函数信号发生器设计报告

可编辑版Word完美格式目录1设计的目的及任务1.1课程设计的目的1.2课程设计的任务与要求2函数信号发生器的总方案及原理图2.1电路设计原理框图2.2电路设计方案设计3各部分电路设计及选择3.1方波发生电路的工作原理3.2方波、三角波发生电路的选择3.3三角波---正弦波转换电路的选择3.4总电路图4电路仿真与调试4.1方波---三角波发生电路、三角波---正弦波转换电路的仿真与调试4.2方波---三角波发生电路、三角波---正弦波转换电路的实验结果5PCB制版6设计总结7仪器仪表明细清单8参考文献可编辑版Word完美格式1．课程设计的目的和设计的任务1.1设计目的1．掌握用集成运算放大器构成正弦波、方波和三角波函数发生器的设计方法。2.学会安装、调试与仿真由分立器件、调试与仿真由分立器件与集成电路组成的多级电子电路小系统。2.2设计任务与要求：设计一台波形信号发生器，具体要求如下：1．输出波形：方波、三角波、正弦波。2．频率范围：在1Hz－10Hz，10Hz-100Hz,100Hz-1000Hz等三个波段。3.频率控制方式：通过改变RC时间常数手控信号频率。4．输出电压：方波UＰ－Ｐ≤24V，三角波UＰ－Ｐ＝8V，正弦波UＰ－Ｐ1V。5.合理的设计硬件电路，说明工作原理及设计过程，画出相关的电路原理图。6.选用常用的电器元件（说明电器元件选择过程和依据）。7.画出设计的原理电路图，作出电路的仿真。8.提交课程设计报告书一份，A3图纸两张，完成相应答辩。可编辑版Word完美格式2．函数发生器总方案及原理框图2.1原理框图图1-1整体原理框图2.2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。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的基本结构是比例放大器，对不同区段内比例系数的切换，是通过二级管网络来实现的。如输出信号的正半周内由D1~D3控制切换，负半周由D4~D6控制切换。电阻Rb1~Rb3与Ra1~Ra3分别组成分压器，控制着各二极管的动作电平。方波发生器（比较器）三角波发生器（积分器）正弦波发生器（比例放大器）可编辑版Word完美格式3．各组成部分的工作原理及选择3.1方波发生电路的工作原理假设t=0时电容C上的电压Uc=0,而滞回比较器的输出端为高电平,即Uo=+Uz.则集成运放同相输入端的电压为输出电压在电阻R1,R2上分压的结果,即：U+=R1*Uz/(R1+R2)此时输出电压+Uz将通过电阻R向电容C充电,使电容两端的电压Uc升高,而此电容两端的电压接到集成运放的反向输入端,即Uc=U_.当电容上的电压上升到U-=U+时,滞回比较器的输出端将发生跳转,由高电平跳变为低电平,使Uo=-Uz,于是集成运放同相输入端的电压也立即变为U+=-R1*Uz/(R1+R2),然后又重复刚才过程.如此电容反复地进行充电放电,滞比较器的输出端将再次发生跳转,于是产生了正负交替矩形波.3.2方波---三角波发生电路的选择方案一：R112354U1R2R350%Rp1R450%Rp212354U2C1R17可编辑版Word完美格式方波—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。由计算可以得到以下结论：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C1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。mopURRRU2132T131242)(4ppRRCRRRT可编辑版Word完美格式方案二：此电路可以产生较好的方波和三角波，频率基本符合要求，但是在调试的过程中，发现频率不能太大，既不能有高频的信号，那时会失真。3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理方案一：三角波——正弦波的变换电路可编辑版Word完美格式三角波——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：（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。方案二：三角波转换正弦波电路折线法是一种使用最为普遍且实现也较简单的正弦函数转换方法。折线法的转换原理是：根据输入三角波的电压幅度，不断改变函数转换电路的的传输比率，也就是用多段折线组成的电压传输特性，实现三角函数到正弦函数的逼近，我采用了有源正弦函数转换电路，，转换电路除二极管、电阻网络外，还包括放大环节，也是根据三角波电压的幅度，不断增加或减少网络通路以改变改变转换电路的放大倍数，输出近似的正弦电压波形。在T/2时间内均匀地设置六个断点，以作为七段逼近或校正，每段按时间均匀的分布为T/14。若设正弦波在过零处的斜率与三角波的相同，即d(VoSin2π·t/T)/dt在t=0时为4Vim/T则有Vom=2Vim/π≈0.64Vim；由此，可推断出各断点上应校正到的电平值：Vo1、Vo2和Vo3。Vim=8v,所以Vom=2/π;Vim=5..12v;Vo1=Vomsin(2π/T•T/14)=2.22VVo2=Vomsin(2π/T•T/7)=4.01VVo3=Vomsin(2π/T•3/14)=4.98V可编辑版Word完美格式电路方案：它的基本结构是比例放大器，对于不同区段的比例系数的切换是通过二极管网络来实现的。如输出信号的正半周内由D1-D2控制切换，负半周内由D4-D6控制切换，电阻Rb1-Rb3与Ra1-Ra3分别组成分压器，控制着各二极管的动作电在0-T/14区段内，要求D1-D6均不导通，此时V0与VI的比例关系为：V01/T/14=Rf/Ri（Vim/T/14）由Vo1=2.22V,Vim=8V,可得Rf/Ri=0.97，若取Ri=10kΩ，则Rf=9.7kΩ在T/14-T/7区段，要求D1导通，D2-D6均截Ro，此时Vo与VI的比例关系应为：（Vo2-Vo1）/T/14=（Rf∥Ra1）/Ri（Vim/T/14）（Rf∥Ra1）/Ri=0.78Ra1=35.5kΩ同理（Vo3-Vo2）/T/14=（Rf∥Ra2）/Ri（Vim/T/14）（Rf∥Ra2）/Ri=0.42Ra2=7.2kΩ（Vom-Vo3）/T/14=（Rf∥Ra3）/Ri（Vim/T/14）（Rf∥Ra3）∥Ri=0.06Ra3=0.06kΩ同时，为控制D1的动作电平，要求1点上的电平U满足下列关系：Vo1-Ra1/（Ra1+Rb1）（Vo1+V）=Vd1或Rb1/（Ra1+Rb1）Vo1=VD1+Ra1（Ra1+Ra2）V设计时，为避免Rb1对放大器比例关系的影响要求Rb1››Ra1所以，上式又可简化为：Uo1≈VD1+Ra1/Rb1V取VD=0.6V则有Rb1=VRa1/0.78=151kΩVo2≈VD+Ra2/Rb3VRb2=25.3kΩVo3≈VD+Ra3/Rb3V则Rb3=0.164kΩ3.4总电路图可编辑版Word完美格式4电路仿真与调试4.1方波---三角波发生电路的仿真与调试1.安装方波——三角波产生电路2.把两块741集成块插入面包板，注意布局；3.分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；4.按图接线，注意直流源的正负及接地端。首先我接入了47k的滑动变阻器，接入电源后，用示波器进行双踪观察；发现波形正常，但是通过频率计的测试，发现频率较低，并且可调范围较窄，故不能符合要求，因此我尝试了45k、100k、250k、500k以及其以上的电阻，发现滑动变阻器太大也不会有较大变化，因此我选用了后两种，但是后来调电容的时候，发现500k的比较适合！同理，电容也经过这个过程，我从0.01uf开始以一定的宽度调节，最终发现，频率太小或太大都会导致波形失真，经过反复比较，最终选定了1uf、10nf、100nf这个范围最为合适！且波形较好。在调好频率之后，想到调整幅度，通过反复更换R2、R3、R4发现没有显著的变化，故而改变稳压管以及直流电源，最终使幅度达到要求！第一：我们使用滞回比较器和积分器组合电路，他们互为输入，故而只需要调整滑动变阻器就可以调整出相应的波形，频段的调节由电容决定，我们要求做三个频段的频率，因此每要求一个频段，就选择相应的电容，打下相应的开关，结果如下表所示。方波发生器的波形可编辑版Word完美格式三角波发生器波形这个波形是方波和三角波同时发生并显示在同一示波器上，两个发生器是互相互为输入的故而他们的波也是相互影响的，调整效果时，只需调示波器即可。效果如图：方波三角波发生器波形第二：三角波---正弦波转换电路的仿真与调试1.绘制三角波——正弦波变换电路在面包板上接入比例放大电路，注意各电阻对应和接线；由于此电路来源于现学课本，因此只要根据要求的幅度计算各电阻值即可。可编辑版Word完美格式2.调试三角波——正弦波变换电路由于计算值有小数，故而要对数值进行近似，可能近似的当，在电阻方面，没有太多的调整。我们使用的是折线法，因此正弦波会不很光滑，这也是正常的，因为输入的三角波并不是如同发生器中的波形那么标准，故而会有些平滑，另一个原因是我采用的是七点折线计算，选点不多会有不少误差。在选定好相应的电容之后，要想调多大的频率，只需要调整滑动变阻器就可以了。至于波形美观性，我们可以调整示波器的水平比例与竖直比例，原理就是改变加在示波器中的电压，从而使相应的扫描变宽。如果波形有些失真，可以通过改变相应的比例放大器中各电阻的比率，从而改变效果。此波图是三角波与正弦波同时在一个示波器中显示，即三角波转换成正弦波的效果图。三角波转换成正弦波图第三：总电路的安装与调试把两部分的电路接好，进行整体测试、观察。因为三角波转换成正弦波时电压有一定的要求，所以在整体调整的过程中，只对稳压管进行适当的调节即可，最终就是测试各频段的效果，结果表明满足要求。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,在调试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。各调试过程如上所述。可编辑版Word完美格式4．2电路的实验结果C=1uffmin=1HZfmax=13HZC=100nffmin=7HZfmax=135HZC=10nffmin=97HZfmax=1.2kHZ每当一个电容工作时，其他电容的开关是处于闭合状态，无论是测什么数据都是通过那三个点来测量，表格中显示的是测试时实测的频率范围，由于他大于要求范围，所以是满足的。至于电压幅值，误差在允许的范围之内。当调整频率的时候，可变的电压会发生变化，想要那个值只需调滑动变阻器即