函数信号发生器设计报告.doc

目 录
1设计得目得及任务
1、１ 课程设计得目得
1、2　课程设计得任务与要求
２函数信号发生器得总方案及原理图
　　　２、１　电路设计原理框图
　 2、2　电路设计方案设计
３ 各部分电路设计及选择
3、1　方波发生电路得工作原理
３、2 方波、三角波发生电路得选择
３、３三角波-——正弦波转换电路得选择
3、4总电路图
4　电路仿真与调试
4、1 方波—--三角波发生电路、三角波———正弦波转换电路得仿真与调试
　 4、2方波---三角波发生电路、三角波-－—正弦波转换电路得实验结果
５ ＰCB制版
6 设计总结
７仪器仪表明细清单
8 参考文献
1．课程设计得目得与设计得任务
1、1 设计目得
1.掌握用集成运算放大器构成正弦波、方波与三角波函数发生器得设计方法．
2、学会安装、调试与仿真由分立器件、调试与仿真由分立器件与集成电路组成得多级电子电路小系统。
2、2设计任务与要求：
　 　 设计一台波形信号发生器,具体要求如下：
1． 输出波形：方波、三角波、正弦波.
2． 频率范围 ：在1 Hz-10Hz,１０　Ｈｚ —10０ Hz，1０0　Hｚ -100０　Hｚ等三个波段。
3、频率控制方式：通过改变RC时间常数手控信号频率。
4。输出电压:方波UP－Ｐ≤24Ｖ,三角波ＵＰ－Ｐ＝8Ｖ,正弦波UP-Ｐ〉1V。
5、合理得设计硬件电路,说明工作原理及设计过程，画出相关得电路原理图。
6、选用常用得电器元件（说明电器元件选择过程与依据)。
７、画出设计得原理电路图，作出电路得仿真。
8、提交课程设计报告书一份，A３图纸两张,完成相应答辩.
２.函数发生器总方案及原理框图
2、1 原理框图

三角波发生器
(积分器)
方波发生器
(比较器)

正弦波发生器
(比例放大器)

图1-１ 整体原理框图
2、2 函数发生器得总方案
　 函数发生器一般就是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形得电路或仪器。产生正弦波、方波、三角波得方案有多种，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得电路设计方法。
本课题中函数发生器电路组成框图如下所示:
由比较器与积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出得方波经积分器得到三角波,三角波到正弦波得变换电路得基本结构就是比例放大器,对不同区段内比例系数得切换,就是通过二级管网络来实现得。如输出信号得正半周内由D1~Ｄ3控制切换，负半周由Ｄ4~D6控制切换。电阻Rb1~Rb3与Ｒa1~Ra3分别组成分压器,控制着各二极管得动作电平。
3。各组成部分得工作原理及选择
3、１　方波发生电路得工作原理

假设t=0时电容Ｃ上得电压Ｕc＝0，而滞回比较器得输出端为高电平，即Uo=＋Uz、则集成运放同相输入端得电压为输出电压在电阻Ｒ1,Ｒ2上分压得结果,即： 　 　 　　Ｕ+=R1*Ｕz/(R1+R2）
此时输出电压＋Uz 将通过电阻Ｒ向电容C充电,使电容两端得电压Uc升高,而此电容两端得电压接到集成运放得反向输入端,即Uｃ=U_、当电容上得电压上升到U-=U+时,滞回比较器得输出端将发生跳转,由高电平跳变为低电平，使Uo=—Ｕz,于就是集成运放同相输入端得电压也立即变为U+=-Ｒ１*Uz/（Ｒ1+Ｒ2）,然后又重复刚才过程、如此电容反复地进行充电放电,滞比较器得输出端将再次发生跳转,于就是 产生了正负交替矩形波、
3、2　方波—-－三角波发生电路得选择
方案一:

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,可加速比较器得翻转.运放得反相端接基准电压，即U-＝0，同相输入端接输入电压Uｉａ，R1称为平衡电阻。比较器得输出Uo1得高电平等于正电源电压＋Vｃc,低电平等于负电源电压-Ｖeｅ(｜+Vcc｜=|—Vｅe｜）,　当比较器得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。由计算可以得到以下结论:
1. 电位器ＲＰ２在调整方波—三角波得输出频率时,不会影响输出波形得幅度。若要求输出频率得范围较宽,可用C1改变频率得范围,ＰR2实现频率微调.
2. 方波得输出幅度应等于电源电压+Vcｃ.三角波得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—三角波得频率。
方案二：
此电路可以产生较好得方波与三角波,频率基本符合要求,但就是在调试得过程中，发现频率不能太大,既不能有高频得信号，那时会失真。
3、３三角波-－—正弦波转换电路得工作原理
方案一:

三角波-—正弦波得变换电路
三角波--正弦波得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。特别就是作为直流放大器，可以有效得抑制零点漂移，因此可将频率很低得三角波变换成正弦波。波形变换得原理就是利用差分放大器传输特性曲线得非线性。分析表明：
（1） 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好;
（2） 三角波得幅度Um应正好使晶体管接近饱与区或截止区.
（3） 图为实现三角波——正弦波变换得电路。其中Rp1调节三角波得幅度,Rp２调整电路得对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器得线性区．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。
方案二：

　　 　 　 　　 　 　 三角波转换正弦波电路
折线法就是一种使用最为普遍且实现也较简单得正弦函数转换方法。折线法得转换原理就是：根据输入三角波得电压幅度,不断改变函数转换电路得得传输比率,也就就是用多段折线组成得电压传输特性,实现三角函数到正弦函数得逼近,我采用了有源正弦函数转换电路，，转换电路除二极管、电阻网络外，还包括放大环节，也就是根据三角波电压得幅度,不断增加或减少网络通路以改变改变转换电路得放大倍数,输出近似得正弦电压波形。
在Ｔ/2时间内均匀地设置六个断点,以作为七段逼近或校正,每段按时间均匀得分布为T/14。若设正弦波在过零处得斜率与三角波得相同，即d(VｏSｉn2π·ｔ/T)/dt在t＝0时为4Vim／T则有Voｍ＝2Vim/π≈0、64Vim;由此,可推断出各断点上应校正到得电平值:Ｖｏ1、Vo2与Vo3。Vim=8v,所以Vom=2/π;Vim=5、、1２v;Ｖo1=Vｏｍｓiｎ(２π/T•Ｔ/14)＝2、22V 　Vｏ2＝Voｍsｉn(2π／T•T/７）＝4、0１V Vo３＝Vomsin(2π/Ｔ•３／1４)＝４、98V
电路方案:
它得基本结构就是比例放大器,对于不同区段得比例系数得切换就是通过二极管网络来实现得。如输出信号得正半周内由Ｄ1—D2控制切换,负半周内由D4—D6控制切换，电阻Rb1-Ｒｂ3与Ra1—Ra3分别组成分压器,控制着各二极管得动作电
在０- T/１４区段内，要求D１－Ｄ６均不导通，此时V0与VI得比例关系为：V01/T／14=Ｒf/Rｉ（Viｍ/T/14)由Vo1=２、22V，Viｍ=8V，可得Rf/Ri=0、９7,若取Ri=10kΩ，则Ｒf=9、7 kΩ
在Ｔ/14-　T/7区段,要求D1导通,D2—D6均截Rｏ,此时Vo与VI得比例关系应为:（Ｖo２-Vo1）/ T／14=（Rf∥Ｒa1)/Ri（Vim ／ Ｔ/１4) 　(Rf∥Ｒa１)/Ri＝0、78
Ra1＝35、5 kΩ同理(Vo3-Vo２)/ Ｔ/１４＝（Rf∥Ra2)/Ｒi(Vim / T／14) (Rｆ∥Ra2)/Ri=０、４２ 　 Ra2＝7、２ kΩ (Vom-Vo３)/ T/14＝(Rf∥Rａ３)／Ri（Vim / T/14）(Rf∥Ra3)∥Ri＝0、０６ Ra3=０、06kΩ
同时,为控制Ｄ1得动作电平，要求1点上得电平U满足下列关系:
Vｏ1—Ra1/(Ra1+Rb1）(Ｖo1＋Ｖ）＝Vd1或Rb1/（Ｒa１+Rb1)Vo1=VＤ１＋Ra1(Ra１+Ｒa２)V
设计时,为避免Rb1对放大器比例关系得影响要求Ｒb1››Ra1所以，上式又可简化为：Uo1≈VD１＋Ra1/Rb1Ｖ 取ＶD=0、６V则有Ｒb1=VRa1／０、７８=１5１ ｋΩ 　Vo2≈VＤ+Ｒａ2/Rb3Ｖ Rｂ2=2５、3 ｋΩ Ｖo3≈VD+Rａ3/Rb3V则 Ｒb３=0、1６４kΩ
3、4总电路图

4 电路仿真与调试
4、１ 方波--—三角波发生电路得仿真与调试
１、安装方波——三角波产生电路
２、 把两块７41集成块插入面包板,注意布局;
3、 分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器得接法;
4、 按图接线,注意直流源得正负及接地端。
首先我接入了４7ｋ得滑动变阻器，接入电源后，用示波器进行双踪观察；发现波形正常，但就是通过频率计得测试,发现频率较低，并且可调范围较窄,故不能符合要求，因此我尝试了45k、1０0k、250k、５00k以及其以上得电阻，发现滑动变阻器太大也不会有较大变化，因此我选用了后两种，但就是后来调电容得时候,发现5０0k得比较适合！同理，电容也经过这个过程，我从0、０1uf开始以一定得宽度调节，最终发现,频率太小或太大都会导致波形失真,经过反复比较,最终选定了1uf、１0nｆ、10０ｎｆ这个范围最为合适！且波形较好.在调好频率之后,想到调整幅度,通过反复更换R2、R3、R4发现没有显著得变化，故而改变稳压管以及直流电源,最终使幅度达到要求!　
第一：我们使用滞回比较器与积分器组合电路,她们互为输入，故而只需要调整滑动变阻器就可以调整出相应得波形,频段得调节由电容决定,我们要求做三个频段得频率，因此每要求一个频段,就选择相应得电容,打下相应得开关，结果如下表所示。

方波发生器得波形

三角波发生器波形
这个波形就是方波与三角波同时发生并显示在同一示波器上,两个发生器就是互相互为输入得故而她们得波也就是相互影响得，调整效果时，只需调示波器即可。效果如图:
方波三角波发生器波形
第二:三角波—--正弦波转换电路得仿真与调试
1、绘制三角波—-正弦波变换电路
在面包板上接入比例放大电路,注意各电阻对应与接线;由于此电路来源于现学课本，因此只要根据要求得幅度计算各电阻值即可.
２、调试三角波—-正弦波变换电路
由于计算值有小数,故而要对数值进行近似,可能近似得当，在电阻方面,没有太多得调整.
我们使用得就是折线法,因此正弦波会不很光滑，这也就是正常得,因为输入得三角波并不就是如同发生器中得波形那么标准,故而会有些平滑，另一个原因就是我采用得就是七点折线计算，选点不多会有不少误差．
在选定好相应得电容之后,要想调多大得频率,只需要调整滑动变阻器就可以了.至于波形美观性，我们可以调整示波器得水平比例 与竖直比例,原理就就是改变加在示波器中得电压，从而使相应得扫描变宽。如果波形有些失真,可以通过改变相应得比例放大器中各电阻得比率,从而改变效果。此波图就是三角波与正弦波同时在一个示波器中显示,即三角波转换成正弦波得效果图．

三角波转换成正弦波图
第三:总电路得安装与调试
把两部分得电路接好,进行整体测试、观察．因为三角波转换成正弦波时电压有一定得要求，所以在整体调整得过程中,只对稳压管进行适当得调节即可，最终就就是测试各频段得效果,结果表明满足要求．
调试中遇到得问题及解决得方法
方波-三角波-正弦波函数发生器电路就是由三级单元电路组成得，在调试多级电路时通常按照单元电路得先后顺序分级装调与级联。各调试过程如上所述。
4。2 电路得实验结果
Ｃ＝1uf
fmin=1HＺ
fmaｘ=13HＺ
Ｃ=10０nｆ
fｍiｎ=7ＨZ
ｆmａx=１３5HZ
C＝10nf
fmin=97HZ
ｆmax=1、2kHZ
每当一个电容工作时,其她电容得开关就是处于闭合状态,无论就是测什么数据都就是通过那三个点来测量，表格中显示得就是测试时实测得频率范围,由于她大于要求范围，所以就是满足得。
R＝２５0KΩ
Vc1＝２2、３17V（方波）
Vc２=7、787V(三角波）
Vc3=６、297V（正弦波）
至于电压幅值,误差在允许得范围之内。当调整频率得时候,可变得电压会发生变化,想要那个值只需调滑动变阻器即可．方波得电压由稳压管决定,所以她就是基本不变得，三角波得会因为滑动变阻器得变化会有变化,进而影响正弦波得电压幅值.
5　PCＢ制版
首先,我们开启prｏｔｄl软件,建立新得文件，在其上绘制原理图，并与multisim中仿真得一样,完成连线,注意连线要到位,否则会无法制版．线连接好后,对每一个元件进行封装，在ＰＣＢ界面中找好相对应得原件,在原理图中,将原件一一封装，然后将其导入到制图界面，手工调整好整体布局后，要与原理图一致,自动布线就完成了!如果对效果不满意,还可以进行手工布线！制图如
下:
在制作过程中,需要注意个元器件得布置,特别就是原理图,由于她没有自动节点连接,故而很容易造成PCB无法制版,其次就是要对各个集成运放得接口进行标号,在接线时要一一对应否则无法制版。再次就是个元器件得标号要清晰,在布图时,我们要对应于原理图进行布局，没有好得标号会导致一些错误。最后就是在手工绘制PCB线时，尽量避免各线相交叉，我们通常通过让线从元器件上通过得办法来解决这个问题。最后一个问题就是打印，由于我们得板子就是双层得,再加上底色就是黑色得,打印出来得效果不好,很多连线都不能瞧清,所以在这方面得设置要注意。
6.实验总结
通过对此课程得设计，我不但知道了以前不知道得理论知识,而且也巩固了以前知道得知识。最重要得就是在实践中理解了书本上得知识,明白了学以致用得真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计得原因。她就是为了教会我们如何运用所学得知识去解决实际得问题，提高我们得动手能力。
这次课程设计让我认识到设计就是让我们提升动手能力得绝好机会，这也能让我们可以把以前学到得理论知识在实践中得到认证,我期盼在今后得课程中能得到更多像这样得机会让同学们得到锻炼．同时通过这次对函数波形发生器得设计与制作,让我更加了解了一些设计电路得程序，也让我了解了关于函数波形发生器得原理与设计理念，设计一个电路时只有先通过仿真,仿真成功之后再实际接线使我了解了Proteｌ,ｍultｉsim等软件及其运用,
这次设计还使我认识到,电路设计需要耐心，需要一种整体得思维，而且遇到点问题很正常,关键要学会分析问题，善于解决问题,很多东西要弄懂弄透，不断积累经验。所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还就是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。
　　通过这段时间不懈得努力与切实追求,我们小组终于做完了课程设计。通过这次课程设计,我掌握了常用元件得识别与测试；熟悉了常用得模拟软件得使用及调试; 其次,这次课程设计提高了我得团队合作水平，使我们配合更加默契,体会了在接好电路后测试出波形得那种喜悦。
在实验过程中,我们也遇到了不少得问题．比如:波形失真,甚至不出波形这样得问题。经过反复选择、参考和老师、同学得帮助,把问题一一解决了，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得问题，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。这次课程设计让我学到了很多,不仅就是巩固了先前学得模电得理论知识,还未下学期开设得ＰCB课程打下了基础。希望今后类似这样课程设计、类似这样得锻炼机会能更多些!
7．仪器仪表清单
设计所用仪器及器件:
１。直流稳压电源4台
2．双踪示波器2台
3。万 用 表2只
４.运 放ｕa741(3片)
5.电位器500K（1只）
6。电　容：1μF、10０nF、１０nｆ(1只）
　 　 　 7、电阻10k四只,1k两只，２0ｋ一只,60、４两只，７k两只，150ｋ两只,3５k两只，165两只，25k两只
8、开关三只
9、稳压管两只
10、二极管六只.
11、频率计一只
8。参考文献
童诗白主编.模拟电子技术基础(第四版)。北京：高教出版社
李万臣主编.模拟电子技术基础与课程设计、哈尔滨工程大学出版社 　　　 　 ﻫ沈尚贤主编、 电子技术导论（下册)、高等教育出版社
朱卫东主编、 电子技术实验教程、 清华大学出版社
陈锦林主编、 电路设计与制版快速入门，人民邮电出版社