《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：電子科學(xué)與技術(shù)0801班指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 初始條件： 可選元件：雙運(yùn)放a741兩只，雙三極管3dg130兩對(duì)，電阻、電位器、電容若干，直流電源vcc= +12v，vee= -12v，或自備元器件。可用儀器：示波器，萬(wàn)用表，直流穩(wěn)壓源，毫伏表要求完成的主要任務(wù): （1）設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)已知條件，完成對(duì)方波三角波正弦波發(fā)生器的設(shè)計(jì)、裝配與調(diào)試。（2）設(shè)計(jì)要求 頻率范圍10100hz，100 hz1khz，1 khz10 khz；正弦波upp3v，幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真小。三角波upp5v，幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真小。方波

2、upp14v，幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真小。 選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。（選做：用pspice或ewb軟件完成仿真） 安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書。時(shí)間安排：1、 2010年1月12日分班集中，布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求；課設(shè)答疑事項(xiàng)。2、 2010 年1月13日 至2007年1月19日完成資料查閱、設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫。3、 2010 年1月19日提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)驗(yàn)收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月

3、日目 錄摘要.ii 緒論.iiiabstract.iv1 函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖.11.1 電路設(shè)計(jì)原理框圖.1 1.2 路設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì).12設(shè)計(jì)的目的及任務(wù).2 2.1 課程設(shè)計(jì)的目的.22.2 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求.2 2.3 課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo).23單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算及器件選擇.3 3.1 方波發(fā)生電路的工作原理.33.2方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理.3 3.3三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的作原理.6 3.4電路的參數(shù)選擇及計(jì)算.7 3.5總電路圖.84 電路仿真. 94.1 方波-三角波發(fā)生電路的仿真.9 4.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真.105電路的安裝與調(diào)試.11 5.1

4、 方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試.115.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試.11 5.3 總電路的安裝與調(diào)試.11 5.4 電路安裝與調(diào)試中遇到的問(wèn)題及分析解決方法.116電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.136.1 方波-三角波發(fā)生電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.136.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.136.3 實(shí)測(cè)電路波形、誤差分析及改進(jìn)方法.137 實(shí)驗(yàn)總結(jié). 15參考文獻(xiàn).16附錄 元件清單.17附錄 整體電路圖.18摘 要函數(shù)（波形）信號(hào)發(fā)生器。能產(chǎn)生某些特定的周期性時(shí)間函數(shù)波形（正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）信號(hào)，頻率范圍可從幾個(gè)微赫到幾十兆赫函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣

5、泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。除供通信、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試用外，還廣泛用于其他非電測(cè)量領(lǐng)域。 通過(guò)對(duì)模擬電子基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，我運(yùn)用運(yùn)放741制作了一個(gè)能產(chǎn)生方波，三角波以及正弦波的函數(shù)型號(hào)發(fā)生器。關(guān)鍵字：運(yùn)放741；方波；三角波；正弦波；函數(shù)型號(hào)發(fā)生器。abstract function (waveform) signal generator. it can produce certain periodic function of time waveforms (si

6、ne, square, triangle wave, sawtooth wave and pulse wave, etc.) signal, the frequency can range from a few micro-hz to a few tens mhz.function generator circuit experiments and detection equipment with a very wide range of uses. for example, in telecommunications, broadcasting, television systems, th

7、e need to radio-frequency (hf) emission, where the radio waves is the carrier, the audio (low frequency), video signal or pulse signal carried out, it is necessary to produce high-frequency oscillator. in addition to communications, instrumentation and automatic control system testing, but also wide

8、ly used in other non-electric measurement. through analog electronics-based learning, i used the op amp can produce 741 produce a square wave, triangle wave and sine wave function generator model. keywords: op-amp 741; square; triangular wave; sine wave; function model generator. 1緒 論隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)勢(shì)力不段提高，

9、以及世界科學(xué)水平也在飛速發(fā)展。大規(guī)模集成電路再不同的領(lǐng)域也越來(lái)越被利用，不論在工業(yè)，還是在其他方面都起著舉足輕重的作用。現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展,信號(hào)的產(chǎn)生運(yùn)用于各領(lǐng)域中。函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號(hào)函數(shù)發(fā)生器s101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038)。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實(shí)驗(yàn)調(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。1函數(shù)發(fā)生器總方案及原理框圖1.1

10、 原理框圖1.2 函數(shù)發(fā)生器的總方案 產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過(guò)整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊?。本課題采用先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法，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(lái)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性非線

11、性。2課程設(shè)計(jì)的目的和要求2.1 設(shè)計(jì)目的1掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法2掌握模擬ic器件的應(yīng)用3培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐的能力4掌握常用元器件的識(shí)別和測(cè)試5熟悉常用儀表，了解電路調(diào)試的基本方法2.2設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)方波三角波正弦波函數(shù)信號(hào)發(fā)生器2.3課程設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)1.頻率范圍10100hz，100 hz1khz，1 khz10 khz；2.正弦波upp3v，幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真小。3.三角波upp5v，幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真小。4.方波upp14v，幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真小。3各組成部分的工作原理3.1 方波發(fā)生電路的工作原理 此電路由反相輸入的滯回比較器和rc電路組成。rc回

12、路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)rc充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓uo=+uz,則同相輸入端電位up=+ut。uo通過(guò)r3對(duì)電容c正向充電，如圖中實(shí)線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時(shí)間t的增長(zhǎng)而逐漸增高，當(dāng)t趨于無(wú)窮時(shí)，un趨于+uz；但是，一旦un=+ut,再稍增大，uo從+uz躍變?yōu)?uz,與此同時(shí)up從+ut躍變?yōu)?ut。隨后，uo又通過(guò)r3對(duì)電容c反向充電，如圖中虛線箭頭所示。un隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)而減低，當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，un趨于-uz；但是，一旦un=-ut,再減小，uo就從-uz躍變?yōu)?uz，up從-ut躍變?yōu)?ut，電容又開始正相充電。上述過(guò)程周而復(fù)始，電路

13、產(chǎn)生了自激振蕩。3.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理方波三角波產(chǎn)生電路工作原理如下：若a點(diǎn)斷開，運(yùn)算發(fā)大器a1與r1、r2及r3、rp1組成電壓比較器，c1為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即u-=0，同相輸入端接輸入電壓uia，r1稱為平衡電阻。比較器的輸出uo1的高電平等于正電源電壓+vcc，低電平等于負(fù)電源電壓-vee（|+vcc|=|-vee|）, 當(dāng)比較器的u+=u-=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出uo1從高電平跳到低電平-vee,或者從低電平vee跳到高電平vcc。設(shè)uo1=+vcc,則 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位uia-為若uo1=-vee,則比較器翻轉(zhuǎn)

14、的上門限電位uia+為比較器的門限寬度由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3-71所示。a點(diǎn)斷開后，運(yùn)放a2與r4、rp2、c2及r5組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波uo1，則積分器的輸出uo2為時(shí)，時(shí)，可見積分器的輸入為方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關(guān)系下圖所示。a點(diǎn)閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動(dòng)產(chǎn)生方波-三角波的幅度為方波-三角波的頻率f為由以上兩式可以得到以下結(jié)論：1. 電位器rp2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時(shí)，不會(huì)影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用c2改變頻率的范圍，pr2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。2. 方波的輸出幅度應(yīng)等于電源

15、電壓+vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過(guò)電源電壓+vcc。電位器rp1可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波-三角波的頻率。3.3 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主要由差分放大電路來(lái)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，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)，ut26mv。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

16、，由圖可見：（1） 傳輸特性曲線越對(duì)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(duì)稱性，其并聯(lián)電阻re2用來(lái)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。3.4電路的參數(shù)選擇及計(jì)算1.方波-三角波中電容c1變化（4） 實(shí)物連線中，我們一開始很長(zhǎng)時(shí)間出不來(lái)波形，后來(lái)將c2從10uf（理論時(shí)可出來(lái)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

17、（5） 比較器a1與積分器a2的元件計(jì)算如下。（6） 由式（3-61）得（7） 即（8） 取 ，則，取 ，rp1為47k的點(diǎn)位器。區(qū)平衡電阻（9） 由式（3-62）（10） 即（11） 當(dāng)時(shí)，取，則，取，為100k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。（12） 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(guò)觀測(cè)傳輸特性曲線

18、，調(diào)整rp4及電阻r*確定。3.5 總電路圖4 電路仿真4.1 方波-三角波發(fā)生電路的仿真4.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真5 電路的安裝與調(diào)試5.1 方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試1.安裝方波三角波產(chǎn)生電路1. 把兩塊741集成塊插入電路板板，注意布局；2. 分別把各電阻放入適當(dāng)位置，尤其注意電位器的接法；3. 按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。 2.調(diào)試方波三角波產(chǎn)生電路1. 接入電源后，用示波器進(jìn)行雙蹤觀察；2. 調(diào)節(jié)rp1，使三角波的幅值滿足指標(biāo)要求；3. 調(diào)節(jié)rp2，微調(diào)波形的頻率；4. 觀察示波器，各指標(biāo)達(dá)到要求后進(jìn)行下一部按裝。5.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試1.

19、按裝三角波正弦波變換電路1. 在面包板上接入差分放大電路，注意三極管的各管腳的接線；2. 搭生成直流源電路，注意r*的阻值選?。?. 接入各電容及電位器，注意c6的選?。?. 按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。2.調(diào)試三角波正弦波變換電路1. 接入直流源后，把c4接地，利用萬(wàn)用表測(cè)試差分放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；2. 測(cè)試v1、v2的電容值，當(dāng)不相等時(shí)調(diào)節(jié)rp4使其相等；3. 測(cè)試v3、v4的電容值，使其滿足實(shí)驗(yàn)要求；4. 在c4端接入信號(hào)源，利用示波器觀察，逐漸增大輸入電壓，當(dāng)輸出波形剛好不失真 5.3總電路的安裝與調(diào)試1. 把兩部分的電路接好，進(jìn)行整體測(cè)試、觀察2. 針對(duì)各階段出現(xiàn)的問(wèn)題，逐

20、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。5.4調(diào)試中遇到的問(wèn)題及解決的方法方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級(jí)單元電路組成的,在裝調(diào)多級(jí)電路時(shí)通常按照單元電路的先后順序分級(jí)裝調(diào)與級(jí)聯(lián)。1 方波-三角波發(fā)生器的裝調(diào)由于比較器a1與積分器a2組成正反饋閉環(huán)電路，同時(shí)輸出方波與三角波，這兩個(gè)單元電路可以同時(shí)安裝。需要注意的是，安裝電位器rp1與rp2之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計(jì)值，如設(shè)計(jì)舉例題中，應(yīng)先使rp1=10k,rp2?。?.5-70）k內(nèi)的任一值,否則電路可能會(huì)不起振。只要電路接線正確，上電后，uo1的輸出為方波，uo2的輸出為三角波，微調(diào)rp1,使三角波的輸出幅度滿足設(shè)

21、計(jì)指標(biāo)要求有，調(diào)節(jié)rp2，則輸出頻率在對(duì)應(yīng)波段內(nèi)連續(xù)可變。2三角波-正弦波變換電路的裝調(diào) 按照?qǐng)D375所示電路，裝調(diào)三角波正弦波變換電路，其中差分發(fā)大電路可利用課題三設(shè)計(jì)完成的電路。電路的 調(diào)試步驟如下。（1）經(jīng)電容c4輸入差摸信號(hào)電壓uid=50v，fi =100hz正弦波。調(diào)節(jié)rp4及電阻r*,是傳輸特性曲線對(duì)稱。在逐漸增大uid。直到傳輸特性曲線形狀入圖373所示，記 下次時(shí)對(duì)應(yīng)的 uid即uidm值。移去信號(hào)源，再將c4左段接地，測(cè)量差份放大器的 靜態(tài)工作點(diǎn)i0 ,uc1,uc2,uc3,uc4.(2) rp3與c4連接，調(diào)節(jié)rp3使三角波俄 輸出幅度經(jīng)rp3等于uidm值，這時(shí)uo3

22、的 輸出波形應(yīng) 接近 正弦波，調(diào)節(jié)c6大小可改善輸出波形。如果uo3的 波形出現(xiàn)如圖376所示的 幾種正弦波失真，則應(yīng)調(diào)節(jié)和改善參數(shù)，產(chǎn)生是真的 原因及采取的措施有；1）鐘形失真 如圖（a）所示，傳輸特性曲線的 線性區(qū)太寬，應(yīng)減小re2。2）半波圓定或平頂失真 如圖（b）所示，傳輸特性曲線對(duì)稱性差，工作點(diǎn)q偏上或偏下，應(yīng)調(diào)整電阻r*.3）非線性失真 如圖（c）所示，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。（3）性能指標(biāo)測(cè)量與誤差分析 1）放波輸出電壓upp=2vcc是因?yàn)檫\(yùn)放輸出極有pnp型兩種晶體組成復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱電路，輸出方波時(shí)，兩管輪流

23、截止與飲和導(dǎo)通，由于導(dǎo)通時(shí)輸出電阻的影響，使方波輸出度小于電源電壓值。2）方波的上升時(shí)間t，主要受預(yù)算放大器的限制。如果輸出頻率的 限制?？山佣砑铀匐娙輈1，一般取c1為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測(cè)量t 6電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果6.1 方波-三角波發(fā)生電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本產(chǎn)生方波與三角波，其參數(shù)為c=0.1uffmin=198hzfmax=1800hzc=1uffmin=28hzfmax=207hz方波0vpp113;三角波0vpp28,并且均可調(diào)6.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 基本產(chǎn)生正弦波且0vpp35，并且連續(xù)可調(diào)6.3 實(shí)測(cè)電路波形、誤差分析及改進(jìn)方法正弦波有些失真改進(jìn)方法將：c6替換為由兩個(gè)；1 uf替換成0.01 uf .改進(jìn)后電路圖：7實(shí)驗(yàn)總結(jié) 從拿到題目到具體設(shè)計(jì)，從