電工課程設(shè)計—函數(shù)信號發(fā)生器

1、電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計報告題 目 函數(shù)信號發(fā)生器 學(xué)院（部） 專 業(yè) 班 級 學(xué)生姓名 學(xué) 號 6 月 24 日至 6 月 28 日 共 1 周 指導(dǎo)教師（簽字） 1.課題名稱與技術(shù)要求1.1課題名稱函數(shù)信號發(fā)生器1.2主要技術(shù)指標(biāo)和要求：（1）能產(chǎn)生正弦波、矩形波（占空比可調(diào)）、鋸齒波等多種波形；（2）輸出信號的工作頻率范圍10Hz10kHz，且連續(xù)可調(diào)；（3）輸出信號波形幅值010V，且連續(xù)可調(diào)；2.摘要函數(shù)信號發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生多種波形，如鋸齒波、鋸齒波、矩形波、正弦波的電路。廣泛地應(yīng)用于各大院校和科研場所。隨著科技的進(jìn)步，社會的發(fā)展，單一的波形發(fā)生器已經(jīng)不能滿足人們的需求，而我們

2、所設(shè)計的正是包含有正弦波、矩形波、鋸齒波的多種波形發(fā)生器。 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)計一個能變換出鋸齒波、正弦波、矩形波的函數(shù)波形發(fā)生器。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矩形波鋸齒波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法，先通過比較器產(chǎn)生矩形波，再通過積分器產(chǎn)生鋸齒波，最后通過差分放大器形成正弦波。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。經(jīng)過仿真得出了矩形波、鋸齒波、正弦波、矩形波，利用555定時器實現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)。 關(guān)鍵詞： 比較電路 差分電路 集成運(yùn)算放大器 555定時器目錄1.課題名稱與技術(shù)要求21.1課題名稱21.2主要技術(shù)指標(biāo)和要求：22.摘要33.

3、方案設(shè)計53.1總體設(shè)計方案論證及選擇53.1.1方案一: 基于單片集成芯片MAX038構(gòu)成的函數(shù)信號發(fā)生器。53.1.2方案二: 矩形波鋸齒波正弦波函數(shù)信號發(fā)生器63.1.3方案的選擇83.2 設(shè)計方案的原理框圖、總體電路原理圖及說明83.2.1方案原理框圖83.3.2總體電路原理圖93.4單元電路設(shè)計、主要元器件選擇與電路參數(shù)計算103.4.1占空比可調(diào)矩形波發(fā)生電路的工作原理103.4.2 矩形波-鋸齒波轉(zhuǎn)換電路的工作原理123.4.3 鋸齒波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理153.5主要元器件選擇與電路參數(shù)計算174.1 收獲與體會184.2存在的問題195.參考文獻(xiàn)206.附件21元器件列

4、表213.方案設(shè)計3.1總體設(shè)計方案論證及選擇 函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、鋸齒波、矩形波及鋸齒波、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)。3.1.1方案一: 基于單片集成芯片MAX038構(gòu)成的函數(shù)信號發(fā)生器。3.1.1.1總體設(shè)計該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，由單片機(jī)完成人機(jī)界面、系統(tǒng)控制、信號的采集分析及信號的處理和變換，采用按鍵輸入，利用數(shù)碼管動態(tài)顯示電路輸出數(shù)字顯示的方案。將設(shè)計任務(wù)分解為按鍵電路、數(shù)碼管顯

5、示電路等模塊。 單片機(jī)數(shù)碼管顯示按鍵波形發(fā)生器放大電路輸出3.1.1.2MAX038芯片工作特性:MAX038精度高且頻率調(diào)節(jié)方便，并且能夠產(chǎn)生多種波形，是性價比較高的信號發(fā)生芯片。產(chǎn)生信號的頻率可以通過調(diào)整電流、電壓、電阻分別控制。所需的輸出波形可由在A0、A1輸入端設(shè)置適當(dāng)?shù)拇a來選擇，所有的輸出波形都是對稱于地電位的2V（峰-峰值）信號。MAX038工作電源為5V。3.1.2方案二: 矩形波鋸齒波正弦波函數(shù)信號發(fā)生器3.1.2.1總體設(shè)計矩形波鋸齒波正弦波信號發(fā)生器電路有運(yùn)算放大器及分立元件構(gòu)成，由比較器和積分器組成矩形波鋸齒波產(chǎn)生電路，鋸齒波通過差分放大電路產(chǎn)生正弦波輸出,差分放大器具

6、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，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的鋸齒波變換成正弦波。輸出波形幅度及頻率均可通過改變元件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，方便且成本較低。3.1.2.2利用差分放大電路實現(xiàn)鋸齒波正弦波的變換波形變換原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性，波形變換過程如圖所示鋸齒波和正弦波得轉(zhuǎn)換示意圖由圖可以看出，傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)域越窄越好；鋸齒波的幅度Uim應(yīng)正好使晶體接近飽和區(qū)域或者截至區(qū)域。3.1.3方案的選擇綜合考慮以上方案,由于方案二穩(wěn)定性高,可操作性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)性好,而方案一成本較高且需要程序控制,實現(xiàn)難度較高，故選擇方案二矩形波鋸

7、齒波正弦波函數(shù)信號發(fā)生器。3.2 設(shè)計方案的原理框圖、總體電路原理圖及說明3.2.1方案原理框圖3.3.2總體電路原理圖采用分立器件實現(xiàn)電路組成，主要的部件有運(yùn)算放大器、電壓比較器、積分運(yùn)算電路、差分放大電路、選擇開關(guān)、電位器和一些電容、電阻組成。該方案由三級單元電路組成的，第一級單元可以產(chǎn)生矩形波，第二級可以產(chǎn)生鋸齒波，第三級可以產(chǎn)生正弦波，通過第二級的選擇開關(guān)可以實現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，通過對差分放大電路部分元器件的調(diào)節(jié)來改善正弦波產(chǎn)生的波形。3.4單元電路設(shè)計、主要元器件選擇與電路參數(shù)計算3.4.1占空比可調(diào)矩形波發(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回路既作為延

8、遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當(dāng)t趨于無窮時，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Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時間逐漸增長而減低，當(dāng)t趨于無窮大時，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。上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激

9、振蕩。在本文設(shè)計方案中，由于電路中二極管、的單向?qū)щ娦?，使電容的充放電回路分開，調(diào)節(jié)電位器，就可以調(diào)節(jié)多諧振蕩器的占空比。圖中通過、上部分及對充電，充電時間為 通過、下部分及從放電端(DIS)放電，放電時間為 因而振蕩頻率為輸出波形的占空比即為 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路555集成電路是8腳封裝，雙列直插型。其中6腳稱閾值端(THR)，是上比較器的輸入；2腳稱觸發(fā)端(TRI)，是下比較器的輸入；3腳是輸出端(OUT)，它有O和1兩種狀態(tài)，由輸入端所加的電平?jīng)Q定；7腳是放電端(DIS)，它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定；4腳是復(fù)位端(RST)，加上低電平時

10、可使輸出為低電平；5腳是控制電壓端(CON),可用它改變上下觸發(fā)電平值；8腳是電源端(VCC)，1腳是地端(GND)。3.4.2 矩形波-鋸齒波轉(zhuǎn)換電路的工作原理矩形波鋸齒波產(chǎn)生電路 遲滯電壓傳輸特性 鋸齒波發(fā)生器工作波形工作原理：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，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Uo1從高電平跳到低電平-

11、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)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,a點(diǎn)斷開后，運(yùn)放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為矩形波Uo1，則積分器的輸出Uo2為 時，時，可見積分器的輸入為矩形波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的鋸齒波，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，則自動產(chǎn)生矩形波-鋸齒波。鋸齒波的幅度為矩形波-鋸齒波的頻率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

12、矩形波-鋸齒波的輸出頻率時，不會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實現(xiàn)頻率微調(diào)。（2）矩形波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+Vcc。鋸齒波的輸出幅度應(yīng)不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可實現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響矩形波-鋸齒波的頻率。3.4.3 鋸齒波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 鋸齒波產(chǎn)生電路鋸齒波正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。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，可以有效的抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的鋸齒波變換成正弦波。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)

13、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，UT26mV。如果Uid為鋸齒波，設(shè)表達(dá)式為式中Um鋸齒波的幅度； T鋸齒波的周期。1）為使輸出波形更接近正弦波：2）傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；3）鋸齒波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。圖為實現(xiàn)鋸齒波正弦波變換的電路。其中Rp1調(diào)節(jié)鋸齒波的幅度，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。 鋸齒波正弦波變換電路3.5主要元器件選擇與電路參數(shù)計算（1）矩形波-鋸齒波中電容C1變化（關(guān)鍵性變化之一）實物連線中

14、，我們一開始很長時間出不來波形，后來將C2從10uf（理論時可出來波形）換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當(dāng)C2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現(xiàn)。（2）鋸齒波-正弦波部分比較器A1與積分器A2的元件計算如下。由計算得即取 ，則，取 ，RP1為47K的點(diǎn)位器。區(qū)平衡電阻由式即當(dāng)時，取，則，取，為100K電位器。當(dāng)時 ，取以實現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻。鋸齒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，因為輸出頻率很低，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

15、=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。4.1 收獲與體會在完成了電工電子技術(shù)的課程學(xué)習(xí)后，我們用了一個周的時間完成本次課程設(shè)計函數(shù)信號發(fā)生器，在這次設(shè)計中，我學(xué)到了很多有關(guān)模擬電子技術(shù)理論和實際等方面的知識。我認(rèn)識到，學(xué)習(xí)的知識只有在不斷的實踐中才能更好的為我所用，而用心實踐用心探索的過程可以讓我們不斷地進(jìn)步。在進(jìn)行設(shè)計的過程中，遇到了很多困難和問題，我和同學(xué)們一起廣泛地查找資料、一起討論、并向老師請教，反復(fù)思考認(rèn)真研究而得出了結(jié)果。通過對所得的各種資料的綜合分析，提煉出自己需要的信息，從而提高

16、自己的分析能力；通過對主要技術(shù)指標(biāo)的分析，認(rèn)真體會了設(shè)計時的各項技術(shù)政策；通過對設(shè)計時出現(xiàn)的各種問題的分析與解決，鍛煉了獨(dú)立分析，進(jìn)行設(shè)計的能力；通過對電路設(shè)計中的某些問題的較為深入的探索，培養(yǎng)了自己的科研工作能力；通過設(shè)計論文的書寫，文字表達(dá)能力和材料撰寫整理能力。 總之，本次課程設(shè)計讓我受益匪淺，是我學(xué)習(xí)中重要的經(jīng)歷，我將在此基礎(chǔ)上繼續(xù)努力，用實踐鞏固和探索知識，真正做到學(xué)為我用，融會貫通。4.2存在的問題 在設(shè)計中，對各元器件型號的選擇還很陌生，無法很順利地把書中所學(xué)電路知識靈活的運(yùn)用到設(shè)計中，尤其是在仿真部分，設(shè)計進(jìn)展的很緩慢。另外，在完成仿真電路時，無法處理由于元器件參數(shù)問題引起的波形失真問題。對于參數(shù)大小及相互之間的關(guān)系掌握不夠完整，不夠全面。5.參考文獻(xiàn)1秦曾煌. 電工學(xué)電子技術(shù)（第七版）. 高等教育出版社2 李群芳.單片微型計算機(jī)與接口技術(shù)(第二版).電子工業(yè)出版社3李萬臣模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)與課程設(shè)計.哈爾濱工程大學(xué)