学士学位论文--低频函数信号发生器-说明书.doc

四川信息职业技术学院毕业设计说明书

信息职业技术学院

毕业设计说明书(论文)

设计(论文)题目:低频函数信号发生器的设计
专 业: 通信技术

四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书
学 生
姓 名

学号

班级

专业
通信技术
设计（或论文）题目
低频函数信号发生器的设计
指导教师姓名
职称
工作单位及所从事专业
联系方式
备注

助教
术学院电子系教师

高级工程师
司
1

设计（论文）内容：
设计一种方波 正弦波 三角波的函数发生器。
基本要求:
[1]　设计的函数发生器能够产生频率范围在1Hz~10Hz，10Hz~100Hz。
[2]　输出电压:　方波Vp-p≤24V；三角波Vp-p=8V；正弦波Vp-p>1V。
[3]　波形特性:　方波tr<30μs；三角波非线性失真系数γ<2%；正弦波非线性失真系数γ<5%。
进度安排：
第一阶段（2008，09~2008，10）：完成资料的收集；
第二阶段（2008，10~2008，11）：完成硬件设计，即完成单元电路及总电路图的设计和工作原理的叙述，电路性能指标的验算；
第三阶段（2008，11~2008，12）：进行调试、仿真，编写报告准备答辩。
[1]　设计硬件的原理电路图；
[2]　完成电路的调试、仿真系统；
[3]　撰写详细的设计说明书，不少于五千字。
主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)：
[1]　胡翔骏.电路基础简明教程.北京：高等教育出版社，2004
[2]　胡宴如.模拟电子技术.第二版.北京：高等教育出版社，2004
[3]　杨志忠.数字电子技术.第二版.北京：高等教育出版社，2003
[4]　王浩全.Protel DXP电路设计与制版.北京：人民邮电出版社，2005

审
批
意
见

教研室负责人：

年 月 日
备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。
目　录
摘　要 1
第1章　方案设计 2
1.1　设计任务 2
1.2　方案选择 2
第2章　电路设计 4
2.1　方波—三角波产生电路 4
2.1.1　比较器电路原理 4
2.1.2　积分电路原理 5
2.1.3　参数计算与元件选择 8
2.2　三角波—正弦波转换电路 9
2.2.1　差分放大器电路原理 9
2.2.2　参数计算与元件选择 10
第3章　电路安装与调试技术 12
3.1　方波—三角波发生器的装调 12
3.2　三角波—正弦波变换电路的装调 12
结　论 13
致　谢 14
参考文献 15
附　录　三角波—方波—正弦波函数发生器 16

摘　要
在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其它仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。
本设计是信号发生器的设计，主要由比较器、积分器、差分放大器构成，它能产生频率范围为1Hz~10Hz，10Hz~100Hz的各种波形，其中方波Vp-p≤24V；三角波Vp-p=8V；正弦波Vp-p>1V；波形特性：方波tr<30μs；三角波非线性失真系数<2%；正弦波非线性失真γ<5%。

关键词　方波；正弦波；三角波；函数发生器
第16页　共16页
第1章　方案设计
1.1　设计任务
在无线电通信、测量、自动控制等技术领域中广泛应用着各种类型的信号发生器，最常用的有正弦波信号发生器、方波信号发生器、三角波发生器。随着集成技术的发展，集成电路在波形发生器电路中已被广泛采用，并且已制造出了能同时产生正弦波、方波、三角波专用集成电路。训练掌握集成运算放大器工作原理以及集成运算放大器在波形发生器中应用，集成运算放大器组成功能电路的一般设计方法，并进一步掌握电路的基本原理以及实验调试技术等等。
本设计将设计一个能产生多种波形的低频函数信号发生器，其设计内容及要求如下：
1．设计内容：设计一种方波、正弦波、三角波的函数发生器。
2．基本要求：
1）设计的函数发生器能够产生频率范围在1Hz~10Hz，10Hz~100Hz。
2）输出电压：方波Vp-p≤24V；三角波Vp-p=8V；正弦波Vp-p>1V。
3）波形特性：方波tr<30μs；三角波非线性失真系数<2%；正弦波非线性失真系数<5%。
1.2　方案选择
函数发生器能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形。其电路中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），也可以是集成电路（如单片集成电路函数发生器ILC8038）。本设计主要由集成运算放大器与晶体管差分放大器组成的方波—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，如先产生正弦波，产生通过整形电路将正弦波转换为方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以先产生三角波—方波，再将三角波变成变成正弦波或将方波变成正弦波。本设计是先产生方波—三角波，再将三角波转换成正弦波的电路设计方法。
系统的电路组成框图如图1-1所示。

图1-1　函数发生器组成框图
第2章　电路设计

2.1　方波—三角波产生电路
图2-1所示电路能自动产生方波—三角波信号。由电压比较器和积分电路构成方波—三角波产生电路。

图2-1　方波-三角波产生电路
2.1.1　比较器电路原理
图2-1所示电路能自动产生方波—三角波信号。其中运算放大器A1与R1，R2及R3，RP1组成一个电压比较器，R1称为平衡电阻，C1为翻转加速电容。迟滞比较器的Ui（被比信号）取自积分器的输出，通过R1接运放的同相输入端，R1称为平衡电阻；迟滞比较器的UR（参考信号）接地，通过R2接运放的反相输入端。迟滞比较器输出Uo1的高电平等于正电源电压+VCC，低电平等于负电源电压-VEE。当U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平+VCC翻转到低电平-VEE；或从低电平-VEE跳到高电平+VCC。
若Uo1=+VCC，根据电路叠加原理可得：

因UR=0，故比较器翻转的下门限电位UTH2为：

若Uo1=-VEE，根据电路原理叠加原理可得：

将上式整理，得比较器翻转的上门限电位UTH1为：

比较器的门限宽度ΔUTH为：

由以上式子可得迟滞比较器的电压传输特性如图2-2所示。

图2-2　比较器电压传输特性
2.1.2　积分电路原理
运算放大器A2是反相积分器，它的输入信号就是A1的输出信号Uo1，加于反相输入端，分析积分电路工作原理，实际上是在反相放大器的反馈支路中，将反馈电阻换成了电容C。
根据集成运算放大器理想化条件中的两个条件：
1．开环(差摸)增益A=Uo/(V+－V-)为无穷大，V+和V-为运算放大器同相端与反相端输入电压。输入电阻(即开环差摸输入电阻)ri为无穷大。可以得出两条重要推论：
1）(V+－V-)=Vo/A=0即V+=V-； 2）i=i+=i-=0。

图2-3　积分运算电路
2．两重要推论是进行集成运算放大器的近似分析的基本出发点，由此可以得出反相放大器的反相输入端为“虚地”概念，在积分运算电路中，由于i=0，故有if=i1=U1/R，根据反相输入运算放大器反相输入端为虚地有：

即输出电压与输入电压对时间的积分成正比，负号表示输出电压与输入电压的极性相反。
当输入为一阶跃电压信号时，if为常数，电容C将以恒流充电，输出电压随时间按线性规律变化。波形如图2-4所示。

a)输入正阶跃电压　　　　　　　　　　　　　　　　b)输入方波信号
图2-4　波形图
当输入UI为方波信号时，在方波的正半周，Uo朝下积分，在方波的负半周，Uo朝上积分，周而复始，输入为方波信号时，输出得到三角波信号。
运放A2与R4，RP2，C2及R5组成反相积分器。其输入是前级输出的方波信号Uo1，从而可得积分器的输出Uo2为：

当Uo1=+VCC时，电容C2被充电，电容电压UC2上升

即Uo2线性下降。
当Uo2（即Ui）下降为Uo2=UTH2时，比较器A1的输出Uo1状态发生翻转，即Uo1由高电平+VCC变为低电平-VEE，于是电容C2放电，电容电压UC2下降，而

即Uo2线形上升。
当Uo2（即Ui）上升到Uo2=UTH1时，比较器A1的输出Uo1状态又发生翻转，即Uo1由低电平-VEE变为高电平+VCC，电容C2又被充电，周而复始，震荡不停。Uo1输出是方波，Uo2输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，可见当积分器地输入为方波时，输出的是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形关系入图2-5所示。

图2-5　方波—三角波
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。
由图2-5可知，三角波的幅度Uo2m为

Uo2的下降时间为，而

Uo2的上升时间为，而

把UTH1和UTH2的值代入，得三角波的频率为：

由f和Uo2m的表达式可以得出以下结论：
1．使用电位器RP2调整方波—三角波的输出频率时，不会影响相互出波形的幅度。若要求输出信号频率范围较宽，可用C2改变频率的范围，用RP2实现频。
2．方波的输出幅度应等于电源电压VCC，三角波的输出幅度不超过VCC。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波—三角波的频率。
2.1.3　参数计算与元件选择
如图2-1所示，其中运算放大器A1与A2用一只双运放μA747。因为方波的幅度接近电源电压，所以取电源电压+VCC=+12V，-VEE=-12V。
比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下：

取R2=10kΩ，取R3=20kΩ，RP1=47kΩ，平衡电阻kΩ。
由输出频率的表达式得：

当1Hz≤f≤10Hz时，取C2=10uF，R4=5.1kΩ，RP2=100kΩ，当10Hz≤f≤100Hz时，取C2=1uF，以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻R5=10kΩ。
2.2　三角波—正弦波转换电路
2.2.1　差分放大器电路原理
本设计选用差分放大器作为三角波—正弦波的变换电路。波形变换的原理是：利用差分对管的饱和与截止特性进行变换。分析表明，差分放大器的传输特性曲线ic1(或ic2)的表达式为：
(2-1)
式中，；Io为差分放大器的恒定电流；VT为温度的电压当量，当室温为25℃时，mV。
如果Vid为三角波，设表达式
(2-2)
式中，Vm为三角波的幅度；T为三角波的周期。
将(2-1)代入(2-2)计算，则

ic1(t)或ic2(t)曲线近似于正弦波，则差分放大器的输出电压vc1(t)、vc2(t)也近似于正弦波，波形变换过程如图2-6所示。为使输出波形更接近正弦波，要求：

1．传输特性曲线尽可能对称，线性区尽可能窄；
2．三角波的幅值Vm应接近晶体管的截止电压值。
图2-7为三角波—正弦波的变换电路。其中，RP3调节三角波的幅度，RP4调整电路地对称性，并联电阻RE2用来减小差分放大器地线性区。C3、C4、C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

图2-6　三角波—正弦波变换

图2-7　三角波—正弦波转换电路
2.2.2　参数计算与元件选择
三角波—正弦波变换电路的参数如下：
因三角波频率不太高，所以隔直电容C3、C4、C5要取得大一些，这里取C3=C4=C5=470uF。滤波电容C6视输出的波形而定，若含高次谐波成分较多，C6可取得较小，一般为几十皮法至几百皮法。RE2=100Ω与RP4=100Ω相并联，以减小差分放器的线形区。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Io。Io取值不能太大，Io越小，恒流源越恒定，温漂越小，放大器的输入阻抗越高。但Io也不能太小，一般为几毫安左右。这里取差动放大的恒流源电流Io=1mA，则A1=A2=0.5mA，从而可求得晶体管的输入电阻：

为保证差分放大电路有足够的输入电阻ri，取ri>20kΩ，根据ri=2(Rbe+RB1)得RB1>6.6kΩ，故取RB1=RB2=6.8kΩ因为要求输出的正弦波波峰值大于1V，所以应使差动放大电路的电压放大倍数Au≥40。根据Au的表达式：

可求得电阻RL，进而选取RC1=RC2=10kΩ。发射极电阻一般取几千欧姆，这里选择RE3=RE4=2kΩ，所以R2=9.3kΩ。
第3章　电路安装与调试技术
3.1　方波—三角波发生器的装调
由于比较器A1与积分器A2组成反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，故这两个单元电路可以同时安装，需要注意的是，在安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，否则电路可能会不起振。如果电路接线正确，则在接同电源后，A1的输出Vo1为方波，A2的输出Vo2为三角波，微调RP1，是三角波的输出幅度满足设计指标要求，调节RP2，则输出频率连续可变。
3.2　三角波—正弦波变换电路的装调
三角波—正弦波变换电路可利用本差分放大器来实现。电路的调试步骤如下：
1．差分放大器传输特性曲线调试。将C4与RP3的连线断开，经电容C4输入差模信号电压Vid=50mV，fi=100Hz。调节RP4及电阻RW，使传输特性曲线对称。再逐渐增大Vid，直到传输特性曲线形状如图所示，记下此时对应的峰值Vidm。移去信号源，再将C4左端接地，测试差分放大器的静态工作点Io、VC1Q、VC2Q、VC3Q、VC4Q。
2．三角波—正弦波变换电路调试。将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出幅度（经RP3后输出）等于Vidm值，这时Vo3的波形接近正弦波，调整C6改善波形。

结　论
虽然在设计本系统之初，我已对一个完整课题的设计有一定的基础了解，但是在格式和综合运用各方面等方面还存在较大的问题。通过在指导老师等帮助下，我首先用了一段时间对模拟电路的知识进行了温习，然后再根据以前的实训操作进行反复练习，最后对各个需要用到的知识有了一定的掌握和分析能力。
在这之后的几个星期中，我计划的安排了设计时间，即此课题的需求分析、总体设计、详细设计、系统调试等步骤，分阶段地完成各设计任务。接着，根据设计任务书以及需求分析的要求，对设计内容进行规范化和具体化，并以前台Word作为界面的设计工具对本课题进行了详细的设计。
总之，经过这次毕业设计，我感觉自己从理论到实际操作都有很大的提高，也深刻认识到要完成一项任务，首先必须要有一个详细周密的计划，系统的思维方式与方法。对待一个新的问题要有耐心，要善于运用已有的资源来解决，其次要勇于实践，在实践中发现和解决问题，要相信自己有解决问题的信心和能力。
致　谢
在设计和论文写作的整个过程中，指导教师杨老师在各个方面都给予了全面的指导和帮助。老师精深渊博的知识，求实创新、勤奋严谨的治学风范，忘我的工作作风时刻熏陶着我。老师的诲人不倦的授业精神给我留下了深刻的印象，这将使我受益终身。
感谢四川信息职业学院电子工程系老师多年来在学习、工作上给予我的热情关怀、指导与帮助。
另外，也感谢一些同学在我完成设计时提出了很多宝贵的意见和无私的帮助。
最后，特别感谢父母多年来在学习上、生活上的理解与大力支持，让我圆满的完成了学业。

参考文献
[1]　胡翔骏．电路基础简明教程．北京：高等教育出版社，2004
[2]　胡宴如．模拟电子技术（第二版）．北京：高等教育出版社，2004
[3]　杨志忠．数字电子技术（第二版）．北京：高等教育出版社，2003
[4]　王浩全．Protel DXP电路设计与制版．北京：人民邮电出版社，2005
[5]　陈晓文．电子线路课程设计．北京：电子工业出版社，2004
[6]　廖先芸．电子技术实践与训练．北京：高等教育出版社，2004
[7]　姜邈．电子线路课程设计指导书．北京：高等教育出版社，1993
附　录　三角波—方波—正弦波函数发生器

四川信息职业技术学院
学生姓名
陈锦
学号
0620069
班级
通技06-2
专业
通信技术
设计（论文）题目
低频函数信号发生器的设计
指导教师
杨柳、潭望春
指导老师考核意见

等级：
指导教师：

答辩
评语

等级：
答辩老师：
总评
成绩

等级：
考核小组组长：
备注
以上两项成绩综合后，指导老师考核成绩占总分的60%，答辩成绩占总分的40%，按五级记分（优、良、中、及格、不及格）。
毕业设计（论文）评语