函数信号发生器设计报告

目

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

录

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 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。

来源网络

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－Ｐ>1V。

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。

2．函数发生器总方案及原理框图

2.1原理框图

2.2函数发生器的总方案 正弦波发生器 图1-1整体原理框图 （比例放大器） 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方波发生器 三角波发生器 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（比较器） （积分器） 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。 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：

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。 来源网络

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。

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 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：

来源网络

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 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=0.78 Ra1=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=0.164kΩ 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发现没有显着的变化，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 来源网络