带电源的函数发生器的设计与制作.doc

毕业设计

课 题 名 称： 带电源的函数发生器的设计与制作
专 业 班 级： 应用电子技术
学 生 姓 名：
指 导 教 师：

二O一 一 年 三 月

毕业设计任务书

系 部： 自动化系
专 业 班 级 应用电子技术
学 生

二O一一 年 三 月

目录

1 函数发生器的总方案及原理框图…………………………………5
　　 1.1 电路设计原理框图…………………………………………………5
　　 1.2 电路设计方案设计…………………………………………………5
2. 各部分电路设计……………………………………………………...6
　　 2.1 方波发生电路的工作原理…………………………………………6
　　 2.2 方波---三角波转换电路的工作原理………………………………7
　　 2.3 三角波---正弦波转换电路的工作原理……………………………10
　　 2.4电路的参数选择及计算…………………………………………….13
2.5 总电路……………………………………………………………….15
3. 电路仿真………………………………………………………………...16
　　 3.1 方波---三角波发生电路的仿真……………………………………16
　　 3.2三角波---正弦波转换电路的仿真………………………………….17
4.实验总结…………………………………………………………………18
5. 仪器仪表明细清单…………………………………………………...19
6. 参考文献………………………………………………………………..20
　…

引言
函数发生器是研究及工程实践中重要的仪表之一，在电子工程，通信工程，自动控制，测量仪器，仪表和计算机等技术领域系统设计及调试过程中，用不同频率的正弦波，三角波和方波作为信号源，应用十分方便，过去常由分立元件及集成运放构成振荡器，分立元件体积大，相对耗能高，故障频率也高，随着集成电路的迅速发展，用集成电路很快，很方便的构成各种信号的波形发生器，用集成电路的信号波形发生器雨其他信号波形发生器相比，其波形质量，幅度和频率稳定性等性能指标，都有很多的提高。
发生器根据用途不同有产生三种和多种波形的发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件，也可以是集成器件，产生方波，正弦波，三角波的方案有三种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波某种确定的函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，通过积分电路后将其变为三角波，也可以产生三角波-方波，再将三角波方波转化为正弦波，随着电子技术的迅速发展，新材料新器件层出不穷，器件的可选择性大幅度增加，就是技术上很成熟的可产生方波，正弦波，三角波的主芯片精密函数发生器采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽，我稳定度高，精度高易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生的方波，正弦波，三角波，其函数波形的频率内部和外部电压控制，可被应用于压控振荡等波形发生器。
本系统以ICL8038集成块为核心器件，制作一种函数信号发生器，制作成本较低。适合学生学习电子技术测量使用。一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、

1．函数发生器总方案及原理框图
1.1 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，

1.2电路设计原理框
本课题中函数发生器电路组成框图如图1所示：

三角波、方波
产生电路
三角波—正弦波转换电路
+ ∞
-
功放
输出阻抗600Ω
输出阻抗50Ω
+15V
-15V
数字显示频率计（四位）
占空比可调方波

图1
通过波形选择开关，可输出对称方波、占空比可调的方波、三角波和正弦波
几种信号输出频率分五档连续可调，频率调节范围几十赫兹到几十万赫兹
输出信号的电压幅值连续可调，通过精密的衰减器，使输出幅值可由几十毫伏调到十几伏，输出频率通过数字频率计显示其信号频率大小.
该电路由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，三角波－正弦波转换，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、各部分电路设计
2.1 方波发生电路的工作原理
迟滞比较器和RC负反馈回路构成方波发生器
方波发生器如图5.3-34所示，其电路是由一个迟滞比较器和一个RC负反馈回路构成。比较器输出电压UO被两个特性相同的稳压管限幅，在比较过程中，输出电压被稳定在正负UZ（UZ为稳压管VDZ的稳定电压、下同）而保持恒定。R1、R2为限流电阻，一般为10~100千欧。

电路的工作过程是：电源接通时刻（T=0），设C两端电压HC=0比较器输出电压UO=+，此时运放同相端电压为

当UO=+UZ时，+UZ通过R向C充电，UC随时间按正指数规律上升，当UC上升到略高于FUZ时，UO从+UZ跳变为UZ。此后，C经R放电UC按负指数规律下降。
在C放电期间，U0=-UZ，运放同相端电压为-FUZ。当UC下降到略低于-FUZ时，UO又立刻跳到+UZ，回到初始状态如此周而复始，便有方波输出。UO及UC的波形见图5.3-34B。图中

所以方波的周期为T0为

由上可以看出，改变R、R3、R4或C，均可改变振荡频率。实用中，R常用电位器代替实现对频率的调节

2.2 方波---三角波转换电路的工作原理

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Via，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3-71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　
　时，
时，
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。

2.3 三角波---正弦波转换电路的工作原理

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　　
——差分放大器的恒定电流；
——温度的电压当量，当室温为25oc时，UT≈26mV。
如果为Uid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。

三角波—正弦波变换电路

2.4电路的参数选择及计算
1.方波-三角波中电容C1变化
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。

2.三角波-正弦波部分
比较器A1与积分器A2的元件计算如下。
由式（3-61）得
即
取 ，则，取 ，RP1为47KΩ的点位器。区平衡电阻
由式（3-62）
即
当时，取，则，取，为100KΩ电位器。当时 ，取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，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，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。

2.5总电路

3． 电路仿真
3.1 方波---三角波发生电路的仿真

3.2 三角波---正弦波转换电路的仿真

4.实验总结
通过本篇论文的设计有线路简单，可输出正弦波、方波、三角波，输出波形稳定清晰，信号质量好，精度高。系统输出频率范围较宽且经济实用。时至今日，几个礼拜的毕业设计终于可以画上一个句号了，但是现在回想起来做毕业设计的整个过程，颇有心得，其中有苦也有甜，不过乐趣尽在其中呀！没有接受任务以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结（这是我以前的一种想法），但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面、太偏激了。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
为期一个星期的课程设计已经结束，在这一星期的学习、设计、焊接过程中我感触颇深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；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，体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦。
在实验过程中，我们遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至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。实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，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波形，讲解知识点，实在令我感动。
还有就是在实验中，好多同学被电烙铁烫伤了，这不得不让我想起安全问题，所以在以后的实验中我们应该注意安全，让不必要的伤害减至最少。
在设计过程中，我们通过查阅大量相关资料及向指导教师请教，使我们所学的知识得到巩固，又学到了不少新的知识，也经历许多艰辛。设计期间我们每天围着图板转，吃饭、睡觉都在想怎样解决遇到的困难及问题，收获颇多。毕业设计不但培养了我们独立完成任务的能力，树立了克服和战胜困难的信心，而且大大提高了我们独立思考的能力，使我们充分体会到了在设计过程中，探索的艰难和成功的喜悦。
　　通过本次设计我们深深体会到任何理论如果没有在实践中得到应用，那它只是一些零乱的文字而已。这次设计使我们懂得了理论和实践相结合的重要性；也让我们意识到拓宽知识面，培养思维创新能力的重要性；当然团队合作精神也很重要。我们只有通过不断的学习，在实践中锻炼才能提高自己的能力。
我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。我还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。还有值得我们自豪的一点就是我们的线路连得横竖分明，简直就是艺术啊，最后用一句话来结束吧。
“实践是检验真理的唯一标准”与君共勉。

5．仪器仪表清单
设计所用仪器及器件
1．直流稳压电源 1台
2．示波器 1台
3．万 用 表 1只
4．运 放741 1片
5．电位器50K 2只
　　　　　　　　100K 1只
　　　　　　　　 100Ω 1只
6．电阻 510 1只
510 1只
600 1只
510 1只
510 1只
7. 开关 2个
7．功放 1个
8．面　包　板 1块
9．剪　　　刀　　　　　　１把
10．仪器探头线 2根
11．电 源 线 4根

6、参考文献
（1）《模拟电子技术》（出版社不限）苏士美（2007年）
（2）《数字电子技术》（出版社不限）赵军（2009.3）
（3）《电子电路大全》（邮电出版社）
（4）《电子实验综合实训教程》（机械出版社）
（5）《电子线路课程设计指导》（高等教育出版社）
（6）《电子技术基础》（电子工业出版）
（7）《全国大学生电子设计竞赛试题精解选》 （电子出版社）
（8）《电子测量仪器与应用》（电子出版社）
（9）《电子技术实验与课程设计》（机械出版社）
（10）《电子电路设计与实践》（山东科学出版社）
（11）《集成电路手册》

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