峰峰值16v,三角波峰峰值4v,正弦波峰峰值大于1v

（3）波形特性,:

要求正弦波和三角波的非线性失真度较小

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

时间安排：

第19周:

理论讲解.地点:

鉴三202

第20周:

理论设计.仿真调试.撰写试验报告,准备答辩

第21周:

答辩

指导教师签名：

2011年1月11日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

目录

摘要

分析工作原理及作图……………………………………………………3

第一章方案的选择………………………………………………………………4

1.1各个方案的原理框图

1.2各个方案的比较及确定方案

第二章各部分电路设计…………………………………………………………（3）

2.1方波发生电路的工作原理………………………………………………………

2.2方波---三角波转换电路的工作原理……………………（3）

2.3三角波---正弦波转换电路的工作原理…………………（6）

2.4电路的参数选择及计算……………………………………（8）

第三章函数发生器的总电路图……………………………………………

（1）

第四章电路仿真…………………………………………………………………（11）

4.1方波---三角波发生电路的仿真……………………………（11）

4.2三角波---正弦波转换电路的仿真…………………………（12）

第五章电路的安装与调试………………………………………………………（13）

5.1方波---三角波发生电路的安装与调试……………………（13）

5.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试…………………（13）

5.3总电路的安装与调试………………………………………（13）

5.4电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法…………（13）

第六章电路的实验结果…………………………………………………………（14）

6.1方波---三角波发生电路的实验结果………………………（14）

6.2三角波---正弦波转换电路的实验结果……………………（14）

6.3实测电路波形、误差分析及改进方法………………………（15）

第七章实验总结………………………………………………………………（17）

第八章仪器仪表明细清单………………………………………………………（18）

第九章参考文献…………………………………………………………………（19）

摘要

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，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。

本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。

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三角波变换成正弦波。

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。

第一章方案的选择

1采用集成片ICL8038做函数信号发生器

图一ICL8038原理图

ICL8038是一种集成度很高的芯片,只需要外加少量调整电路即可以获得完美的方波-三角波-正弦波的波形

2采用振荡电路获得正弦波,再由比较器获得方波,最后通过积分电路获得三角波

图二函数发生器原理一

3采用比较器和积分器分别获得方波和三角波,再用晶体三极管组成的差分放大电路做三角波到正弦波的转换.波形变换的原理是利用差分放大传输特性的非线性,传输特性曲线越对称,并且线性区间越窄越好.三角波的幅值应该接近晶体管的截止电压值

图三函数发生器原理二框图

以上的三种方案,其中方案一十分的简单,只需要购买一片ICL8038和少量电阻和电容即可.方案二和方案三,有一个共同之处是都需要搭建波形变换电路.理论上说,都是简单可行的.但是考虑到ICL8038的市场价格较高,因此抛弃第一种方案.但是方案二是使用RC桥式正弦波振荡器作为整个电路的基础,考虑到正弦振荡电路的稳定性,因此选择方案三做为最终的方案.

第二章各组成部分的工作原理

2.1方波发生电路的工作原理

图四方波—三角波产生电路

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。

2.2方波---三角波转换电路的工作原理

图五迟滞比较器电压传输特性

图六三角波发生器的工作波形

工作原理如下：

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，如图五所示。

a点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为

时，

时，

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，其波形关系图六所示。

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：

1.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，PR2实现频率微调。

2.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。

2.3三角波---正弦波转换电路的工作原理

图七三角波——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三角波变换成正弦波。

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为三角波，设表达式为

式中　　Um——三角波的幅度；

　　T——三角波的周期。

为使输出波形更接近正弦波，由图可见：

（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

（3）图为实现三角波——正弦波变换的电路。

其中Rp1调节三角波的幅度，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。

图八正弦波发生器的工作波形

2.4电路的参数选择及计算

1.方波-三角波中电容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。

3.2．三角-正弦波部分

计算比较器A1与积分器A2的元件计算如下。

即

取

，则

，取

，RP1为47KΩ的点位器。

区平衡电阻

由式（3-62）

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

。

三角波—>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。

第三章函数发生器的总方案

图九函数发生器总设计图

第四章仿真结果

1．三角波-正弦波函数发生器波形

图十三角波-正弦波函数发生器波形

2．方波-三角波函数发生器波形

图十一方波-三角波函数发生器波形

第五章电路的安装与调试

5.1方波---三角波发生电路的安装与调试

1.按装方波——三角波产生电路

1.把两块741集成块插入面包板，注意布局；

2.分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；

3.按图接线，注意直流源的正负及接地端。

2.调试方波——三角波产生电路

1.接入电源后，用示波器进行双踪观察；

2.调节RP1，使三角波的幅值满足指标要求；

3.调节RP2，微调波形的频率；

4.观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装。

5.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试

1.按装三角波——正弦波变换电路

1.在面包板上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线；

2.搭生成直流源电路，注意R*的阻值选取；

3.接入各电容及电位器，注意C6的选取；

4.按图接线，注意直流源的正负及接地端。

2.调试三角波——正弦波变换电路

1.接入直流源后，把C4接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点；

2.测试V1、V2的电容值，当不相等时调节RP4使其相等；

3.测试V3、V4的电容值，使其满足实验要求；

4.在C4端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压；

5.3总电路的安装与调试

1.把两部分的电路接好，进行整体测试、观察

2.针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。

5.4调试中遇到的问题及解决的方法

方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。

1．方波-三角波发生器的装调

由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。

需要注意的是，安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使RP1=10KΩ,RP2取（2.5-70）KΩ内的任一值,否则电路可能会不起振。

只要电路接线正确，上电后，UO1的输出为方波，UO2的输出为三角波，微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求有，调节RP2，则输出频率在对应波段内连续可变。

2．三角波---正弦波变换电路的装调

按照图3—75所示电路，装调三角波—正弦波变换电路，其中差分发大电路可利用课题三设计完成的电路。

电路的调试步骤如下。

（1）经电容C4输入差摸信号电压Uid=50v，Fi=100Hz正弦波。

调节Rp4及电阻R*,是传输特性曲线对称。

在逐渐增大Uid。

直到传输特性曲线形状入图3—73所示，记下次时对应的Uid即Uidm值。

移去信号源，再将C4左段接地，测量差份放大器的静态工作点I0,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.

（2）Rp3与C4连接，调节Rp3使三角波俄输出幅度经Rp3等于Uidm值，这时Uo3的输出波形应接近正弦波，调节C6大小可改善输出波形。

如果Uo3的波形出现如图3—76所示的几种正弦波失真，则应调节和改善参数，产生是真的原因及采取的措施有；

1）钟形失真如图（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小Re2。

2）半波圆定或平顶失真如图（b）所示，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R*.

3）非线性失真如图（C）所示，三角波传输特性区线性度差引起的失真，主要是受到运放的影响。

可在输出端加滤波网络改善输出波形。

（3）性能指标测量与误差分析

1）放波输出电压Up—p《=2Vcc是因为运放输出极有PNP型两种晶体组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饮和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出度小于电源电压值。

2）方波的上升时间T，主要受预算放大器的限制。

如果输出频率的限制。

可接俄加速电容C1，一般取C1为几十皮法。

用示波器或脉冲示波器测量T

第六章电路的实验结果

6.1方波---三角波发生电路的实验结果

C=0.01uf

fmin=4138HZ

fmax=8333HZ

C=0.1uf

fmin=198HZ

fmax=1800HZ

C=1uf

fmin=28HZ

fmax=207HZ

图十二方波---三角波发生电路的实验结果

6.2三角波---正弦波转换电路的实验结果

R=15KΩ

Vc1=Vc2=5.530V

Vc3=-0.6218V

Vc4=-10.307V

Ic1=Ic2=0.6813mA

图十三三角波---正弦波转换电路的实验结果

实验结果分析

模拟仿真（R*=13K

）

Vc1=Vc2=4.358V

Vc3=-0.831V

Vc4=-9.028V

Ic1=Ic2=0.5368mA

图十四三角波---正弦波转换电路的实验结果分析报告

6.3实测电路波形、误差分析及改进方法

将C6替换为由两个.1uF串联或直接拿掉,

C1=0.1uFU=54mvUo=2.7v>1v

C1=0.01FU=54mvUo=2.8v>1v

第七章实验总结

一个礼拜的课程设计已经结束，

为期一个星期的课程设计已经结束，在这一星期的学习、设计、焊接过程中我感触颇深。

这次课程设计,让我学会了如何如选择和设计电路.动手能力和使用电路软件的能力得到了一定的提高.使我对抽象的理论有了具体的认识。

通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。

在实验过程中，我们遇到了不少的问题。

比如：

波形失真，甚至不出波形这样的问题。

我也发现自己并不能够熟练的使用自己所学到的模电知识.再有后的学习中,我要加强自己对电路的设计和使用的能力.但是由于这次课程设计的实验电路很简单,并且有章可循,在各种资料的指引下,我们完成起来并不是很难.课程设计只是我们以后从事技术工作的一个缩影,通过这种训练,可以提高我们动手设计电路的能力,能够让我们更好的组织实验.培养分析问题,解决问题的能力.也为我们以后的毕业设计和电子工作打下了基础.

通过这次对函数信号发生器的设计,更加让我明白了理论联系实际的重要性.明白了动手实践的重要性.因为理论与实际毕竟有一定的距离.同时这次设计加深了我对所学知识的理解.

个人觉得这次课程设计中最难的部分就是仿真的制作.因为平时对电路仿真软件的使用并不是十分的了解,在这次仿真试验的过程中遇到了很大的麻烦.首先花了大量的时间去学习使用电路仿真软件.

总之，“实践是检验真理的唯一标准”。

与君共勉。

第八章．仪器仪表清单

设计所用仪器及器件

1．直流稳压电源1台

2．双踪示波器1台

3．万用表1只

4．运放7412片

5．电位器50K2个

　　　　　　　　100K1个

　　　　　　　　100Ω　1个

6．电容470μF3个

　　　　　　　　10μF1个

　　　　　　　　1μF1个

　　　　　　　　0.1μF2个

　　　　　　0.01μF1个

7．三极管90134个

8．面　包　板1块

9．剪　　　刀　　　　　　１把

10．仪器探头线2根

11．电源线4根

第九章．参考文献

康华光主编.电子技术基础（第五版）.华中科技大学出版社，2006.4

高吉祥主编.全国大学生电子设计竞赛培训教程.电子工业出版社，2007-6-7

童诗白主编．模拟电子技术基础（第三版）．北京：

高教出版社，2001

李万臣主编．模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，2001.3

胡宴如主编.模拟电子技术.北京.高等教育出版社，2000

谢自美《电子线路设计，实验，测试（第二版）华中科技大学出版社，2000