函数信号发生器-课设报告.doc

模拟电子 课程设计成绩评定表系（部）： 自动控制工程系 班级： 电 学生姓名 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分年 月 日摘要本课题设计的是函数信号发生器,它主要产生三种波形,有三角波、方波、正弦波.该函数信号发生器主要由三部分构成,首先第一级输出方波,主要原器件是迟滞比较器,并且和后一级的反相积分器构成反馈,以实现其功能,接着是三角波输出,该级由前一级产生的方波作为输入,然后通过反相积分器产生三角波,最后在第三级二极管近似电路实现三角波和正弦波的转换,该方案具有经济、方便、实用等特点。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。关键字：正弦波，方波，三角波Abstract function generator design That this problem of abstract designs that is a function generator , it produces three species wave form , has a triangle mainly wave , Fang Bo , sine wave. Be the function generators turn to be composed of tripartite mainly, first order exports Fang Bo first , the main plain component is a lag comparator, and and the one-level opposition of queen integrator composes feedback, to realize whose function, triangle wave output follow , is levels turn to be accomplished by former Fang Bo that first order produces importing, the integrator produces a triangle then by opposition wave, the wave and the sine wave changing, owe a scheme characteristics such as have economy , convenient , pragmatic finally in similar third stage diode circuit realization triangle. Be composed of the Fang Bo triangle wave creation circuit from the comparator and the integrator, Fang Bo that the comparator exports gets a triangle after the integrator wave, come the triangle wave alternation circuit to the sine wave to be completed mainly from differences the amplifier. Differences amplifiers have working spot stability , entering impedance height , the anti-interference ability waits for merit comparatively by force. Can restrain the zero drift effectively when being direct-current amplifier especially,the wave shifts Cheng Zheng string therefore with very low triangle of frequency wave. The principle that wave form shifts is to make use of differences amplifier transmission characteristic property curve nonlinearity.Key word: triangle mainly wave Fang Bo , sine wave目 录课程设计成绩评定表I摘要IIAbstractIII目录IV1引言12总方案及原理框图22.1函数发生器的总方案 2 2.2 原理框图3 3课程设计的目的和设计的任务4 3.1设计的目的 43.2设计的任务与要求4 3.3 课程设计的要求及技术指标4 4各组成部分的工作原理5 4.1 方波发生电路的工作原理 54.2 方波-三角波转换电路的工作原理 54.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理 8 5电路的参数选择及计算10 6 电路的调试 11 6.1 总电路的调试 11 7.2电路调试中遇到的问题及分析解决方法 118总电路图13总结14致谢15参考文献16附录171引 言几乎所有的电子电路都需要稳定的直流电源，在检定检修指示仪表时，除了要有合适的标准仪器外，还必须要有合适的直流电源及调节装置。当由交流电网供电时，则需要把电网供给的交流电转换为稳定的直流电。交流电经过整流、滤波后变成直流电，虽然能够作为直流电源使用，但是，由于电网电压的波动，会使整流后输出的直流电压也随着波动。同时，使用中负载电流也是不断变动的，有的变动幅度很大，当它流过整流器的内阻时，就会在内阻上产生一个波动的电压降，这样输出电压也会随着负载电流的波动而波动。负载电流小，输出电压就高，负载电流大，输出电压就低。直流电源电压产生波动，会引起电路工作的不稳定，对于精密的测量仪器、自动控制或电子计算装置等，将会造成测量、计算的误差，甚至根本无法正常工作。因此，通常都需要电压稳定的直流稳压电源供电。晶体管直流稳压电源可以作为各种晶体管仪器、仪表、电子计算机、自动控制系统与设备的直流电源。精密稳压、稳流电源还可作为检定某些电工仪表用的稳压、稳流电源。因此，晶体管直流稳压电源是科研、生产、教学和维修等单位常用的必备仪器。2函数发生器总方案及原理框图2.1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 原理框图图2.1 原理框图3 课程设计的目的和设计的任务3.1 设计目的 1掌握电子系统的一般设计方法 2掌握模拟IC器件的应用 3培养综合应用所学知识来指导实践的能力 4掌握常用元器件的识别和测试 5熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法 3.2设计任务 设计方波三角波正弦波函数信号发生器 3.3课程设计的要求及技术指标 1设计、组装、调试函数发生器 2输出波形：正弦波、方波、三角波； 3频率范围 ：在2Hz20kHz范围内且连续可调 ； 4输出电压：方波U24V，上升时间tr100us。三角波Up-p=10V。正弦波U1V，失真度小于5%4各组成部分的工作原理4.1 方波发生电路的工作原理 电路由反相输入的滞回比此较器和 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 Uo=+Uz,则同相 输入端电位 Up=+UT。Uo 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，Un趋于+Uz；但是，一旦 Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz 跃变为-Uz,与此同时 Up从+Ut 跃变为-Ut。随后，Uo又通过 R3 对电容 C 反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当 t 趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦 Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz 跃变为+Uz，Up从-Ut 跃变为+Ut，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。 4.2 方波-三角波转换电路的工作原理 图4.1 方波三角波产生电路比较器门限电压： 方波三角波的频率： 图4.2 方波-三角波波形工作原理如下： 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。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。设 Uo1=+Vcc, 则+将上式整理，得比较器翻转的下门限单位 Uia-为 若 Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位 Uia+为 比较器的门限宽度 由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图所示。 a 点断开后，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 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，其波形关系如图所示。 a 点闭合，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 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。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。4.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理 图 4.3 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，传输特性曲线的表达式为式中 I0差分放大器的恒定电流； UT温度的电压当量，当室温为 25oc时，UT26mV。 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4.4 三角波正弦波变换电路 图4.5 三角波正弦波变换5电路的参数选择及计算方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一） 实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将 C2 从 10uf（理论时可出来波形）换成 0.1uf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当 C2=10uf 时，频率很低，不容易在实际电路中实现。 比较器 A1 与积分器 A2 的元件计算如下。 由上式得 即 = + 取，则 ，取 ，RP1 为 47K点位器。区平衡电阻 由式（3-62） 即因为2Hzf20Hz所以 ，则 ，取 ，为 100K电位器。以实现频率波段的转换，R4及 RP2 的取值不变。取平衡电阻三角波正弦波变换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 ，滤波电容 C6视输出的波形而定，若含高次斜波成 分较多， C6 可取得较小， C6 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。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调 整 RP4及电阻 R*确定。 6 电路的调试6.1 总电路的调试 1.把两部分的电路接好，进行整体测试、观察 2.针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值大于或等于 1V。 6.2调试中遇到的问题及解决的方法 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。 1方波-三角波发生器的装调 由于比较器 A1 与积分器 A2 组成正反馈闭环电路，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 RP1 与 RP2 之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使 RP1=10K,RP2取（2.5-70）K内的任一值,否则电路可能会不起振。只要电路接线正确，上电后，UO1 的输出为方波，UO2 的输出为三角波，微调 RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求有，调节 RP2，则输出频率在对应波段内连续可变。 2三角波-正弦波变换电路的装调 按照三角波-正弦波变换图所示电路，装调三角波正弦波变换电路，其中差分发大电路的调试如下： （1）经电容 C4 输入差摸信号电压 Uid=50v，Fi =100Hz 正弦波。调节 Rp4 及电阻 R*,是传输特性曲线对称。在逐渐增大 Uid。直到传输特性曲线形状入图所示，记 下次时对应的 Uid 即 Uidm 值。移去信号源，再将 C4 左段接地，测量差份放大器的 静态工作点 I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4. (2) Rp3 与 C4 连接，调节 Rp3 使三角波输出幅度经 Rp3 等于 Uidm值，这时 Uo3 的输出波形应 接近 正弦波， 调节 C6 大小可改善输出波形。 如果 Uo3 的 波形出现如下图所示的几种正弦波失真，则应调节和改善参数，产生失真的 原因及采取的措施有； 1）钟形失真 如图（a）所示，传输特性曲线的 线性区太宽，应减小 Re2。 2）半波圆定或平顶失真 如图（b）所示，传输特性曲线对称性差，工作点 Q 偏上或偏下，应调整电阻 R*. 3）非线性失真 如图（C）所示，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。 (3)方波幅度上升时间tr的调试1）方波输出电压 Upp=2Vcc 是因为运放输出极有 PNP 型两种晶体组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饮和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出度小于电源电压值。 2）方波的上升时间 tr，主要受预算放大器的限制。如果输出频率的 限制。可接加速电容 C1，一般取 C1 为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量 tr。图 6.1 几种正弦波失真图7 总电路图图7.1 总电路图总结为期两个星期的课程设计已经结束，在这两星期的学习、设计过程中我感触颇深。本次的课程设计使我对抽象的理论有了具体的认识和升华了课本中的知识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和调试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路图的制作和调试方法；以及如何提高电路的性能等等。其次，这次课程设计提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契，在选择原器件和收集设计质料以及计算相关理论参数的过程中体会了那份成功收获的喜悦。我的设计课程项目是函数发生器，在设计的过程中我在图书馆翻阅大量的与函数发生器有联系的质料，并且通过互联网了解到函数发生器在方波三角波正弦波的相互转换的理论过程。通过亲自对设计原理图原器件变换参数的计算和调试，我更加掌握了函数发生器波形的产生条件和波与波之间的转换条件。在计算参数和调试中我们同时也遇到了不少的问题。比如：对元器件的不同而产生波形条件需要怎样的相关元件参数还是掌握不是太熟练，经常对参数的计算到后来都会有相互矛盾，导致结果不让自己满意。有时还会弄到失真严重的结果，甚至从理论上会不出波形这样的问题。在老师和同学的帮助下，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啊。 设计中也暴露出我们在学习中掌握的知识还很有限，许多问题都不能用自己的想法完成所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，老师们不厌其烦地为我们调整相关理论参数，使我们的课程设计得以成功，实在令我感动。 我的设计在一定的程度上还是那么完美。它不能单独进行两者的转换而对第三者不带来影响。如果在方波三角波以及正弦波的连接处加上控制开关的话就可以进行相互转换而不影响整个系统。有条件的话就应该把自己的理论设计在实验室中进行验证和调试，这样就更能把理论与实际进行对比。 致谢在近两周的模电课程设计即将结束。我要感谢的是我的专业老师，您耐心的帮助我们分析电路，让我们了解到如何去计算设计出的电路的参数，还不厌其烦的给我们讲解每一个我们不懂的问题。我们碰到问题了，您就细心的开导我们，把我们从困惑带出来。我们遇到争议了，您就一步一步帮我们将问题存在的根源解剖，然后让我们从本质上明白了解争议的解决方法。在我们困惑的时候，您提供了很多小建议使我们的设计思路更为宽广和清晰。在我们有困难的时候，您提供我们更好的设计环境和条件。我要说一声：老师致谢。同时，我也很感激，那些无论是否与我同组的同学但帮助过我的同学。其实，很多时候你们不经意的小提点，就像黑暗中突然划亮的火柴，点明了我继续下去的方向。当然，对于那些曾经无私的帮助我、开导我的同学，那我更是不甚感激了。还有，我还要感激学校给我们提供了那么多协助我们设计的资料，以及所有资料的著者，也正是你们让我的对设计的理解更为深刻。参考文献1 陈梓城主编实用电子电路设计与调试，北京：中国电力出版社，20062 林春芳主编电子线路学习指导与实训，北京：电子工业出版社，20043 郝波主编电子技术基础模拟电子技术，西安：西安电子科技大学出版社，20084 陈大钦.模拟电子技术基础问答例题试题.武昌.华中科技但学出版社，2003 5 陈晓文主编 电子线路课程设计 电子工业出版社6 www.21IC.com7 www.cediy.com 中国电子设计网附录电路元器件列表：器件大小及数量运放7412片 电阻50K 2只，100K 1只， 100 1只电容470F 3只，1F 1 只， 0.1F 2 只，0.01F 1只三极管9013 4只 正负12V电源各1个