方波-三角波-正弦波函数发生器设计

信息工程学院课程设计（论文）湖北民族学院课程设计报告课程设计题目课程：电子线路课程设计专业：班级：学号：学生姓名：指导教师：2014年6月20日信息工程学院课程设计（论文）1信息工程学院课程设计任务书设计题目方波-三角波-正弦波函数发生器设计设计技术参数1、设计并调试函数发生器；2、输出波形：方波、三角波、正弦波；3、频率可调；4、输出电压：方波UP-P≤24V，三角波UP-P=8V,正弦波UP-P＞1V。设计要求设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器参考资料电子技术基础—模拟部分（第五版）电子线路设计·实验·测试（第三版）电子系统设计教程（第二版）电子技术实验与课程设计模拟电子技术模拟电路及其应用2014年6月20日信息工程学院课程设计（论文）2信息工程学院课程设计成绩评定表学生姓名：学号：专业（班级）：课程设计题目：方波-三角波-正弦波函数发生器设计成绩：指导教师：年月日信息工程学院课程设计（论文）3摘要函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如方波、三角波、正弦波的电路。函数发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出方波、三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。该系统通过介绍一种电路的连接，实现函数发生器的基本功能。将其接入电源，并通过在示波器上观察波形及数据，得到结果。其中电压比较器实现方波的输出，又连接积分器得到三角波，并通过三角波-正弦波转换电路看到正弦波，得到想要的信号。该系统利用了Protues电路仿真软件进行电路图的绘制以及仿真。Protues软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借Protues，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并让设计者实现相应的技术指标。本课题采用集成芯片ICL8038制作方波-三角波-正弦波函数发生器的设计方法，经过protues仿真得出了方波、三角波、正弦波、方波-正弦波转换及三角波-正弦波转换的波形图。关键词：电源，波形，比较器，积分器，转换电路，低通滤波，Protues信息工程学院课程设计（论文）4目录1引言--------------------------------------------------------------51.1课程设计任务-------------------------------------------------51.2课程设计的目的-----------------------------------------------51.3课程设计要求------------------------------------------------52任务提出与方案论证------------------------------------------------62.1函数发生器的概述---------------------------------------------62.2方案论证-------------------------------------------------63总体设计----------------------------------------------------------83.1总电路图-----------------------------------------------------83.2电路仿真与调试技术------------------------------------------94详细设计及仿真---------------------------------------------------104.1方波发生电路的工作原理与运放741工作原理--------------------104.2方波—三角波产生电路的工作原理------------------------------104.3三角波—正弦波转换电路的工作原理----------------------------114.4整体仿真效果图----------------------------------------------135总结-------------------------------------------------------------14参考文献-----------------------------------------------------------15信息工程学院课程设计（论文）51引言现在世界中电子技术和电子产品的应用越加广泛，人们对电子技术的要求也越来越高。因此如何根据实际要求设计出简便实用的电子技术物品便显得尤为重要。因此在存在着无数的信号的大千世界里，如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。波形发生器作为一种常用的信号源，是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整体设备时，都应要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它的性能参数。信号发生器是电子测试领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器，它能够给被测电路提供所需要的波形。传统的波形发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，不能根据实际需要灵活扩展。随着微电子技术的发展，运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调的信号。与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便。本文所设计的波形发生器就是信号源的一种，采用集成运算放大器、电阻和电容组成简单的电路，实现波形的产生和转换。1.1课程设计任务设计方波—三角波—正弦波函数发生器1.2课程设计的目的1.通过课程设计，使学生巩固和加强对电子技术电路基本知识的理解，学会查询资料、方案设计，方案比较，以及单元电路设计计算等环节，进一步提高分析解决实际问题的能力。2.独立开展电路实验，锻炼分析解决电子电路问题的实际本领，真正实现由知识向智能的转化，通过此综合训练，为以后毕业设计打下一定的基础。3.掌握常用元器件的识别和测试熟悉常用仪器，了解调试的基本方法，培养综合应用所学知识来指导实践的能力。4.掌握电子系统设计方法，善于总结和思考，独立完成设计方波—三角波—正弦波函数信号发生器的任务。1.3课程设计要求（1）输出的各种波形工作频率范围0.02Hz~20KHz连续可调。（2）正弦波幅值10v或-10v,失真度小于1.5%。（3）方波幅值为10v、-10v。（4）三角波峰-峰值20v；各种输出波形均连续可调。信息工程学院课程设计（论文）62任务提出与方案论证2.1函数发生器的概述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)。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。2.2方案论证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，也可以采用集成电路。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二阶低通滤波器共同组成的方波—三角波—正弦波的设计方法。弦波、方波、三角波的方案有很多种，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者将方波变成正弦波等等。方案一：首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。原理框图如图1-1所示。555多谐振荡器积分器低通滤波图1-1方波、三角波、正弦波、信号发生器的原理框图方案二：电压比较器、积分电路以及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，电路框图如下。先通过电压比较器产生方波，再通过积分电路形成三角波，最后通过查分放大电路产生正弦波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。原理框图如图1-2所示。信息工程学院课程设计（论文）7比较器积分器差分放大器图1-2方波、三角波、正弦波信号发生器的原理框图由于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)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本系统未采用单片函数发生器模块8038。方案一的电路结构、思路简单，但用低通滤波器将方波转化为正弦波时，其输出因为负载的变动将拉动波形的崎变将造成负载的输出正弦波波形变形；而方案二，运行时性能稳定且能较好的符合设计要求，且成本低廉、调整方便。综上所述，我们选择方案二。信息工程学院课程设计（论文）83总体设计3.1总电路图采用图中所示电路，其中运放A1与A2用一只双运放uA747，差分放大器采用晶体管单端输入—单端输出差分放大器，因为方波的幅度接近电源电压，所以取电源电压+Vcc=+12V，-Vee=-12V。比较器A1与积分器A2的元器件参数计算如下：由CCoVRVRRV132得311241232ccmoVVRVRR取R2=10K欧姆，取R3=20K欧姆，RV1=47K欧姆。平衡电阻R1=R2/(R3+RV1)=10K欧姆。当1Hzf10Hz时，取C2=10uF，R4=5.1K欧姆,RV1=100K欧姆。当10Hzf100Hz时，取C2=1uF以实现频率波段的转换，R4与RV2的取值不变。取平衡电阻R5=10K欧姆。三角波—正弦波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C3=C4=C5=470uF，滤波电容C6的取值按暑输出波形而定，若高次谐波成分较多，则C6一般为几十皮法至0.1uF。Re2=100欧姆，RV4=100欧姆并联，以减小差分放大器的线性区。如图2-1所示。图2-1函数发生器总电路图信息工程学院课程设计（论文