简易信号发生器课程设计.docx
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简易信号发生器课程设计
目录
序1
第1章函数发生器的总方案及原理框图2
1、1原理框图2
1、2函数发生器的总方案2
第2章简易信号发生器基本原理3
2、1RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器）3
2、2方波---三角波转换电路的工作原理4
2、3三角波-正弦波转换电路的工作原理7
2、4电路的参数选择与计算8
2、4、1方波—三角波部分8
2、4、2三角波—>正弦波部分9
第3章电路仿真10
3、1方波波形10
3、2三角波波形10
3、3正弦波波形11
3、4方波---三角波转换电路的仿真12
3、5三角波---正弦波转换电路的仿真12
第4章电路的安装与调试12
4、1方波—三角波发生器的调试13
4、2三角波—正弦波变换的调试13
4、3误差分析14
4、4PCB板图：
14
第5章课程设计总结15
参考文献15
附录16
元件清单17
总电路图18
序
模电课程由于是各专业的必修课，发展过程比较平稳：
一直有稳定的师资队伍、先进的教材、持续投入的实验室条件，这些都为课程的健康发展提供了保证，虽然几门课程都经历了教学和实验学时不断缩减的过程，但由于大家的努力，这
些课程一直保持了很好的发展态势。
课程教学内容简介，模电是继电路课程后，电气类、自控类和电子类等专业学生在电子技术方面入门性质的技术基础课，是电子技术基础的一个部分，其目的和任务是让学生获得模拟电路的基本知识，为以后深入学习电子技术某些领域中的内容打下基础。
通过模电课程的学习，使学生获得模拟电路的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生分析问题和解决问题的能力，为模拟电子技术在专业中的应用打好基础。
模电的前续课程是电路，模电中应用了许多电路课程中的基本概念与方法，例如迭加原理、戴维南定理、二端口网络、正弦交流电路的求解等，应注意两门课在时间上的配合。
模电的后续课程是数电、EDA与电子技术课程设计、微机原理及其应用、电力电子、检测与变换及各专业课程设计等，模
电课程中的半导体基本知识、放大电路理论和各种集成电路知识将为这些后续课程的学习打下必要基础。
电力电子技术是当今发展较为迅速的一项技术，各种新型的电力电子器件不断涌现也使得这项技术的内涵得到迅速更新。
进入20世纪70年代，以晶闸管为代表，二极管及晶体管等功率半导体器件在高速、高压、大电流方面的发展非常迅速。
70年代以后，IG、LSI、微型计算机、DSP、ASIC等实用化取得了进展，采用微型器件的控制技术、信号处理技术也日益成熟。
电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。
电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。
近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。
电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。
利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。
电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。
第1章函数发生器的总方案及原理框图
1、1原理框图
1、2函数发生器的总方案
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。
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。
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2章简易信号发生器基本原理
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。
电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。
根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。
2、1RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器）
图为RC桥式正弦波振荡器。
其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、RW及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。
调节电位器RW，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。
利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。
D1、D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。
R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。
电路的振荡频率
起振的幅值条件
≥2
式中Rf＝RW＋R2＋（R3//rD），rD—二极管正向导通电阻。
调整反馈电阻Rf（调RW），使电路起振，且波形失真最小。
如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大Rf。
如波形失真严重，则应适当减小Rf。
改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。
一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。
RC桥式正弦波振荡器
2、2方波---三角波转换电路的工作原理
方波---三角波转换电路图
图所示的电路能自动产生方波—三角波。
电路工作原理若下：
若a点断开，运放A1与R1、R2及R3、RP3组织成比较器，R1成为平衡电阻，运放的反相端接基准电压，及U_=0，同相端接输入电压Uia；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U01从高电平+Vcc跳到低电平—VEE，或从低电平—VEE跳到高电平+Vcc。
设U01=+Vcc，则
（3-2-1）
式子中，RP1指的是电位器（以下同）。
将上式整理，得比较器翻转的下门限电位
（3-2-2）
若Uo1=—VEE，则比较器翻转的上门线电位
（3-2-3）
比较器的门限宽度
（3-2-4）
由式子（3-2-1）～（3-2-4）可以得到比较器的电压传输特性，如图所示。
比较器的电压传输特性
a点断开后，运放A2与R4、RP3、C2、及R5组成反相积分器，其输入信号为方波U01，则积分器的输出
（3-2-5）
当U01=+Vcc时，
（3-2-6）
当U01=-Vcc时，
（3-2-7）
可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图所示。
方波—三角波波形
当a点闭合，即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
（3-2-8）
方波—三角波的频率
（3-2-9）
由式子（3-8）及（3-9）可以得出以下结论：
1.电位器RP2在调整方波—三角波的输出频率时，一般不会影响输出波形的幅度。
若要求输出频率的范围比较宽，则可用C2改变频率的范围，RP2实现频率微调。
2．方波的输出幅度约等于电源电压+Vcc。
三角波的输出幅度不超过电源电压+Vcc。
电位器RP1可以实现幅度微调，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
三角波-正弦波转换电路图
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：
（3-3-1）
Ic1=aIE1=aIo/[1+e（-Uid/UT）]（3-3-2）
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
（3-3-3）
式中 Um——三角波的幅度；
T——三角波的周期。
将式（3-3-3）代入式（3-3-2），得
4Um/T（t-T/4）（0<=t<=T/2）
Uid=
-4Um/T（t-3T/4）（T/2<=t<=T）（3-3-4）
波形变换过程如下图：
三角波——正弦波变换
为使输出波形更接近正弦波，由图可见：
A、传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；
B、三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
C、图为实现三角波——正弦波变换的电路。
其中Rp3调节三角波的幅度，Rp4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C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分波形量，改善输出
2、4电路的参数选择与计算
2、4、1方波-三角波部分
运放A1与A2用741，因为方波的幅度接近电源电压+VCC=+12V,-VEE=-12V.
比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下。
由式（3-8）得
取
，则R3+RP1=40KΩ，取
，RP1为47KΩ的电位器。
平衡电阻R1=R2∥（R3+RP1）=8k
，取R1=8.2KΩ
由式（3-2-9）得
即R4+RP2=（R3+RP1）/（4FC2R2）
当100Hz≤f≤1kHz时，取C2=0.1uF,则10KΩRP2=100k
。
当1kHz≤f≤10kH时，取C1=0.01uF以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。
取平衡电阻R5=10KΩ。
2、4、2三角波—>正弦波部分
1、差分放大器元件参数确定
取RC1=RC2=10KΩ,RB1=RB2=6.8KΩ,取I0=1.1mA,而
I0=（RE4/RE3）IREF（3-4-1）
IREF=VEE-UBE/（RE4+R）=12-0.7/RE4+R（3-4-2）
取RE4=R=20KΩ,代入（3-4-2），得IREF=0.28mA，将IREF=0.28mA代入（3-4-1），得RE3=5KΩ
2、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，因为输出频率不是很大，取C3=47uF，C4=C5=470uF，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。
这里取C6=0.1Uf,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3章电路仿真
3、1方波波形
上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈208Hz，V≈22V。
3、2三角波波形
上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈200Hz，V≈6V。
3、3正弦波波形
上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈214Hz，V≈1.2V。
3、4方波---三角波转换电路的仿真
上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈208Hz.
3、5三角波---正弦波转换电路的仿真
上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈210Hz。
第4章电路的安装与调试
4、1方波—三角波发生器的调试
由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波和正弦波，所以这两个单元电路可以同时安装。
但是需要注意的是，在安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，否则会导致电路不起振。
如果电路接线正确。
则在接通电源后，A1输出为方波，A2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，调节RP2，则输出频率连续可变。
4、2三角波—正弦波变换的调试
1、差分放大器传输传输特性曲线调试。
将C4与RP3的连线断开，经电容C4输入差模信号电压uid=50mV，fi=10kHz的正弦波。
调节RP4及电阻R，使传输特性曲线对称。
再逐渐增大uid，直到传输特曲线形状如图3-6所示，记下此时对应的uid，即uidm值。
移去信号源，再将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作点Io、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。
2、三角波-正弦波变换电路的调试。
将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出幅度经由RP3后输出等于uidm值，这时U03的输出波形应接近正弦波，调整C6大小可以改善输出波形。
如果U03的波形出现如图5-2-2所示的几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的相应措施有：
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半波圆顶或平顶失真如图（b）如示，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，三角波的线性度较差引起的失真，主要受运放性能的影响。
可在输出端加滤波网络（如C6=100pF）改善输出波形。
4、3误差分析
1.方波输出电压Vp-p≤2Vcc，因为运放输出级是由NPN型或PNP型两种晶体管组成的复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，导通时输出电阻的影响，使方波输出幅度小于电源电压值。
2.方波的上升时间Tr，主要受到运放转换速度的限制。
如果输出频率比较高，则可以接入加速器电容C（C一般为几十皮法）。
可以用示波器（或者脉冲示波器）测量Tr。
4、4PCB板图：
第5章课程设计总结
该设计电路通过先产生方波-三角波，再将三角波变换成正弦波，最终把简易信号发生器设计了出来。
在这几周的简易信号发生器课程设计期间，我遇到了平时从未有过的困难。
因为课程设计不是某一方面的知识就可以完成的，而是多个知识点的结合，再与平时所学的理论知识相衔接。
又因为自己所学的知识有限，要设计出此电路需要花费大量的时间去查找资料，一个人真的很难完成，但经过两周的艰苦努力，团队的默契配合，终于还是完成了课程设计的任务。
通过对函数信号发生器的设计，我学到了很多的知识，一方面，我掌握了常用元件的识别和测试方法；熟悉了常用的仪器仪表；以及如何提高电路的性能等等。
另一方面，我深刻认识到了“理论联系实际”这句话的重要性与真实性。
而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。
最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。
这段时间是我们小组在大学期间不可多得的美好记忆。
它给了我们很多的感受和经验，让我们在饱受酸甜苦辣的同时也体会到集体的力量和成功的喜悦。
在我们以后的人生中，这些感受和经验将会充实我们的生活，美化我们的人生。
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关高频电子线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于
找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足，实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
由于这次课程设计的时间特别紧张，加之临近期末考试，所以给我们各个方面都带来了很大的压力，一方面我们要准备考试；另一方面又要复习之余的时间里查找资料，加上自己知识掌握的不牢固，所以难免有不足之处，还请老师多多
谅解。
参考文献
1、康华光电子技术基础5版北京：
高等教育出版社2006
2、电路设计Protel99及仿真北京中国铁道出版社曾祥富主编2000
3、Protel99SE原理图与PCB及仿真清源计算机工作室编著机械工业出版社2004.1
4、Multisim电路仿真王林根主编高等教育出版社2003
5、《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社
6、胡宴如.模拟电子技术（第二版）.高等教育出版社2006
7、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
8、电子电路大全（合定本）.中国计量出版社1991
9、郝鸿安.常用模拟集成电路手册.人民邮电出版社1991
附录
元件清单
名称
规格
数量
芯片
uA741
2
电阻
8.2K
3
10K
4
1K
2
20K
1
5.1K
1
100
1
1.3K
1
电位器
50K
2
100
1
100K
1
三极管
3DG100A
4
电容
470uF
3
0.1uf
2
0.01uF
1
10uF
开关
单刀双掷
1
电源
直流稳压12V
1
电路板
万能版
1
插座
uA741型
2
总电路图
名称
EWB总电路图
姓名
日期
2011-6-14
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