函数发生器课程设计报告

Ⅰ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。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。电路设计部分利用protel99软件进行设计。Protel设计系统是世界上第一套将EDA环境引入到Windows环境中的EDA开发工具，是具有强大功能的电子设计CAD软件，它具有原理图设计、印刷电路板（PCB）、设计层次原理图设计、报表制作、电路仿真以及逻辑器件设计等功能，是进行电子设计最有用的软件之一。课题利用multisim软件进行仿真、调试。关键词分立器件；集成；电子设计；电路板；仿真ⅡABSTRACTGenerallyfunctiongeneratoriscircuitsofvoltagewaveformorinstrumentwhichcanautogeneratesinewave,triangularwave,squarewave,sawtoothwaveandstepwaveetc..Thistaskadoptfunctiongeneratordesignmethodofintegratedoperationalamplifier,transistoranddifferenceamplifiertogetherconstitutesquarewavethentriangularwaveandthensinewave.Thecircuitdesignpartlytakeadvantageofsoftwareprotel99.ProteldesignsystemisakindofEDAdevelopmenttool,whichisthemodeltestoneintroduceEDAsettingtoWindowssettingintheworld,whichcontainsagreatfunctionalCADsoftwareofElectronicdesign,hasthefunctionssuchasschematicdiagram,printedcircuitboard(PCB),designofleveldesignschematicdiagram,manufacturereportforms,circuitsimulationanddesignoflogicdevice,isoneofthemostusefulsoftwareforelectronicdesign.ThetaskuseMultisimtosimulateanddebug.Keywords:discretedevice;integration;electronicdesign;circuitboard;simulateⅡ目录1函数发生器的组成..................................................11.1函数发生器简介...............................................11.1.1方波→三角波产生电路......................................11.1.2三角波→正弦波变换电路...................................41.2函数发生器的性能指标.........................................61.2.1输出波形.................................................61.2.2频率范围.................................................61.2.3输出电压.................................................71.2.4波形特性.................................................72课程设计.........................................................82.1设计课题.....................................................82.1.2确定电路形式及元器件型号.................................82.1.3计算元件参数.............................................93设计课题仿真及PCB制作..........................................113.1protel99SEPCB板制作.....................................113.1.1原理图绘制..............................................113.1.2PCB图绘制..............................................123.2multisim软件仿真及调试......................................144设计总结.........................................................164.1总结.........................................................16参考文献...........................................................17Ⅱ致谢...............................................................18附录...............................................................19附录A...........................................................19附录B...........................................................20附录C...........................................................2111．函数发生器的组成1.1函数发生器简介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）。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一方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用的是先产生方波一三角波，再将三角彼变换成正弦波的电路设计方法，其电路组成如图1.1.1所示。比较器积分器差分放大器图1.1函数发生器组成框图21.1.1方波→三角波产生电路+Vcc图1.2方波→三角波产生电路图1.1.2所示的电路能自动产生方波→三角波。电路工作原理如下：若a点断开，运算放大器，与、及、，组成电压比较器，称为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即，同相端接输入电压，称为平衡电阻。比较器的输出的高电平等于正电源电压，低电平等于负电源电压（||=||），当比较器的，比较器翻转，输出从高电平跳到低电平，或者从低电平VEE跳到高电平。设，则()()……………1.1将上式整理，得比较器翻转的下门限单位为()……………………1.2若，则比较器翻转的上门限电位为()……………………1.3aU02A1+R4RP2-+-+A2+-VEER3RP1C1U+U01R5-VEE+VccR1U-UiaR2C23比较器的门限宽度为……………………1.4由以上公式可得比较器的电压传输特性如图所示a点断开后，运放A2与、、及组成反相积分器器，其输入信号为方波，则积分器的输出为()∫…………………………1.5时（）()()………………1.6时（）()()………………1.7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，其波形关系如右图所示。Uia--VEEUia+0+VccU01Uia图1.3比较器的电压传输特性+VCCVCCVEE-VEETU02tU0U01图1.4方波→三角波转换示意图4a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…………………………1.8方波→三角波的频率ƒ为()………………………………1.9由式1.8、1.9可以得出以下结论：①电位器在调整方波→三角波的输忠频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率范围较宽，可用改变频率的范围，实现频率微调。②方波的输出幅度应等于电源电压。三角波的输出幅度应不超过电源电压。电位器可实现幅度微调，但会影响方波→三角波的频率。1.1.2三角波→正弦波变换电路根据图1.1.1的组成框图，三角波→正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。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……………………1.10……………………1.11式中为差分放大器的恒定电流；为温度的电压当量，当室温为25℃时，。如果为三角波，设表达式为{()()()()………………1.125式中为三角波的幅度；T为三角波的周期。将式1.12代人式1.10或式1.11，则(){()()()()………………1.13利用计算机对式1.13进行计算，打印输出的()或()曲线近似于正弦波，则差分放大器的单端输出电压()、()亦近似于正弦波，从而实现了三角波→正弦波的变换，波形变换过程如图1.1.5所示。为使输出波形更接近正弦波，由图1.1.5可见①输特性曲线越对称，线性区越窄越好；②三角波的幅度应正好便晶体管接近饱和区或截止区。Q0+UimICIC2-Uim0IC1Uid+UimtIC1(t)-Uim0tU02(t)图1.5三角波→正弦波变换6图1.1.6为实现三角波→正弦波变换的电路。其中调节三角波的幅度调整电路的对称性，其并联电阻用来减小差分放大器的线性区。电容、、为隔直电容，二为滤波电容，滤除谐波分量，改善输出波形。图1.6三角波→正弦波变换电路1.2函数发生器的性能指标1.2.1输出波形正弦波、方波、三角波等等。1.2.2频率范围函数发生器的输出频率范围一般分为若干波段，如低频信号发生器的频率范围为：1~10Hz，10~100Hz，100Hz~1kHz，l~10kHz，10~100kHz，100kHz~1MHz等6个波段。UidC1++RP1C2V1RC1+UCCRC2C4C3+V2RB1RB2R#V4V3RE3RE4Uo2RP2RE2-UEER71.2.3输出电压输出电压一般指输出波形的峰一峰值，即。1.2.4波形特性表征正弦波特性的参数是非线性失真系数γ，一般要求γ＜％。表征三角波特性的参数也是非线性失真系数γ，一般要求了γ＜％。表征方波特的参数是上升时间。一般要求(1kHz，最大输出时）。82．课程设计2.1设计课题设计一方波→三角波→正弦波函数发生器。2.1.1性能指标要求：（1）频率范围，（2）输出电压方波，三角波，正弦波（3）波形特性方波，三角波γ，正弦波γ。2.1.2确定电路形式及元器件型号采用如图1.1.7所示电路，其中运算放大器A1与A2用一只四运放LM348N，4只晶体管用集成电路差分对管BG319或三极管2N3904等。因为方波电压的幅度接近电源电压所以取电源电压，。9图2.1三角波→方波→正弦波函数发生器实验电路2.1.3计算元