函数信号发生器设计

湖南工学院课程设计第-1-页共18页目录一、设计的任务和要求............................................................................2二、设计的方案选择与论证...................................................................3三、函数发生器的具体方案...................................................................51总的原理框图及总方案..............................................................52各组成部分工作原理..................................................................63总电路图........................................................................................10四、电路的参数选择与仿真.................................................................11五、实验结果分析.....................................................................15六、实验总结............................................................................................16七、参考文献..............................................................................................17附录:元器件列表..........................................................................................18湖南工学院课程设计第-2-页共18页一．设计的任务和要求1.设计任务设计方波—三角波—正弦波函数信号发生器2.设计目的（1）巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。（2）培养根据课题需要选学参考书籍,查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。（3）通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件；初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。（4）了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。（5）培养严肃、认真的工作作风和科学态度。3.性能指标要求（1）输出波形：正弦波、方波、三角波等；（2）频率范围：1～10Hz、10～100Hz；（3）输出电压：方波Up-p=24V,三角波Up-p=6V,正弦波U1V；（4）波形特征：方波tr10s（1kHz，最大输出时），三角波失真系数THD2%，正弦波失真系数THD5%。湖南工学院课程设计第-3-页共18页二、设计的方案选择与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(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—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。1.方案一采用分立器件实现电路组成，主要的部件有双运放uA741运算放大器、电压比较器、积分运算电路、差分放大电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案由三级单元电路组成的，第一级单元可以产生方波，第二级可以产生三角波，第三极可以产生正弦波，通过第二级的选择开关可以实现频率波段的转换，通过对差分放大电路部分元器件的调节来改善正弦波产生的波形。2.方案二采用集成电路实现，主要部件有高速运算放大器LM318、单片函数发生器模块5G8038、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案通过调节不同电位器可调节函数发生器输出振荡频率大小、占空比、正弦波信号的失真，可产生精度较高的方波、三角波、正弦波，且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。湖南工学院课程设计第-4-页共18页3方案比较与选择方案二采用芯片虽然精度较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，而它们只能产生300kHz以下的中低频正弦波、矩形波和三角波，且频率与占空比不能单独调节，从而给使用带来很大不便，也无法满足高频精密信号源的要求。uA741是美国仙童公司较为早期的产品,由于其性能完善,如差模电压范围和共模电压范围宽,增益高,不需外加补偿,功耗低,负载能力强,有输出保护等,因此具有较广泛的应用。uA741这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作，可以方便的输出精度较高的方波、三角波、正弦波，且可以通过调节差分放大电路的各个参数调节正弦波的失真。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，可将频率很低的三角波变换成正弦波。综上所述，本课题选用方案一。.湖南工学院课程设计第-5-页共18页三、函数发生器的具体方案1.总的原理框图及总方案图1函数信号发生器原理图多波形信号发生器方框图如图1所示。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。并采用先产生方波—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。设计差分放大器时，传输特性曲线要对称、线性区要窄，输入的三角波的的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。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。湖南工学院课程设计第-6-页共18页2.各组成部分的工作原理2.1方波---三角波转换电路的工作原理图2方波-三角波转换电路图2为方波-三角波转换电路，其中运算放大器用双运放uA741。工作原理如下：若a点断开，运算发大器A1（左）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A2（右）与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1,则积分器的输出电压Uo2为214221()OOUUdtRRPC当1OCCUV时，2422422()()()CCCCOVVUttRRPCRRPC当1OEEUV时，2422422()()()CCEEOVVUttRRPCRRPC湖南工学院课程设计第-7-页共18页由此可见积分器在输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如下图3所示图3方波--三角波波形关系若a点闭合，即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。湖南工学院课程设计第-8-页共18页2.2三角波—正弦波转换电路工作原理图4三角波—正弦波转换电路图（4）为实现三角波—正弦波变换的电路。其中Rp3调节三角波的幅度，Rp4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C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。三角波-正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。差分放大器采用单入单出方式。三角波-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。湖南工学院课程设计第-9-页共18页差分放大器传输特性曲线的非线性及三角波-正弦波变换原理如下图：图5三角波-正弦波变换原理分析表明，传输特性曲线的表达式为：022/1idTCEUUaIIaIe011/1idTCEUUaIIaIe上式中：/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℃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5可知：（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。湖南工学院课程设计第-10-页共18页3.总电路图整个设计电路如图6所示。图6方波—三角波—正弦波函数信号发生器湖南工学院课程设计第-11-页共18页四、电路的参数选择与电路仿真本课题采用Multisim10.1作为仿真软件。Multisim是InteractiveImageTechnologies(ElectronicsWorkbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。NIMultisim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。Multisim10.1通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路；通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为；借助高级电路分析,理解基本设计特征；本课题使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。1.方波--三角波部分参数选择：在电容C1、C2处放置了选择开关，可以满足课设要求的两个频率范围1～10Hz、10～100Hz：当需要1～10Hz时，开关选择C2=10μF，取45.1Rk，RP2为100Ω电位器；当需要10～100Hz时，取C2=1μF，以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。平衡电阻510Rk。湖南工学院课程设计第-12-页共18页方波-三角波电路的仿真：在Multisim10.1中按方波-三角波转换电路图（图2）接线。调节Rp1和Rp2到设定值，检查无误后，在正确位置接上示波器观察输出波形，即可得到如图7所示的波形：图7（a）方波图7（b）三角波湖南工学院课程设计第-13-页共18页图8为双踪示波器显示的方波三角波波形图图8方波-三角波微调Rp1，使三角波的输出幅度满足设计要求，调节Rp2，则输出频率在对应波段内连续可变。湖南工学院课程设计第-14-页共18页2.三角波--正弦波部分参数选择：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取345470CCCF，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。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R7确定。三角波--正弦波电路的仿真：在Multisim10.1中按方波-三角波转换电路图（图4）接线。保证参数正确，检查无误后，在正确位置接上示波器观察输出波形，调整R7和C6