方波-三角波-正玄波函数发生器设计.doc

目 录
1 函数发生器的总方案及原理框图
1.1 电路设计原理框图
1.2 电路设计类型
2设计的目的及任务
2.1 课程设计的目的
2.2 课程设计的任务与要求
2.3 课程设计的技术指标
3部分选择电路及其原理
3.1集成函数发生器8038简介
.2 方波---三角波转换电路的工作原理
4 电路仿真
4.1 方波---三角波发生电路的仿真
4.2 三角波---正弦波转换电路的仿真
4.3正弦波---方波---三角波电路输出
5电路的原理
5.1电路图及元件原理
5.2 电路各部分作用
5.3 总电路的安装与调试
6心得体会
8 仪器仪表明细清单
9 参考文献
1．函数发生器总方案及原理框图
一、主原理框图
1.1 555定时器的工作原理
555定时器是一种功能强大的模拟数字混合集成电路，其组成电路框图如图22.32所示。555定时器有二个比较器A1和A2，有一个RS触发器，R和S高电平有效。三极管VT1对清零起跟随作用，起缓冲作用。三极管VT2是放电管，将对外电路的元件提供放电通路。比较器的输入端有一个由三个5kW电阻组成的分压器，由此可以获得 和 两个分压值，一般称为阈值。555定时器的1脚是接地端GND，2脚是低触发端TL，3脚是输出端OUT，4脚是清除端Rd，5脚是电压控制端CV，6脚是高触发端TH，7脚是放电端DIS，8脚是电源端VCC。555定时器的输出端电流可以达到200mA，因此可以直接驱动与这个电流数值相当的负载，如继电器、扬声器、发光二极管等。
2、单稳类电路
单稳工作方式，它可分为3种。见图示。
第1种（图1）是人工启动单稳，又因为定时电阻定时电容位置不同而分为2个不同的单元，并分别以1.1.1 和1.1.2为代号。他们的输入端的形式，也就是电路的结构特点是：“RT-6.2-CT”和“CT-6.2-RT”。

第2种（图2）是脉冲启动型单稳，也可以分为2个不同的单元。他们的输入特点都是“RT-7.6-CT”，都是从2端输入。1.2.1电路的2端不带任何元件，具有最简单的形式；1.2.2电路则带有一个RC微分电路。

　第3种（图3）是压控振荡器。单稳型压控振荡器电路有很多，都比较复杂。为简单起见，我们只把它分为2个不同单元。不带任何辅助器件的电路为1.3.1；使用晶体管、运放放大器等辅助器件的电路为1.3.2。图中列出了2个常用电路。

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．课程设计的目的和设计的任务

2.1 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
2.2设计任务
设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器
2.3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、要有稳定的输出波形。
4、频率范围： 100HZ~1kHZ, 1HZ~10kHZ；
输出电压： 方波VP-P≤24V , 三角波VP-P≤6V；
波形特性： 方波tr＜30μs(1KHZ ,最大输出时)，三角波γ△＜2％

3、部分选择电路及其原理
1、

集成函数发生器8038简介
1．8038的工作原理
由手册和有关资料可看出，8038由恒流源I1、I2，电压比较器C1、C2和触发器①等组成。其内部原理电路框图和外部引脚排列分别如图XX_01和图XX_02所示。
1. 正弦波线性调节；2. 正弦波输出；3. 三角波输出；4. 恒流源调节；5. 恒流源调节；6. 正电源；7. 调频偏置电压；8. 调频控制输入端；9. 方波输出（集电极开路输出）； 10. 外接电容；11. 负电源或接地；12.正弦波线性调节；13、14. 空脚
2. 　　如图所示为采用8038的函数发生电路。采用集成电路芯片8038构成的函数发生器可同时获得方波、三角波和正弦波。三角波通过电容恒流放电而直接形成；方波由控制信号获得；正弦波由三角波通过折线近似电路获得。通过这种方式获得的正弦波不是平滑曲线，其失真率为1％左右，可满足一般用途的需要。电路中的电位器PR1用于调整频率，调整范围为20Hz到20kHz。PR2用于调整波形的失真率，PR3用于调整波形的占空比。
在图XX_01中，电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/3（ 其中VR=VCC+VEE），电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节，且I2必须大于I1。当触发器的Q端输出为低电平时，它控制开关S使电流源I2断开。而电流源I1则向外接电容C充电，使电容两端电压VC随时间线性上升，当VC上升到VC=2VR/3 时，比较器C1输出发生跳变，使触发器输出Q端由低电平变为高电平，控制开关S使电流源I2接通。由于I2>I1 ，因此电容C放电，VC随时间线性下降。当VC下降到VC<=Vr比较器C2输出发生跳变，使触发器输出端Q又由高电平变为低电平，I2再次断开，I1再次向C充电，VC时间线性上升。如此周而复始，产生振荡。若I2=2I1 ，VC时间与下降时间相等，就产生三角波输出到脚3。而触发器输出的方波，经缓冲器输出到脚9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。当I1<I2<2I1 时，VC升时间与下降时间不相等，管脚3输出锯齿波。因此，8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波等四种不同的波形。

有关触发器的工作原理见数字部分。图9.5.1中的触发器，当R端为高电平、S端为低电平时，Q端输出低电平；反之，则Q端为高电平。
2．8038的典型应用
由图XX_02可见，管脚8为调频电压控制输入端，管脚7输出调频偏置电压，其值（指管脚6与7之间的电压）是(VCC+VEE/5) ，它可作为管脚8的输入电压。此外，该器件的方波输出端为集电极开路形式，一般需在正电源与9脚之间外接一电阻，其值常选用10kW左右，如图XX_03所示。当电位器Rp1动端在中间位置，并且图中管脚8与7短接时，管脚9、3和2的输出分别为方波、三角波和正弦波。电路的振荡频率f约为0.3/[C(R1+RP1/2)] 。调节RP1、RP2可使正弦波的失真达到较理想的程度。

由于8038价格比较昂贵，因而不使用该种电路。
2、通用函数发生器电路图
信号发生器可分为三部分：正弦波及三角波发生器、计数器和脉冲及斜波发生器。如图所示，XR2206采用压控振荡器，频率调整通过电位器RP5(10k)实现，很容易调整到频率千分之一以内。如果改变固定电阻R3的阻值，也可改变RP5的阻值。正弦波和三角波电路和其它同类仪器不同，衰减开关S1变信号的幅值，不影响偏置电压。根据需要的固定衰减(到20dB，电压比为10)，用R6，并联固定电阻R7调整。也可接变阻器调整电阻。尽管调整电阻较贵，但易于实现。

R2206是一种单片集成函数发生器，能产生高稳定度和高精度的正弦波、三角波、矩形波等，这些输出信号可受外加电压控制、其工作频率由外部参数设定。它的频率工作范围是0.01Hz～1MHz，正弦波的失真度为0.5％，图2所示为采用XR2206组成的FSK信号发生器的基本电路。
    XR2206内部的VCO（压控振荡器）电路通过定时电容Ct分别与两个接地电阻Rt1和Rt2相连，VCO的电流开关受输入到9脚的TTL电平控制，2脚输出调制的正弦波信号。电
路的振荡频率由电容Ct和电阻Rt1、Rt2决定。
由于电路非常复杂，而且也没有很搞的要求，即使满足，也没有其他电路的标准，有其他波的干扰。

4 .电路仿真
4.1产生方波

4.2产生三角波

4.3产生正弦波

4.4三个波形进行比较

4.5电路仿真

5．各组成部分的工作原理
一、这是制作要求的电路原理图
1、555定时器是一种集模拟，数字于一体的中规模集成电路。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面
1.下面是IC555的各个引脚的作用：
②（TR）为低电平触发端。该端输入电压高于1/3UCC时，比较器C2输出为“1”，当输入电压低于1/3UCC时，比较器C2输出为“0”。
③（u0）为输出端。输出为“1”时的电压比电源电压UCC低2V左右。输出最大电流为200mA。
④（）为复位端。在此端输入负脉冲（“0”电平，低于0.7V）可使触发器直接置“0”，正常工作时，应将它接“1”（接+UCC）。
⑤（CO）为电压控制端。静态时，此端电位为2/3UCC。若在此端外加直流电压，可改变分压器各点电位值。在没有其他外部联线时，应在该端与地之间接入0.01µF的电容，以防干扰引入比较器C1的同相端。

⑥（TH）为高电平触发端。该输入端电压低于2/3UCC时，比较器C1输出为“1”，当输入电压高于2/3UCC时，比较器C1输出为“0”。
⑦（D）为放电端，当输出U0=“0”，即触发器= 1时，放电晶体管T导通，相当7端对地短接。当u0 为“1”，即= 0，T截止，7端与地隔离。
⑧和①分别为电源端和接地端。CMOS555集成定时器的电源电压在4.5V～18V范围内使用。
2、5 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。
表5.1  555集成定时器的功能表
RD
TH
TR
u0
T
0
×
×
0
导通
1
大于2/3UCC
大于1/3UCC
0
导通
1
小于2/3UCC
小于1/3UCC
1
截止
1
小于2/3UCC
大于1/3UCC
保持
保持

2.工作状况说明

555定时器×1 CD4060计数器×1 1．555集成定时器 555集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件。外加电阻、电容可以组成性能稳定而精确的多谐振荡器、单稳电路、施密特触发器等。
它是由上、下两个电压比较器、三个5kΩ电阻、一个RS触发器、一个放电三极管 T以及功率输出级组成。比较器 C1的同相输入端⑤接到由三个5 kΩ电阻组成的分压网络的2/3Vcc处，反相输入端⑥为阀值电压输入端。比较器C2的反相输入端接到分压电阻网络的1/3Vcc处，同相输入端②为触发电压输入端，用来启动电路。两个比较器的输出端控制RS触发器。RS触发器设置有复位端 ④，当复位端处干低电平时，输出③为低电平。控制电压端⑤是比较器C1的基准电压端，通过外接元件或电压源可改变控制端的电压值，即可改变比较器C1、C2的参考电压。不用时可将它与地之间接一个O．01μF的电容，以防止干扰电压引入。555的电源电压范围是+4.5～+18V，输出电流可达100～200mA，能直接驱动小型电机、继电器和低阻抗扬声器。CMOS集成定时器CC7555的功能和TTL集成定时电路完全一样，但驱动能力小一些，内部结构也不同，555定时器的功能表见表14-1。图 14-1 555电路引脚图 图14-2 TTL电路555电路结构表14-1 555芯片功能表触发阈值复位放电端输出 H导通L H原状态 H截止H L导通L 2．555定时器的应用 ①单稳态电路 单稳态电路的组成和波形如图14-3所示。当电源接通后，Vcc通过电阻R向电容C充电，待电容上电压Vc上升到2/3Vcc时，RS触发器置0，即输出Vo=0，同时电容C通过三极管T放电，RS触发器输入变位1、1，输出保持不变。
当触发端②的外接输入信号电压Vi＜1/3Vcc时，RS触发器置1,即输出Vo=1，同时，三极管T截止。电源Vcc再次通过R向C充电。输出电压维持高电平的时间取决于RC的充电时间，待电容上电压Vc上升到2/3Vcc时，RS触发器置0，即输出Vo=0，当t=tW时，电容上的充电电压为；所以输出电压的脉宽 tW=RCln3≈1.1RC 一般R取1kΩ～10MΩ，C＞1000pF。值得注意的是：t的重复周期必须大于tW，才能保证每一个负脉冲起作用。由上式可知，单稳态电路的暂态时间与VCC无关。因此用555定时器组成的单稳电路可以作为精密定时器。图 14-3单稳态电路的电路图和波形图 ②多谐振荡器多谐振荡器的电路图和波形图如图14-4所示。电源接通后，Vcc通过电阻R1、R2向电容C充电。当电容上电VC=2/3Vcc时，阀值输入端⑥受到触发，比较器C1翻转，输出电压Vo=0，同时放电管T导通，电容C通过R2放电；当电容上电压Vc=1/3Vcc时，比较器C2输出0，输出电压Vo=1。C放电终止、又重新开始充电，周而复始，形成振荡。其振荡周期与充放电的时间有关：充电时间： 放电时间： 振荡周期：T=tPH+tPL≈0.7(R1+2R2)C 振荡频率：f=1/T= 占空系数： 当R2>>R1时，占空系数近似为50％。
图14-4 多谐振荡器的电路图和波形图由上分析可知： a）电路的振荡周期T、占空系数D，仅与外接元件R1、R2和C有关，不受电源电压变化的影响。 b）改变R1、R2，即可改变占空系数，其值可在较大范围内调节。 c） 改变C的值，可单独改变周期，而不影响占空系数。 另外，复位端④也可输入1个控制信号。复位端④为低电平时，电路停振。 ③ 施密特触发器施密特触发器电路图和波形图如图14-5所示，其回差电压为1/3Vcc。当输入电压大于2/3Vcc时输出低电平，当输入电压小于1/3Vcc时输出高电平，若在电压控制端⑤外接可调电压Vco（1.5～5V），可以改变回差电压ΔVT。施密特触发器可方便的地把非矩形波变换为矩形波，如三角波到方波。施密特触发器可以将一个不规则的矩形波转换为规则的矩形波。施密特触发器可以选择幅度达到要求的脉冲，虑掉小幅的杂波。图14-5 施密特触发器电路图和波形图 3. CD4060是14位二进制串行计数器，其引脚图如图14－6。 ① 由14级二进制计数器和非门组成的振荡器组成，外接振荡电路可以做时钟源。图6—6　CD4060引脚图 ② ：时钟输入端，下降沿计数；CP0：时钟输出端； ：反向时钟输出端。 ③ RD清零端为异步清零。 ④ 作为2Hz、4Hz、8Hz等时钟脉冲源时，典型接线方法如图14-7，从计数器输出端可以得到多种32.678kHz的分频脉冲。图6-7 4060作为时钟源 ⑤ 可以加上RC回路构成时钟源。如图14-8，其中T≈1.4RC 图6-8 RC回路作为时钟源图6-6 CD4060引脚图 4. CD4017是十进制计数器/时序译码器，内部有一个十进制计数器和一个时序译码器，图14-9是其引脚图，CP为时钟脉冲输入，上升沿计数， 为允许计数，低电平有效，计数时Q0～Q9的十个输出端依次为高电平，RD为异步清零端，RD=1时Q0=1。计数器的输出Q0～Q4=1时进位Co=1，Q5～Q9=1时Co=0。图6—9　CD4017引脚图普通计数器作为分频时，从计数器输出引脚可以得到CP的2、4、8…分频的信号，用N进制计数器可以得到N分频信号。依此原理用CD4017可以方便得到2～10分频信号，将CD4017输出端Q2～Q9分别与复位端相连，可以构成2～9的分频。如图14-10所示构成3分频，当高电平移到Q3时，计数器复位，重新计数，3分频信号可以从Q0～Q2中一个输出，不接反馈复位则可以得到10分频。
2.2 RC积分电路原理
电路结构如图，积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理，这里就不详细说了，这里要提的是电路的时间常数R*C，构成积
分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。
　　输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。
　　从图得，Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时，Uc=Oo.随后C充电，由于RC≥Tk,充电很慢，所以认为Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故
　　Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)∫icdt
　　这就是输出Uo正比于输入Ui的积分（∫icdt）
RC电路的积分条件：RC≥Tk

五、主要元件的参数
主要元件参数
规格
发光二极管
5mm
集成电路
IC555
电阻
1. 三个10K
2. 一个1K
3. 一个62K
4. 一个510欧
滑动电阻
一个20K
电解电容
1. 一个100微法
2. 一个10 微法
电容
1. 一个10微法
2. 一个0.47微法
3. 两个0.01微法
4. 两个0.1微法

六、心得与体会
1、通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和其他类型的各种电路原理。通过对他们的比较和认识，我找到了简单、正确的方法。
2、通过对电路条件的限制，要求我们能更深次地理解各种器件的原理及使用规则，对具体的情况做到正确的判断，提高了我们对书本知识的掌握，也把我们从理论水平提高到实践水平。
3、我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
4、在对各种方案进行排查时，我们才了解到我们现在的知识水平还很有限，需要我们自己拓展，要多看一些关于其他类型的不同的见解。
5、尽管课程设计是在期末才开始，我们的教材学习完毕，掌握许多知识，但是还有很多地方理解领悟不到位，由于对555电路相关章节未能掌握以致用到秒脉冲产生电路无法自行设计，只得参考其他文献，在EWB中试行操作，逐步摸索。彻悟学海无涯只有苦来作舟，学无止境只有书来作伴。
6、从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
7、这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，都是很难弄懂的，但我都更加认真的去做，这样才可以不断地提高自己。

9 参考文献
1、《电子技术基础*数字部分》 ，康华光，第五版
2、《电子技术课程设计指导》 ，彭介华 ，高等教育出版设
3、《模拟电子技术基础》 ，徐晓夏，清华大学出版社