函数信号发生器实验报告

青海师范大学课程设计报告课程设计名称：函数信号发生器专业班级：电子信息工程学生姓名：李玉斌学号：20131711306同组人员：郭延森安福成涂秋雨指导教师：易晓斌课程设计时间：2015年12月目录1设计任务、要求以及文献综述2原理综述和设计方案2.1系统设计思路2.2设计方案及可行性2.3系统功能块的划分2.4总体工作过程3单元电路设计3.1安装前的准备工作3.2万用表的安装过程4结束语1设计任务、要求在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路称为函数信号发生器，又名信号源或振荡器。函数信号发生器与正弦波信号发生器相比具有体积小、功耗少、价格低等优点,最主要的是函数信号发生器的输出波形较为灵活,有三种波形（方波、三角波和正弦波）可供选择，在生产实践，电路实验，设备检测和科技领域中有着广泛的应用。该函数信号发生器可产生三种波形，方波，三角波，正弦波，具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能，其产生频率信号范围1HZ～100kHZ，输出信号幅值范围0～10V，信号产生电路由比较器，积分器，差动放大器构成，频率计部分由时基电路、计数显示电路等构成。幅值输出部分由峰值检测电路和芯片7107等构成。技术要求：1.信号频率范围1Hz～100kHz；2.输出波形应有：方波、三角波、正弦波；3.输出信号幅值范围0～10V；4.具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能。2原理叙述和设计方案2.1系统设计思路函数信号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，其电路中使用的器件可以是分离器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以是集成器件（如单片集成电路函数信号发生器ICL8038）。产生方波、正弦波、三角波的方案也有多种，如先产生方波，再根据积分器转换为三角波，最后通过差分放大电路转换为正弦波。频率计部分由时基电路、计数显示电路等构成，整形好的三角波或正弦波脉冲输入该电路，与时基电路产生的闸门信号对比送入计数器，最后由数码管可显示被测脉冲的频率。产生的3种波经过一个可调幅电路，由于波形不断变化，不能直接测出其幅值，得通过峰值检测电路测出峰值（稳定的信号幅值保持不变），然后经过数字电压表（由AD转换芯片CC7107和数码管等组成），可以数字显示幅值。2.2设计方案及可行性方案一：采用传统的直接频率合成器。首先产生方波—三角波，再将三角波变成正弦波。方案二：采用单片机编程的方法来实现（如89C51单片机和D/A转换器，再滤波放大），通过编程的方法控制波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率变换。方案三：是利用ICL8038芯片构成8038集成函数发生器，其振荡频率可通过外加直流电压进行调节。经小组讨论，方案一比较需要的元件较多，方案二超出学习范围，方案三中的芯片仿真软件中不存在，而且内部结构复杂，不容易构造，综合评定，最后选择方案一。2.3系统功能块的划分该系统应主要包括直流稳压电源，信号产生电路，频率显示电路和电压幅值显示电路四大部分。直流稳压电源将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压，信号产生电路产生的信号，经过适当的整形，作为频率显示电路的输入，从而达到了数字显示频率的要求；产生的信号经过幅频显示部分（峰值检测电路和数模转换），便实现了幅值数字显示。2.4总体工作过程先由反相输入的滞回比较器和RC电路组成方波发生电路，然后方波经积分器得到三角波，由差分放大器来完成三角波到正弦波的变换电路。频率计部分由时基电路、计数显示电路等构成，整形好的三角波或正弦波脉冲输入该电路，与时基电路产生的闸门信号对比送入计数器，最后由数码管可显示被测脉冲的频率。产生的3种波经过一个可调幅电路，由于波形不断变化，不能直接测出其幅值，得通过峰值检测电路测出峰值（稳定的信号幅值保持不变），然后经过数字电压表（由AD转换芯片CC7107和数码管等组成），可以数字显示幅值。3单元电路设计一、信号产生电路1.函数发生器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（如单片集成电路函数信号发生器ICL8038）。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，如图。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。函数发生器组成框2各组成部分电路的工作原理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0U=+ZU,则同相输入端电位pU=+tU。0U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，nU趋于+ZU；但是，一旦nU=+tU,再稍增大，0U从+ZU跃变为-ZU,与此同时pU从tU跃变为-tU。随后，0U又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。nU随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，nU趋于-ZU；但是，一旦nU=-tU,再减小，0U就从-ZU跃变为+ZU，pU从-tU跃变为+tU，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。②方波—三角波转换电路的工作原理R112354U1R2R350%Rp1R450%Rp212354U2C1R17图2—2方波—三角波转换电路图2—2所示的电路能自动产生方波—三角波。工作原理如下：若R2左断开，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iaU，R1称为平衡电阻。比较器的输出01U的高电平等于正电源电压+ccV，低电平等于负电源电压-eeV（|+ccV|=|-eeV|）,当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出01U从高电平跳到低电平-eeV,或者从低电平eeV跳到高电平ccV。设01U=+ccV则312231231()0CCiaRRPRUVURRRPRRRP将上式整理，得比较器翻转的下门限单位iaU为223131()CCCCiaRRUVVRRPRRP若01U=-eeV,则比较器翻转的上门限电位iaU为223131()EECCiaRRUVVRRPRRP比较器的门限宽度2312HCCiaiaRUUUVRRP由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图2—3所示图2—3比较电压传输特性图2—4方波、三角波的转化R2左端断开后，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，其波形关系如图2—4所示。R2左端闭合，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：a)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。b)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。③三角波—正弦波转化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：011/1idTCEUUaIIaIe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25°C时，TU≈26mV。如果idU为三角波，设表达式为44434midmUTtTUUTtT022TtTtT式中，mU—三角波的幅度；T—三角波的周期。图2—5三角波—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。图2—6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。图2—6三角波—正弦波变换电路2.计频显示电路测量正弦波、方波、三角波的频率，利用施密特触发器将输入信号整形为方波，并利用计数器测量1s内脉冲的个数，利用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。2.1频率测量的方法1)测周法测周期法，测周期法使用被测信号来控制闸门的开闭，而将标准时基脉冲通过闸门加到计数器，闸门在外信号的一个周期内打开，这样计数器得到的计数值就是标准时基脉冲外信号的周期值，然后求周期值的倒数，就得到所测频率值。首先把被测信号通过二分频，获得一个高电平时间是一个信号周期T的方波信号；然后用一个一直周期T1的高频方波信号作为计数脉冲，在一个信号周期T的时间内对T1信号进行计数，如图2-7所示。若在T时间内的计数值为N2,则有：T2=N2*T1f2=1/T2=1/(N2*T1)=f1/N2N2的绝对误差为N2=N+1。N2的相对误差为δN2=(N2-N)/N=1/NT2的相对误差为δT2=(T2-T)/T=(N2*T1-T)/T=f/f1从T2的相对误差可以看出，周期测量的误差与信号频率成正比，而与高频标准计数信号的频率成反比。当f1为常数时，被测信号频率越低，误差越小，测量精度也就越高。2）测频法测频法是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时间为T，计数器得到的计数值为N1，则被测频率为f=N1/T。改变时间T，则可改变测量频率范围。设在T期间，计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知，N1的绝对误差是N1=N+1,N1的相对误差为δN1=(N1-N)/N=1/N。由N1的相对误差可知，N的数值愈大，相对误差愈小，成反比关系。因此，在f已确定的条件下，为减少N的相对误差，可通过增大T的方法来降低测量误差。当T为某确定值时（通常取1s），则有f1=N1,而f=N，故有f1的相对误差：δf1=(f1-f)/f=1/f从上式可知f1的相对误差与f成反比关系，即信号频率越高，误差越小；而信号频率越低，则测量误差越大。因此测频法适合用于对高频信号的测量，频率越高，测量精度也越高。本次课设要求测1~100KHZ的信号，因此，采用测频法