模電課設(shè)函數(shù)發(fā)生器

武漢理工大學(xué)《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說明書PAGE21課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：通信指導(dǎo)教師：工作單位：信息工程學(xué)院題目:函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)初始條件：示波器，萬用表，直流穩(wěn)壓源，毫伏表，NE5532要求完成的主要任務(wù):一任務(wù)：利用集成運(yùn)算放大器和晶體管差分放大器等設(shè)計(jì)一個(gè)方波－三角波－正弦波函數(shù)發(fā)生器。二要求：設(shè)計(jì)制作一個(gè)方波－三角波－正選波發(fā)生器，頻率范圍10～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz；正弦波Upp≈3v，三角波Upp≈5v，方波Upp≈14v，幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真小。

時(shí)間安排：十八周：查找收集相關(guān)資料十九周：初步定下實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行理論計(jì)算，用Multisim仿真二十周：購買元器件，焊電路，寫報(bào)告指導(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 3Abstract 41 函數(shù)發(fā)生器電路的設(shè)計(jì) 51.1方案選擇 51.2器件選擇 61.3單元電路的設(shè)計(jì) 71.3.1方波發(fā)生電路的工作原理 71.3.2方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 91.3.3三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 111.4電路的參數(shù)選擇及計(jì)算 131.5總電路 142仿真結(jié)果及分析 153電路的安裝與調(diào)試 173.1焊接調(diào)試中的問題 173.2性能指標(biāo)測量與誤差分析 173.3實(shí)物圖 184收獲與體會(huì) 195元器件清單 21

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。本設(shè)計(jì)中依靠自激振蕩產(chǎn)生正弦波，利用施密特觸發(fā)器原理組成多諧振蕩器方波方波，將方波積分產(chǎn)生三角波。該電路能實(shí)現(xiàn)正弦波、三角波的幅值、頻率可調(diào)，方波頻率、占空比可調(diào)。

AbstractFunctionGeneratorisabletogenerateavarietyofwaveforms,suchasthetrianglewave,sawtooth,rectangularwave(includingsquare),sinewavecircuit.Functiongeneratorexperimentsandequipmenttestingatthecircuithasaverywiderangeofuses.Throughtheprincipleofthefunctionwaveformgeneratorandthecompositionanalysis,canbedesignedtobeabletochangeoutofatriangularwave,sinewave,squarewavefunctionwaveformgenerator.Thecircuitusedinthedevicecanbediscretedevices(suchasthelow-frequencysignalgeneratorS101functionusedinalltransistors),itcanbeintegratedcircuits(suchasthemonolithicintegratedcircuitfunctiongeneratorICL8038).Generatesine,square,trianglewaveavarietyofprograms,suchascreatedinthefirstsinewave,andthenshapingcircuitwilltransformintoasquarewavesinewave,squarewavebytheintegralcircuitwillbetransformedintothetrianglewave;alsobecreatedinthefirstsquare---triangularwave,andthentransformintoatriangular-wavesinewave.Thedesignofrelyingonself-oscillatingsinewavegeneratedusingtheprincipleofthecompositionoftheSchmitttriggermultivibratorsquarewavesquarewavetrianglewavewillproducesquarepoints.Thecircuitcanachievesinewave,trianglewaveamplitude,frequencyadjustable,square-wavefrequency,dutycycleadjustable.

函數(shù)發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)1.1方案選擇方案一:方波——三角波——正弦波圖1-1方波、三角波、正弦波、信號發(fā)生器的原理框圖首先由LM324多諧振蕩器產(chǎn)生方波，然后由積分電路將方波轉(zhuǎn)化為三角波，最后用低通濾波器將方波轉(zhuǎn)化為正弦波，但這樣的輸出將造成負(fù)載的輸出正弦波波形變形，因?yàn)樨?fù)載的變動(dòng)將拉動(dòng)波形的崎變。系統(tǒng)采用雙電源供電，主體部分由LM324集成運(yùn)放芯片構(gòu)成的滯回比較器、積分器和二階有源低通濾波器電路組成。它由滯回比較器產(chǎn)生方波信號，方波信號經(jīng)過積分器后產(chǎn)生三角波信號。三角波信號一路反饋回滯回比較器，作為滯回比較器；另一路經(jīng)二階有源低通濾波器濾波以后產(chǎn)生正弦波信號。使用時(shí)可以在電路系統(tǒng)的不同輸出點(diǎn)得到不同的波形信號。方案二：正弦波——方波——三角波-原理框圖：積分電路電壓比較器RC正弦波振蕩電路積分電路電壓比較器RC正弦波振蕩電路圖1-2正弦波、方波、三角波信號發(fā)生器的原理框圖RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波—方波—三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，電路框圖如上。先通過RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成三角波。此電路具有良好的正弦波和方波信號。但經(jīng)過積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號，存在難度。原因是積分器電路的積分時(shí)間常數(shù)是不變的，而隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時(shí)改變。若要保持三角波幅度不變，需同時(shí)改變積分時(shí)間常數(shù)的大小。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(如低頻信號函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路。方案一的電路結(jié)構(gòu)、思路簡單，運(yùn)行時(shí)性能穩(wěn)定且能較好的符合設(shè)計(jì)要求，且成本低廉、調(diào)整方便，關(guān)于輸出正弦波波形的變形，可以通過可變電阻的調(diào)節(jié)來調(diào)整。而方案二，關(guān)于三角波的缺陷，不是能很好的處理，且波形質(zhì)量不太理想，且頻率調(diào)節(jié)不如方案一簡單方便。綜上，我們選擇方案一。1.2器件選擇器件1：采用ICL8038集成函數(shù)信號發(fā)生器芯片外加電阻、電容元件，構(gòu)成波形發(fā)生電路。ICL8038集成函數(shù)信號發(fā)生器芯片是一種多用途的波形發(fā)生器芯片，它可以用來產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波。它的振蕩頻率可以通過外加的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，是一種壓控集成函數(shù)信號發(fā)生器。雖然ICL8038集成函數(shù)信號發(fā)生器的功能強(qiáng)大，但是它的價(jià)格昂貴，而且市面上也較難買到。如果用ICL8038芯片來制作簡易波形發(fā)生器系統(tǒng)，則會(huì)大大增加系統(tǒng)的制作成本。器件2：采用LM324集成運(yùn)放芯片，外加電阻、電容等元器件調(diào)整、濾波，構(gòu)成簡易波形發(fā)生器。LM324是一種集成運(yùn)算放大器芯片，它的內(nèi)部有四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器。根據(jù)所學(xué)的知識，運(yùn)算放大器可以構(gòu)成滯回比較器、積分器和二階有源低通濾波器電路，可以分別產(chǎn)生方波、三角波和正弦波。依靠這些電路的組合，就可以制作成簡易波形發(fā)生器電路。該電路具有效率高、體積小、重量輕，輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)。而且LM324集成運(yùn)放芯片價(jià)格低廉，可以降低電路的制作成本?；谶@種考慮，器件2可被選用。LM324芯片簡介：LM324是由四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器組成的電路。它設(shè)計(jì)在較寬的電壓范圍內(nèi)單電源工作，但亦可在雙電源條件下工作。本電路在家用電器上和工業(yè)自動(dòng)化及光、機(jī)、電一體化領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。其特點(diǎn)如下：有寬的單電源或雙電源工作電壓范圍；內(nèi)含相位校正回路,外圍元件少；電壓輸出范圍寬；共模輸入電壓范圍寬。LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝（DIP14），外形如圖3所示：圖1-3LM324外型圖片它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖2所示的符號來表示：圖1-4LM324內(nèi)部的運(yùn)放單元在電路中的符號它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖5：圖1-5LM324引腳圖由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。器件三：NE5532是一種雙運(yùn)放高性能低噪聲運(yùn)算放大器。相比較大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，如1458，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅(qū)動(dòng)能力和相當(dāng)高的小信號和電源帶寬。該儀器是由兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器組成的電路，本實(shí)驗(yàn)可與LM324替代使用。且價(jià)格低廉，易買到，也在選擇范圍內(nèi)。1.3單元電路的設(shè)計(jì)1.3.1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回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過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R3對電容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的增長而逐漸增高，當(dāng)t趨于無窮時(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R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長而減低，當(dāng)t趨于無窮大時(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。上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。 圖1-6比較器電壓傳輸特性圖1-7方波產(chǎn)生原理圖

1.3.2方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理C2C2圖1-8方波—三角波產(chǎn)生電路±UT=±(R2×Uo2m)／(R3+Rp1)T=4R2(R4+Rp2)C1／(R3+Rp1)工作原理如下：若R4與RP2交點(diǎn)斷開，運(yùn)算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C2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)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1-6所示。交點(diǎn)斷開后，運(yùn)放A2與R4、RP2、C2及R17組成反相積分器，其輸入信號為方波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。圖1-9方波產(chǎn)生三角波原理圖交點(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。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：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)。方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過電源電壓+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。

1.3.3三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理圖1-10三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路圖三角波——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，由圖可見：傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；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)。圖為實(shí)現(xiàn)三角波——正弦波變換的電路。其中R13調(diào)節(jié)三角波的幅度，R7調(diào)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻R8用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C2,C3,C4為隔直電容，C1為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。圖1-11三角波—正弦波變換電路圖1-12方波三角波變換圖1.4電路的參數(shù)選擇及計(jì)算1）方波-三角波中電容C1變化（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。由即取，則，取，RP1為100KΩ的電位器。區(qū)平衡電阻由式（3-62）即當(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C2、C3、C4要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率很低，取，濾波電容C1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。R7=50歐與RP4=50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RP3及電阻RP4確定.1.5總電路圖1-12總電路圖先通過比較器產(chǎn)生方波，再通過積分器產(chǎn)生三角波，最后通過差分放大器形成正弦波。

2仿真結(jié)果及分析在Multiuse運(yùn)行本電路圖得到的方波，三角波，正弦波如下圖所圖2-1方波仿真圖在仿真中，方波的幅值為14V，比要求中的高，但是在實(shí)際中加了一個(gè)電位器使方波幅度可調(diào)且范圍為0到14.1V，符合要求。在仿真中方波的上升時(shí)間較大，在實(shí)際焊接中，加了一個(gè)加速電容使仿真的上升時(shí)間得意控制，符合題目要求。

圖2-2三角波仿真圖圖2-3正弦波仿真圖由方正波形可以看出，三角波，正弦波的線性失真小符合題目要求。且三角波正弦波幅度連續(xù)可調(diào)，符合題目要求。頻率在題目要求范圍內(nèi)可調(diào)。3電路的安裝與調(diào)試3.1焊接調(diào)試中的問題1、在實(shí)際焊板子的時(shí)候遇到了仿真中沒有的問題，如LM324使用中因?yàn)楹附邮д`導(dǎo)致燒毀，只能用于其相近的芯片NE5532代替，但是Multisim仿真中沒有NE5532，因此仿真仍然用了LM324.第一塊實(shí)物焊接作品調(diào)試出現(xiàn)較大失真，達(dá)不到任務(wù)要求，因此綜合經(jīng)濟(jì)、時(shí)間等因素，就近尋找元件進(jìn)行了第二次焊接。2、方波的峰峰值過低或者過大，通過改變輸入電源的值，最終得到滿足要求的峰峰值。3、板子的焊接過程中做大的問題就是調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)。開始的時(shí)候靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)不好，導(dǎo)致產(chǎn)生的正弦波不對稱，后來又在鏡像恒流源加了一個(gè)電位器使靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)試成功，從而正弦波使上下對稱。3.2性能指標(biāo)測量與誤差分析 1、方波輸出電壓Upp=14V，是因?yàn)檫\(yùn)放輸出極有PNP型兩種晶體組成復(fù)合互補(bǔ)對稱電路，輸出方波時(shí)，兩管輪流截止與導(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、三角波的輸出電壓主要受比較器的門限寬度的限制3、為使輸出波形更接近正弦波，要求傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好。三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管截止電壓。4、測得數(shù)據(jù)3.3實(shí)物圖圖3-1調(diào)試成功的實(shí)物裝備面俯視圖圖3-2調(diào)試失真較大的第一份焊接實(shí)物4收獲與體會(huì)模電課設(shè)一閃而過，回顧這幾天的辛苦摸索，心中不免感慨良多。最初的時(shí)候，multisim的學(xué)習(xí)也不是那么順利由于是全英文的界面，后來在各種找資料的幫助下組建有了些頭緒，知道了如何選擇元件，如何搭建電路，隨著一步一步深入的學(xué)習(xí)了解，越發(fā)的覺得multisim的強(qiáng)大與實(shí)用，也越發(fā)的覺得自身學(xué)習(xí)的不足，也越來越明白書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟的至理名言，然后我對multisim進(jìn)行更加深入的了解與應(yīng)用，也學(xué)到了很多。用仿真軟件修改元件參數(shù)，調(diào)試數(shù)據(jù)過程也很艱辛，在調(diào)試中也增進(jìn)了對元件作用的理解。通過本次設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了自己的理論水平，提高了自己的動(dòng)手能力，學(xué)