电子科技大学模电课程设计报告——函数发生器

电子科技大学《模拟电路基础》应用设计报告设计题目：函数发生器学生姓名：学号：教师姓名：日期：一、设计任务设计一个正弦波信号发生器设计一个方波信号发生器设计一个能同时输出正弦波、方波和三角波的函数发生器指标：频率：1kHz幅度：正弦波大于10Vpp；方波10Vpp；三角波6Vpp。二、电路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。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。我们需要制作的是能够发出三种不同波形的函数发生器，为了制作我们所需要的函数发生器，得到我们所需要的波形，我们的设计方案如下：图1函数发生器设计框图由三个电路组成，分别实现三种波形的产生表1各组成电路功能和原理电路RC正弦振荡电路方波信号发生器三角波信号发生器实现的功能产生正弦信号产生方波信号产生三角波信号原理差分放大电路比较器积分器1.RC正弦震荡电路4个组成部分：放大电路、选频网络、正反馈网络、稳幅网络。参数选择：kHzf1。选择C=nFnF10~1,以产生1kHz的频率,根据C可以确定R，调节R或C可以改变振荡频率。选择R1和R2，调节R1使电路振荡，同时波形失真小，输出电压大小满足要求。图2RC正弦震荡电路2.方波信号发生器三部分组成：滞回比较器、RC电路、稳压管，各部分实现功能如下表：表2方波发生器各组成部分功能组成部分滞回比较器RC电路稳压管功能引入正反馈，产生振荡，具有抗干扰能力。作为延迟环节和反馈网络，通过对电容的充放电实现两种状态的转换。输出需要的方波电压。参数选择：振荡周期可选择：C=根据C及R1和R2的比值可以确定R3，调节R3或C可以改变振荡率。选择合适的稳压管和R4，调节R3使电路振荡到所需频率。图3方波信号发生器3.三角波信号发生器方波信号利用反相积分电路变换为三角波输入为方波时，输出为三角波参数选择：可选择：C=根据C及输入输出信号的比值可以确定R,R可采用固定电阻与半固定电阻相串联的形式。图4三角波信号发生器)(1~1101221tuttuRCuttudtuRCuIoIIo则为常量，在若4TRCUUZR三角波幅度FF1.0~01.04.总体电路图图5总体电路图三、电路仿真和结果1.选择的器件及其参数选用的元器件型号和数量(表3)表3选用的元器件型号和数量元件型号数量集成运算放大器MC4558CU3个二极管一般二极管1N4001G2个稳压二极管1N4733A2个电容1.5nF2个0.01uF1个0.012uF1个500kΩ1个电阻100kΩ3个55kΩ1个40kΩ2个20kΩ1个13.7kΩ1个1kΩ2个2.电路仿真将上述电路按照设计框图和总电路图连接，并选择上表合适的元件参数。得到图6：图6仿真电路图通过调节开关可从示波器中分别得到正弦波，方波和三角波三种波形，可从下方四通道示波器同时得到三个波形：（1）输出正弦信号将开关调到位置1，可得到正弦信号，如图：图7开关位置1图8输出正弦波形由图像可知，该正弦信号频率周期为1ms，所以频率为1kHz,同时，输出电压峰-峰值Vpp10V。（2）输出方波信号将开关调到位置2，可得到方波信号，如图：图9开关位置2图10输出方波波形由图像可知，该方波信号频率周期为1ms，所以频率为1kHz。同时，输出电压峰-峰值Vpp10V。（3）输出三角波信号将开关调到位置3，可得到三角波信号，如图：图11开关位置3图12输出三角波波形由图像可知，该三角波信号频率周期为1ms，所以频率为1kHz。同时，输出电压峰-峰值Vpp约为6V。(4)同时输出三种波形将三种波形输出端连在四通道示波器中的三个通道上，可同时输出三种波形，如图：图13四通道示波器输出波形图经过上述测试所得到的结果可以看出，这个函数发生器的制作符合课程设计的要求，即：（1）设计一个正弦波信号发生器设计一个方波信号发生器设计一个能同时输出正弦波、方波和三角波的函数发生器（2）指标：频率：1kHz幅度：正弦波大于10Vpp；方波10Vpp；三角波6Vpp。所以，本次仿真设计成功。四、电路加工及测试（可选）1.焊接过程注意事项（1）焊接时，应该遵循先焊小元件，如电阻和二极管等；后焊大元件，如电容。(2)焊接时间不宜过长，特别是在焊接MC4558CU和各二极管的时候，防止高温改变元件参数。(3)对于三角波电路，为了防止低频增益过大，可以增加如图的Rf。在振荡频率较高（数千赫兹以上）时，由于运放工作速率的影响，电路会产生开关延迟，使电路的振荡周期大于设计值，此时可以在积分电容上串联补偿电阻R1。2.阐明所用的测试仪、测试方法用到的测试仪器有直流稳压电源，示波器和四通道示波器。测量时，通过改变开关位置，通过示波器分别输出三种波的波形。将三种波形输出端连在四通道示波器中的三个通道上，可同时输出三种波形。五、问题解答1.RC正弦振荡电路中（1）使用10μF、1μF的电容能否振荡出所需的正弦信号？答：不可以，10μF、1μF的电容太大，会使输出波形的频率变低，从而不能达到输出频率为1kHz的标准。（2）验证二极管D1、D2在电路中的作用？答：含有二极管和不含有二极管时的输出波形如下图：图14含有二极管时的输出图15不含二极管时的输出所以，加入两个二极管的作用是限制输出幅度和改善输出波形（3）固定R1，分析R2的大小对振荡幅度、波形失真的影响？答：R1减小时，输出波形幅度减小，减小到一定程度时，波形开始失真；R1增大时，输出幅度增大，增大到一定程度时发生失真。2.方波发生器（1）R4如何选择？答：在本次设计的电路中R8在1kΩ到10kΩ之间最合适，超过或者太小均会有较大程度的失真。（2）振荡频率主要受那些因素影响？答；由公式可知，震荡频率主要受到电阻R7,R9和C3的影响。（3）信号波形质量与那些参数有关？21321ln2RRCRT答：波形质量与R9与C3的乘积有关，当两者乘积和电路周期相近时，不容易发生失真，输出信号的波形质量较高。3.函数发生器（1）Rf、R1有何作用，大小如何选择？答：Rf与R1比值不同，输出幅值不同。所以Rf和R1应该根据输出波形所需幅值进行选择。（2）如何调节输出信号幅度？答：如上题，可通过调节Rf和R1比值进而调节输出幅度，也可通过改变电路中反馈电阻的阻值来改变输出信号幅度。（3）信号波形质量与那些参数有关？答：输出信号的质量和信号源的建立时间还有时间基准有关，即输出信号的质量和电容放电的时间τ=LRC有关。六、总结在我们进行电子电路设计的时候，需要测试电路中的一些重要的数据，这里我们就需要使用函数发生器，通过函数发生器，产生一些电子信号，输入我的电路中，使我们设计的电路正常工作。因此函数发生器在我们日常进行电子设计时，用处十分广泛。本次课程设计需要我们制作的是一个函数发生器，是其可以输出三种常用波形，通过本次设计，对函数发生器的工作原理有了更好的理解，也对运算放大电路的使用有了进一步的认识，通过查阅资料，翻看教科书以及查看课件，做出了上面的函数发生器电路，并在仿真上进行测试，而且获得成功，达到了设计制定的标准，可以稳定的输出我们需要的波形。但是也有不足，真正的函数发生器可以对输出电压和输出频率进行调节，而本次所设计的电路并没有以上功能，所以还可以对电路进行优化，如把一些决定输出幅度的电阻或者电容做成可调节的电阻和电容。这样就可以对输出幅度和输出频率进行调节，这样的函数发生器才更适合我们用其进行电子技术实验。