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目录1函数发生器的总方案及原理框图……………………………………(11.1电路设计原理框图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(11.2电路设计方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(12设计的目的及任务„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(22.1课程设计的目的„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(22.2课程设计的任务与要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(22.3课程设计的技术指标„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(23各部分电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(33.1方波发生电路的工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„(33.2方波---三角波转换电路的工作原理„„„„„„„„„„„„(33.3三角波---正弦波转换电路的工作原理„„„„„„„„„„(63.4电路的参数选择及计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(83.5总电路图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(104电路仿真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(114.1方波---三角波发生电路的仿真„„„„„„„„„„„„„„(114.2三角波---正弦波转换电路的仿真„„„„„„„„„„„„„(124.3仿真结果分析5电路的安装与调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(135.1方波---三角波发生电路的安装与调试„„„„„„„„„„(135.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试„„„„„„„„„(135.3总电路的安装与调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„(135.4电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法„„„„(136电路的实验结果„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(156.1方波---三角波发生电路的实验结果„„„„„„„„„„(156.2三角波---正弦波转换电路的实验结果„„„„„„„„„(156.3实测电路波形、误差分析及改进方法„„„„„„„„„„(167实验总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(178仪器仪表明细清单„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(189参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(191.函数发生器总方案及原理框图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(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。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,本课题中函数发生器电路组成框图如下所示: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。2.课程设计的目的和设计的任务2.1设计目的1.掌握电子系统的一般设计方法2.掌握模拟IC器件的应用3.培养综合应用所学知识来指导实践的能力4.掌握常用元器件的识别和测试5.熟悉常用仪表,了解电路调试的基本方法2.2设计任务设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器2.3课程设计的要求及技术指标1.设计、组装、调试函数发生器2.输出波形:正弦波、方波、三角波;3.频率范围:在10-10000Hz范围内可调;4.输出电压:方波UP-P≤24V,三角波UP-P=8V,正弦波UP-P1V;3.各组成部分的工作原理3.1方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。3.2方波---三角波转换电路的工作原理方波—三角波产生电路工作原理如下: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312231231(0CCiaRRPRUVURRRPRRRP++=++=++++将上式整理,得比较器翻转的下门限单位Uia-为223131(CCCCiaRRUVVRRPRRP---=+=++若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为223131(EECCiaRRUVVRRPRRP+-=-=++比较器的门限宽度2312HCCiaiaRUUUIRRP+-=-=+由以上公式可得比较器的电压传输特性,如图3-71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214221(OOUUdtRRPC-=+⎰1OCCUV=+时,2422422(((CCCCOVVUttRRPCRRPC-+-==++1OEEUV=-时,2422422(((CCEEOVVUttRRPCRRPC--==++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,则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为2231OmCCRUVRRP=+方波-三角波的频率f为3124224(RRPfRRRPC+=+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。3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理三角波——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:022/1idTCEUUaIIaIe==+11/1idTCEUUaIIaIe-==+式中/1CEaII=≈0I——差分放大器的恒定电流;TU——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44434midmUTtTUUTtT⎧⎛⎫-⎪⎪⎪⎝⎭=⎨-⎛⎫⎪-⎪⎪⎝⎭⎩022TtTtT⎛⎫≤≤⎪⎝⎭⎛⎫≤≤⎪⎝⎭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。VCC-12V三角波—正弦波变换电路3.4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。2.三角波-正弦波部分比较器A1与积分器A2的元件计算如下。由式(3-61得2231OmCCRUVRRP=+即223141123OmCCURRRPV===+取210RK=Ω,则3130RRPK+=Ω,取320RK=Ω,RP1为47KΩ的电位器。区平衡电阻1231//(10RRRRPK=+≈Ω由式(3-623124224(RRPfRRRPC+=+即3141224RRPRRPRC++=+当110ZHfZ≤≤H时,取210CFμ=,则42(75~7.5RRPk+=Ω,取45.1Rk=Ω,为100KΩ电位器。当10100ZHfZ≤≤H时,取21CFμ=以实现频率波段的转换,R4及RP2的取值不变。取平衡电阻510Rk=Ω。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345470CCCFμ===,滤波电容6C视输出的波形而定,若含高次斜波成分较多,6C可取得较小,6C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。3.5总电路图-12V三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路先通过比较器产生方波,再通过积分器产生三角波,最后通过差分放大器形成正弦波。4.电路仿真4.1方波---三角波发生电路的仿真4.2三角波---正弦波转换电路的仿真5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