波形发生器设计.docx

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1、课程设计任务书学生姓名：专业班级：自动化指导教师：工作单位：题目：波形信号发生器初始条件：可选元件：运算放大器，三极管，电阻、开关、电容假设干，等自选元器件。可用仪器：示波器，万用表，频率计等要求完成的主要任务：1设计任务设计一台波形信号发生器。2设计要求1、输出波形：方波、三角波、锯齿波、正弦波、阶梯波。2、频率范围：1Hz10Hz,10Hz100Hz,100HzIKHz,IKHZ10KHZ等四个波段。3、频率控制：通过改变RC时间常数手控信号频率。4、方波峰峰值02OV之间可调，三角波峰峰值在05之间可调，正弦波峰峰值大于IV。5、用分立元件和运放设计一个波形发生器，要求用MUItiSim

2、或Protel进行电路仿真。时间安排：1、2010年6月7日至2010年6月28日，完成仿真设计、制作与调试；撰写课程设计报告。2、2010年7月1日提交课程设计报告，进行课程设计验收和辩论。设计的作用、目的1、根据从稳定性、可靠性、实用性、经济性选择电子线路和电子器件，找到适宜的功能电路；2、通过网络查阅和图书馆资料，培养独立分析问题和解决实际问题的能力；3、掌握常用元器件的识别和测试4、熟悉常用仪表，了解电路调试的根本方法指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录1函数发生器的总方案及原理框图11.1 电路设计原理框图（1）1.2 电路设计方案设计（1）2设计的目的及任务2.

3、1 课程设计的目的（22.2 课程设计的任务与要求(22.3 课程设计的技术指标(23各局部电路设计(33.1 方波发生电路的工作原理(3)3.2 方波一一三角波转换电路的工作原理(3)3.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理(6)3.4 4电路的参数选择及计算(8)3.5 总电路图(10)4电路仿真（三）4.1 方波-一三角波发生电路的仿真(11)4.2 三角波-正弦波转换电路的仿真(12)4.3 仿真结果分析(12)5电路的安装与调试(13)5.1 方波三角波发生电路的安装与调试(13)5.2 三角波-一正弦波转换电路的安装与调试(13)5.3 总电路的安装与调试(13)5.4 电路安装与

4、调试中遇到的问题及分析解决方法(13)6电路的实验结果(15)6.1 方波-一三角波发生电路的实验结果(15)6.2 三角波-正弦波转换电路的实验结果(15)6.3 实测电路波形、误差分析及改良方法(16)7实验总结(17)8仪器仪说明细清单(18)9参考文献(19)1 .函数发生器总方案及原理框图1.1 原理框图1.2 函数发生器的总方案函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方涉及锯齿波、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SlOl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)。为进一

5、步掌握电路的根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一三角波一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RC振荡产生正弦波，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。本课设采用先产生方波一三角波，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：由比拟器和积分器组成方波一三角波产生电路，比拟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

6、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 .课程设计的目的和设计的任务2.1 设计目的1、根据稳定性、实用性、经济性选择电子线路和电子器件，找到适宜的电路2、通过网络查阅和图书馆资料，培养独立分析问题和解决实际问题的能力；3 .掌握常用元器件的识别和测试4 .熟悉常用仪表，了解电路调试的根本方法5 .2设计任务设计方波一一三角波一一正弦波函数信号发生器6 .3课程设计的要求及技术指标1.输出波形：正弦波、方波、三角波；2.频率范围：1Hz10Hz,10Hz100Hz,

7、100HzIKHz,IKHzIOKHzo3.输出电压：方波Up-p20V,三角波Up-p=5V,正弦波Up-p1V;3.各组成局部的工作原理1 .1方波发生电路的工作原理3 .2方波一三角波转换电路的工作原理7二4%（凡+（2），2,3,4R3+RpT方波一三角波产生电路工作原理如下：假设R2下侧端点断开，运算发大器LMlOIAHl与R2及R3、RPl组成电压比拟器。运放的反相端接基准电压，即U-=O,同相输入端接输入电压Uia,Rl为平衡电阻。比拟器的输出Uol的高电平等于正电源电压+Vcc,低电平等于负电源电压-Veeu+Vcc斗Vee|）,当比拟器的U+=U-=0时，比拟器翻转，输出Uo

8、I从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uol=+Vcc,那么将上式整理，得比拟器翻转的下门限单位Uia-为假设UOI=-Vee,那么比拟器翻转的上门限电位Uia+为比拟器的门限宽度a点断开后，运放LMl（HAH2与R4、RP2、Cl及R5组成反相积分器，其输入信号为方波UoL那么积分器的输出Uo2为Ug=力02(R4+RP2)C2j01-(+Vcc)(RRP2)C2vcc (R4-i-RP2)C2正时Uo2=(R4+RP2)C2t=(R4+RP2)C2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，其波形关系下列图所示。a点闭合，既比拟器与积分

9、器首尾相连，形成闭环电路，那么自动产生方波三角波。三角波的幅度为方波三角波的频率f为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。假设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RPl可实现幅度微调，但会影响方波三角波的频率。3.3 三角波-一正弦波转换电路的工作原理三角波一一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

10、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。分析说明，传输特性曲线的表达式为：Ia1C2-aiE2-+eUu,U式中a=Ic/Ie1I0差分放大器的怛定电流;Ut温度的电压当量，当室温为25ocl,UT26mV1如果Uid为三角波，设表达式为式中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，由图可见：(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)图为实现三角波一一正弦波变换的电路。其中R12调节三角波的幅度，R14调整电路的对称性，其并联电阻R16用来减小差分放大器的线性区。电容C

11、8,C9,C11为隔直电容，ClO为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。3.4 直流稳压电源局部：R550Q1Key=A使用直流稳压电源替代Vcc, Vee,将使所加电源可调，从而调整方波的幅度。3.5电路的参数选择及计算1 .方波-三角波局部:由式UO2,” =YCC得:% Uw = 5 JR3+(2 Vcc 20 4取R2=10KC,那么R3+Rpl=40KC,选择R3=30KC和RPl为50K。的电位器。取平衡电阻Rl =R1 (R3 + Rpl)R? R3 +Rpi由式/r3 Rp4(凡十RQC2得R4+Rp2二&tRB4fR2C2当lHzf10Hz时，JRC2=10uF,那么R4

12、Rp2=IoOKIOKC,选择R4=5k和Rp2=100K当IOHZ100Hz时,取C2=luf,那么R4+Rp2=100KIOKC,选择R4=5k和Rp2=100K,平衡电阻R6=150kQ当IoOHZIKHz时，取C2=0.Iuf,那么R4+Rp2=100K-IOK,选择R4=5kC和Rp2=100K,平衡电阻R6=150kC当IKHZfIOKHz时，取C2=0.1uf,那么R4+Rp2=IoOKIOKC,选择R4=5k和Rp2=100K,平衡电阻R6=150kQ2 .三角波-正弦波局部三角波经电容C8和分压电阻Rl2、R20给差分电路输入差模电压UicL一般情况下，差模电压Uid,26

13、mv,因为三角波的最大幅值为5v,故取R1=6KQRp3=600o因为三角波的频率不太高，所以，隔直电容C9和CII要取得大一些，这里取C9=C11=C8=470uF0滤波电容Cll视输出的波形而定。假设含高次谐波成分较多，Cll可取得较小，一般为几十至1微法。R16=100。与R14=100Q并联，以减小差分放大器的线性区，差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整R12及电阻R19确定。差分放大电路的静态工作点主要由恒流源Io决定，故一般先设定I。，Io取值不能太大，I。越小，恒流源越恒定，温漂越小，放大器的输入阻抗越高。但Io不能太小，一般设为几十毫安。这里取差动放大器的恒流源

14、电流Io=L5mA,那么IeI=IC2=0.75mA,从而可求晶体管的输入电阻：为保证差分放大电路有足够大的输入电阻ri,取ri20KQ,根据ri=2(rbe+Rbl)得Rbl6.6K,故取RbI=Rb2=10KC0因为要求输出的正弦波的峰峰值大于IV,所以，应使差动放大电路电压放大倍数u40o根据Au的表达式：可求得电阻RL,先取RCl=RC2=15KQ对于恒流源电路，其静态工作点及元件参数计算如下：发射极电阻一般取几千欧，这里选择Re3=Re4=2kQ,所以，R2=7kC3 .直流稳压电源:C2=C5=2.2mF的电解电容，耐压应大于161.4=22.4V,取25VoC3=C4=220uF

15、耐压大于121.4V=16.8V,取25V。4 .整体电路图1、 仿真（4）、直流稳压电源的调试调节滑动变阻器R6,R8,改变端口输出的电压值，其变化在02OV变化内。（1）方波一三角波发生器仿真由于比拟器Al与积分电路A2组成正反应闭环电路，同时输出方波与三角波，所以，这两个单元同时安装。安装完成后，只要接线正确，就可以通过测量与调试。通电后，用示波器观察Uol与Uo2（如下列图）。改变供电电源的电压，即方波的幅值电压：保持方波的幅值不变，调节RPl改变三角波的幅值调节Rp2微调频率切换电容C,改变频段：C=IOuF:C=IuF：C=0.luF：C=0.01uF:（3）、三角波一一正弦波转

16、换电路三角波一一正弦波变换电路利用差分放大器电路来实现。电路的调试步骤如下：差分放大器传输特性曲线调试。将C9与R12的连线断开，经电容C9输入差模信号电压正弦波。调节R12及电阻R19,使传输特性曲线对称。再逐渐增大Vid,直到其如原理图所示。记下此时对应的峰一峰Vid。移除信号源，测试静态工作点。三角波一正弦波变换电路调试。将R12与C9连接，调节R12使三角波的输出幅度（经R12后输出）等于VidnI值，这时Vo的波形应接近正弦波，调整ClO,改善波形。调节见下。为了得到正确的正弦波，需要设定一系列的参数，要选择适宜的频率。而仅仅这样仍可能出现失真波形。假设出现钟形失真，那么传输特性曲线

17、的线性区太宽，应减小R16o假设出现半波圆定或平顶失真，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R14.假设非线性失真,三角波传输特性区线性度差引起的失真,主要是受到运放的影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形2、 PCB版电路的制作过程5总结函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方涉及锯齿波、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SlOl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根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

18、器共同组成的方波一三角波一正弦波函数发生器的设计方法。采用先产生方波一三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法由比拟器和积分器组成方波一三角波产生电路，比拟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.方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。先设计方波三角波发生器，由于比拟器Ai与积分器

19、A2组成正反应闭环电路，同时输出方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，安装电位器RPl与RP2之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使RP产IOK。，电取(2.5-70)K内的任一值,否那么电路可能会不起振。只要电路接线正确，上电后，Uol的输出为方波，Uo2的输出为三角波，微调Rpl使三角波的输出幅度满足设计指标要求有，调节降2,那么输出频率在对应波段内连续可变。再设计并连接三角波一正弦波变换电路，对电路中电阻进行参数设定，并在电路中进行调试直至出现正弦波。6心得体会通过对函数信号发生器的设计，我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课

20、程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也稳固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计调试过程中，我个人感觉比拟难的，因为理论计算的值在实际当中并不一定是最正确参数，必须通过观察效果来改变参数的数值以期到达最好。而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧！一、附录数量描述参考标识封装4DIODE,1N4001D5,D4,D3,D2IPC-22

21、21A2222D0-351SWITCH,SPDTJ2GenericSPDT1DIODE,1N4148DlIPC-2221A2222D0-351DSWPK_4JlUltiboardDIPSW4H2OPAMP,LM101AHUl,U2GenericT0-5(H08C)4BJT_NPN,2SC945Q4,Q3,Q2,QlGenericT0-92电阻假设干瓷片和电解电容假设干二、参考文献1、谢自美主编.电子线路设计*实验*测试.华中科技大学出版社，20052、桂金莲、陈光明等主编.电子技术课程设计与综合实训.北京航空航天大学出版社,20073、蔡忠法主编.电子技术实验与课程设计.浙江大学出版社，20034、李万臣主编.模拟电子技术根底实验与课程设计.北京电子工业出版社，2001