模電課設(shè)函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì).docx

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課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 學(xué)生姓名： 葉楓 專業(yè)班級： 通信zy1201班 指導(dǎo)教師： 李瑞芳 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì) 初始條件： 示波器，萬用表，直流穩(wěn)壓源，毫伏表 要求完成的主要任務(wù): 1．頻率可調(diào)范圍：10Hz~10kHz 2. 輸出電壓：正弦波VPP=0~3V, 三角波VPP=0~5V, 方波VPP=0~15V 3. 輸出電壓幅度連續(xù)可調(diào) 4. 方波上升時(shí)間小于2微秒，三角波線性失真小于1%，正弦波失真度小于3% 時(shí)間安排： 1、 2013 年 12 月 18 日，布置課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求說明。 2、 2014 年 1 月 3 日至 2014 年 1 月 6 日，方案選擇和電路設(shè)計(jì)仿真。 3、 2014 年 1 月 7 日至 2014 年 1 月 10 日，電路焊接調(diào)試和編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。 4、 2014 年 1 月 12 日，上交課程設(shè)計(jì)成果及報(bào)告，同時(shí)進(jìn)行答辯。 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 目錄 摘 要 I Abstract II 1 方案設(shè)計(jì)選擇 1 1.1 方案一 1 1.2 方案二 1 1.3 結(jié)論 1 2 函數(shù)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)及原理 2 2.1函數(shù)發(fā)生器的總體原理 2 2.2原理框圖 2 3 各組成部分的工作原理和電路設(shè)計(jì) 3 3.1方波-三角波電路及工作原理 3 3.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 6 3.3電路的參數(shù)選擇及計(jì)算 8 3.4 總電路圖 9 4 電路的仿真 10 4.1 方波電路的仿真 10 4.2 三角波電路的仿真 10 4.3 正弦波電路的仿真 11 4.4仿真結(jié)果分析 11 5 實(shí)物電路的安裝與調(diào)試 12 5.1電路的焊接 12 5.2調(diào)試中遇到的問題及解決辦法 12 5.3實(shí)物展示 13 6 心得體會 14 7 參考文獻(xiàn) 15 本科生課程設(shè)計(jì)成績評定表 16 摘 要 函數(shù)信號發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。通過對函數(shù)波形發(fā)生器的原理以及構(gòu)成分析，可設(shè)計(jì)一個(gè)能變換出三角波、正弦波、方波的函數(shù)波形發(fā)生器。其電路中使用的器件可以是分立器件（如低頻函數(shù)信號發(fā)生器S101全部采用晶體管），也可以是集成電路（如單片集成電路函數(shù)發(fā)生器ICL8038）。產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變換成三角波；也可以先產(chǎn)生方波--三角波，再將三角波變換成正弦波。 本次課程設(shè)計(jì)是要求做一個(gè)能夠產(chǎn)生方波-三角波-正弦波的函數(shù)發(fā)生器。眾所周知，制作函數(shù)發(fā)生器的電路有很多種。本次設(shè)計(jì)采用的電路是基于運(yùn)放和晶體三極管的試驗(yàn)電路。由理論分析知，電壓比較器可以產(chǎn)生方波,積分電路可以產(chǎn)生三角波,三角波再經(jīng)過差動放大器可以產(chǎn)生正弦波。向電壓比較器輸入三角波就可以產(chǎn)生方波，于是可以將積分電路的輸出作為電壓比較器的輸入。各種波形頻率段的調(diào)整可以由外電路的改變來實(shí)現(xiàn)。例如，改變電容的值。電路的原理部分的設(shè)計(jì)，可以是先設(shè)計(jì)單元電路，然后用仿真軟件模擬。等到各個(gè)單元都設(shè)計(jì)完成后，可以將各個(gè)單元結(jié)合到一起，由仿真軟件模擬是否符合制作要求。本次試驗(yàn)中，就是先做方波發(fā)生電路：電壓比較器，然后是積分電路，最后是差動放大電路。 關(guān)鍵詞：信號發(fā)生器 方波 三角波 正弦波  Abstract Function generator is usually referred to as can automatically generate sine wave, square, triangle spread sawtooth wave, the ladder wave etc of the voltage waveform circuit or device. Differ according to utility, have produced three or more wave function generator, the device used can be divided equipments (such as low frequency signal function generator S101 all adopt the transistor), also can use integrated circuits (such as monolithic function generator module 8038). For further grasp the basic theory and experiment circuit debug technology, this subject adopts by integrated operational amplifier and transistor differential amplifiers composed of square wave - triangle wave - sine function generator design method. The curriculum design is required to produce a Fang Bo - triangle wave - sine wave function generator. As everyone knows, making the circuit has many kinds of function generator. The design of the circuit is based on the operational amplifier and a crystal triode test circuit. By theoretical analysis, the voltage comparator can produce square wave, integral circuit can generate triangular wave, triangular wave through the differential amplifier can produce sine wave. Voltage comparator input triangle wave can produce square wave, and can be integral circuit output as a voltage comparator input. Various waveform frequency can be adjusted by the external circuit to realize the change. For example, changing the value of the capacitor. The principle of the circuit part of the design, can be the first unit circuit design, and then use the simulation software. Wait for the each unit after the completion of the design, each unit can be combined together, the simulation software is consistent with the production requirements. In this trial, is to be a square wave generating circuit: voltage comparator, and is the integral circuit, and finally the differential amplifying circuit. Key words: signal generator Square wave Triangle wave Sine wave 1 方案設(shè)計(jì)選擇 1.1 方案一 首先通過RC正弦波產(chǎn)生電路及選頻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦信號，然后通過電壓比較器將正弦信號轉(zhuǎn)換成同頻率的方波信號、通過積分器將方波信號轉(zhuǎn)換成同頻率的三角波。最后，接調(diào)幅網(wǎng)絡(luò)后即可輸出幅度、頻率可調(diào)的正弦、方波、三角波信號。 圖1-1方案一原理框圖 1.2 方案二 用遲滯比較器與反相積分器首尾相串聯(lián)構(gòu)成方波-三角波產(chǎn)生電路，然后，采用差分放大器，作為三角波—正弦波變換電路利用差分對管的飽和與截止特性進(jìn)行變換，此電路的輸出頻率就是就是方波-三角波產(chǎn)生電路的頻率，將正弦波用比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生方波，調(diào)節(jié)比較電位，使得方波的占空比可以改變。 1.3 結(jié)論 比較以上兩種種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案二簡潔精確性高，抗干擾能力強(qiáng)，能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)符合本次課程設(shè)計(jì)的要求，故采用第二種方案。 2 函數(shù)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)及原理 2.1函數(shù)發(fā)生器的總體原理 函數(shù)發(fā)生器主要產(chǎn)生三種波，即正弦波、方波、三角波。首先產(chǎn)生方波—三角波，再將三角波變成正弦波。 由比較器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。 2.2原理框圖 函數(shù)發(fā)生器的總原理框圖如圖2-1所示。 圖2-1  3 各組成部分的工作原理和電路設(shè)計(jì) 3.1方波-三角波電路及工作原理 如圖3.1.1所示，電路能自動產(chǎn)生方波、三角波。電路工作原理如下:運(yùn)放與、與，組成電壓比較器，稱為平衡電阻，稱為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。 圖3-1 實(shí)際方波--三角波仿真電路 由可得比較器的兩個(gè)門限電壓： ； 由此可得電壓比較器的傳輸特性，如圖3.1.2所示 圖3-2 電壓比較器的電壓傳輸特性曲線 運(yùn)放與、、及組成反相積分器，其輸入信號為方波時(shí)，則輸出積分器的電壓為 當(dāng)時(shí)， 當(dāng)時(shí)， 可見，當(dāng)積分器的輸入為方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速率與下降速率相等的三角波，其波形關(guān)系如圖3.3所示： 圖3-3 方波--三角波 比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產(chǎn)生方波--三角波，三角波的幅度為 方波--三角波的頻率為 由上分析可知： ② 位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時(shí)，不會影響輸出波形的幅度。 ②方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過電源電壓。電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度上午微調(diào)，但會影響波形的頻率。 當(dāng)時(shí)，取； 當(dāng)時(shí)，?。? 當(dāng)時(shí)，取。  3.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 三角波——正弦波的變換電路（如圖3-4所示）主要由差分放大電路來完成。 圖3-4三角波—正弦波變換電路 差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為： 　 式中　　 ——差分放大器的恒定電流； ——溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25oc時(shí)，UT≈26mV。 如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為 　　　　　　　 式中　　Um——三角波的幅度； T——三角波的周期。 為使輸出波形更接近正弦波，由圖3-5可見： 圖3-5 （1） 傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好； （2） 三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。 （3） 圖為實(shí)現(xiàn)三角波——正弦波變換的電路。其中Rp1調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp2調(diào)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1,C2,C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。 圖3-6三角波—正弦波仿真電路 3.3電路的參數(shù)選擇及計(jì)算 1.方波-三角波中電容C1變化（關(guān)鍵性變化之一） 實(shí)物連線中，我們一開始很長時(shí)間出不來波形，后來將C2從10uf（理論時(shí)可出來波形）換成0.1uf時(shí)，順利得出波形。實(shí)際上，分析一下便知當(dāng)C2=10uf時(shí)，頻率很低，不容易在實(shí)際電路中實(shí)現(xiàn)。 2.三角波-正弦波部分 比較器A1與積分器A2的元件計(jì)算如下。 由式（3-61）得 即 取 ，則，取 ，RP1為47KΩ的電位器。區(qū)平衡電阻 由式（3-62） 即 當(dāng)時(shí)，取，則，取，為100KΩ電位器。當(dāng)時(shí) ，取以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻。 三角波—>正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點(diǎn)可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R*確定。 3.4 總電路圖 圖3-7 總仿真電路圖  4 電路的仿真 4.1 方波電路的仿真 如圖4-1為方波仿真波形 圖4-1 4.2 三角波電路的仿真 如圖4-2為三角波仿真波形 圖4-2 4.3 正弦波電路的仿真 如圖4- 3為正弦波仿真波形 圖4-3 4.4仿真結(jié)果分析 信號頻率可通過電位器Ｒ5來改變，起調(diào)節(jié)頻率范圍滿足10Hz~10kHz的范圍要求。方波的幅值可通過電位器R18實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍0V~15V，滿足要求；三角波信號的幅值可通過R6實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍0V~6.2V；正弦波信號幅值可通過R8和R14實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍0V~3.7V； 方波三角波波形穩(wěn)定，不失真，正弦波波形易失真，需要耐心調(diào)節(jié)，主要有以下三種失真： a.鐘形失真 ：傳輸特性曲線的 線性區(qū)太寬。 b.半波圓定或平頂失真：傳輸特性曲線對稱性差，工作點(diǎn)Q偏上或偏下，應(yīng)調(diào)整電阻. c.非線性失真 ：三角波傳輸特性區(qū)線性度 差引起的失真，主要是受到運(yùn)放的影響。可在輸出端加濾波網(wǎng)絡(luò)改善輸出波形。 5 實(shí)物電路的安裝與調(diào)試 5.1電路的焊接 按照電路圖合理布局，將原件焊接在合適的位置，然后細(xì)心對照電路圖畫出焊接圖開始走錫。針對各階段出現(xiàn)的問題，逐各排查校驗(yàn)，使其滿足實(shí)驗(yàn)要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。對于接不通的線可以適當(dāng)選擇在實(shí)驗(yàn)板后面合理布線。 5.2調(diào)試中遇到的問題及解決辦法 剛開始，正弦波的圖像總是失真。 解決方法：將正弦波與三角波發(fā)生電路間的連接斷開，接入信號源，產(chǎn)生，的三角波輸入，調(diào)節(jié)電位器使正弦波發(fā)生電路的線性工作區(qū)對稱。 5.3實(shí)物展示 圖5-1 圖5-2 6 心得體會 通過此次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)模擬電子技術(shù)方面的知識，在設(shè)計(jì)過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。由于沒有任何經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)電路圖時(shí)無從下手，只知道方案卻對細(xì)節(jié)一無所知。于是開始看書，上網(wǎng)去圖書館書城查資料。慢慢的思路就清晰起來，設(shè)計(jì)了幾個(gè)電路圖開始仿真，第一次使用Multisim又遇到了同樣的問題，面對界面上的所有英文工具欄菜單欄茫然不知所措，于是又開始查資料請教同學(xué)......第一次仿真是總是出現(xiàn)錯(cuò)誤，對照電路圖看了半天找不出問題，于是開始懷疑電路的設(shè)計(jì)有問題，甚至懷疑這個(gè)軟件有問題！最后終于發(fā)現(xiàn)是連線出了問題。仿真入門之后開始對電路的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，不斷的改變原件參數(shù)，計(jì)算分析使之符合要求。調(diào)試期間遇到很多問題，有的問題搞了一整天都沒解決。期間種種問題在此不再一一贅述。 通過對函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)，我還深刻認(rèn)識到了“理論聯(lián)系實(shí)際”的這句話的重要性與真實(shí)性。而且通過對此課程的設(shè)計(jì)，我不但知道了以前不知道的理論知識，而且也鞏固了以前知道的知識。最重要的是在實(shí)踐中理解了書本上的知識，明白了學(xué)以致用的真諦。也明白老師為什么要求我們做好這個(gè)課程設(shè)計(jì)的原因。他是為了教會我們?nèi)绾芜\(yùn)用所學(xué)的知識去解決實(shí)際的問題，提高我們的動手能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)到電路的焊接以及調(diào)試過程中，我個(gè)人感覺調(diào)試部分是最難的，因?yàn)槟憷碚撚?jì)算的值在實(shí)際當(dāng)中并不一定是最佳參數(shù)，我們必須通過觀察效果來改變參數(shù)的數(shù)值以期達(dá)到最好。而參數(shù)的調(diào)試是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的積累過程，沒有經(jīng)驗(yàn)是不可能在短時(shí)間內(nèi)將其完成的，而這個(gè)可能也是老師要求我們加以提高的一個(gè)重要方面吧！ 此次設(shè)計(jì)也讓我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及時(shí)請教或上網(wǎng)查詢，只要認(rèn)真鉆研，動腦思考，動手實(shí)踐，就沒有弄不懂的知識，收獲頗豐。 7 參考文獻(xiàn) [1] 吳友宇. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社. 2009年5月 [2] 鈴木雅臣主編. 晶體管電路設(shè)計(jì)[M]. 科學(xué)出版社. 2004年9月 [3] 鄔玉波，張仁霖. 基于集成運(yùn)算放大器和差分放大器的函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 安徽電子信息技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào). 2009年第3期 [4] 黃曉艷，趙小杰. 簡易函數(shù)發(fā)生器電路分析與改進(jìn)[J]. 麗水學(xué)院學(xué)報(bào). 2010年10月 [5] 童詩白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）[M]. 北京：高教出版社. 2001年 本科生課程設(shè)計(jì)成績評定表 姓 名 葉楓 性 別 男 專業(yè)班級 通信zy1201 題 目： 函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì) 答辯或質(zhì)疑記錄： 最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定） 指導(dǎo)教師簽字：__________________ 年 月 日