電子系統課程設計函數信號發生器的設計姓 名： 李春陽 院 系： 信息工程學院 專 業： 電子信息工程 學 號：20906021026指導老師： 周云艷 目 錄1.函數發生器總方案及原理框圖31.1函數發生器的總方案論證31.2原理框圖42課程設計的目的和設計的任務42.1 設計目的42.2設計任務43元器件選擇54各組成部分的工作原理及實現功能54.1 方波發生電路的工作原理54.2 方波-三角波轉換電路的工作原理64.3 三角波-正弦波轉換電路的工作原理84.4電路的參數選擇及計算94.5 總電路圖105.電路的安裝與調試115.1 方波-三角波發生電路的安裝與調試115.2 三角波-正弦波轉換電路的安裝與調試115.3 總電路的安裝與調試125.4調試中遇到的問題及解決的方法126實驗總結137參考文獻131.函數發生器總方案及原理框圖1.1函數發生器的總方案論證函數發生器一般是指能自動產生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據用途不同，有產生三種或多種波形的函數發生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號函數發生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數發生器模塊)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調試技術，本課題采用由集成運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鋸齒波函數發生器的設計方法。產生正弦波、方波、三角波、鋸齒波的方案有多種，如首先產生正弦波，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成三角波和鋸齒波；也可以首先產生三角波方波，再將三角波變成正弦波或將方波變成正弦波和鋸齒波等等。本課題采用先產生方波-三角波和鋸齒波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法，1.2原理框圖 2課程設計的目的和設計的任務2.1 設計目的1掌握電子系統的一般設計方法2學習用軟件對電路進行仿真3培養綜合應用所學知識來指導實踐的能力4掌握常用元器件的識別和測試5熟悉常用儀表，了解電路調試的基本方法2.2設計任務設計方波/三角波/正弦波/鋸齒波函數信號發生器有下列要求：1設計、組裝、調試函數發生器2輸出波形：正弦波、方波、三角波、鋸齒波；3頻率范圍 ：頻率范圍一般分為若干波段：1HZ10HZ, 4輸出電壓幅值:方波：12v，三角波：4v；正弦波1v。3元器件選擇設計所用儀器及器件：1、 電阻：10k歐姆的5個；20k歐姆的1個，5.1k歐姆的1個 ，8.1k歐姆的1個，100歐姆的1個；6.8k歐姆的1個，2k歐姆的2個。2、 電位器：50000歐姆的2個，100歐姆的1個，100000歐姆的2個；3、 晶體三極管；3個 4、 電容；10uf的1個，1uf的1個，470uf的3個，0.1uf的1個5、 集成運算放大器：uA747個6、 直流電源：+12v，-12v7、 開關1個，8、 示波器1個9、 萬用表1個10、 導線若干根。4各組成部分的工作原理及實現功能4.1 方波發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回路既作為延遲環節，又作為反饋網絡，通過RC充、放電實現輸出狀態的自動轉換。設某一時刻輸出電壓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躍變為-Uz,與此同時Up從+Ut躍變為-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躍變為+Uz，Up從-Ut躍變為+Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產生了自激振蕩。4.2 方波-三角波轉換電路的工作原理方波三角波產生電路工作原理如下：若a點斷開，運算發大器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。運放的反相端接基準電壓，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，低電平等于負電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當比較器的U+=U-=0時，比較器翻轉，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Uo1=+Vcc,則 將上式整理，得比較器翻轉的下門限單位Uia-為 若Uo1=-Vee,則比較器翻轉的上門限電位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點斷開后，運放A2與R4、RP2、C2及R5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，時，可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關系下圖所示。a點閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環電路，則自動產生方波-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論：1. 電位器RP2在調整方波-三角波的輸出頻率時，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實現頻率微調。2. 方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可實現幅度微調，但會影響方波-三角波的頻率。4.3 三角波-正弦波轉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完成。差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點漂移，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式為：式中差分放大器的恒定電流；溫度的電壓當量，當室溫為25oc時，UT26mV。如果Uid為三角波，設表達式為式中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：（1） 傳輸特性曲線越對稱，線性區越窄越好；（2） 三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區或截止區。（3） 圖為實現三角波正弦波變換的電路。其中Rp1調節三角波的幅度，Rp2調整電路的對稱性，其并聯電阻RE2用來減小差分放大器的線性區。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。三角波-正弦波變換4.4電路的參數選擇及計算1.方波-三角波中電容C1變化（關鍵性變化之一）實物連線中，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C2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現。2.三角波-正弦波部分比較器A1與積分器A2的元件計算如下。由式（3-61）得即取 ，則，取 ，RP1為47K的電位器。區平衡電阻由式（3-62）即當時，取，則，取，為100K電位器。當時 ，取以實現頻率波段的轉換，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=100歐與RP4=100歐姆相并聯，以減小差分放大器的線性區。差分放大器的幾靜態工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調整RP4及電阻R*確定。4.5 總電路圖 三角波-方波-正弦波函數發生器實驗電路先通過比較器產生方波，再通過積分器產生三角波，最后通過差分放大器形成正弦波。 5.電路的安裝與調試5.1 方波-三角波發生電路的安裝與調試1.按裝方波三角波產生電路1. 把兩塊747集成塊插入面包板，注意布局；2. 分別把各電阻放入適當位置，尤其注意電位器的接法；3. 按圖接線，注意直流源的正負及接地端。 2.調試方波三角波產生電路1. 接入電源后，用示波器進行雙蹤觀察；2. 調節RP1，使三角波的幅值滿足指標要求；3. 調節RP2，微調波形的頻率；4. 觀察示波器，各指標達到要求后進行下一部按裝。5.2 三角波-正弦波轉換電路的安裝與調試1.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*的阻值選取；3. 接入各電容及電位器，注意C6的選取；4. 按圖接線，注意直流源的正負及接地端。2.調試三角波正弦波變換電路1. 接入直流源后，把C4接地，利用萬用表測試差分放大電路的靜態工作點；2. 測試V1、V2的電容值，當不相等時調節RP4使其相等；3. 測試V3、V4的電容值，使其滿足實驗要求；4. 在C4端接入信號源，利用示波器觀察，逐漸增大輸入電壓，當輸出波形剛好不失真時記入其最大不失真電壓；5.3 總電路的安裝與調試1. 把兩部分的電路接好，進行整體測試、觀察2. 針對各階段出現的問題，逐各排查校驗，使其滿足實驗要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。5.4調試中遇到的問題及解決的方法方波-三角波-正弦波函數發生器電路是由三級單元電路組成的,在裝調多級電路時通常按照單元電路的先后順序分級裝調與級聯。1 方波-三角波發生器的裝調由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環電路，同時輸出方波與三角波，這兩個單元電路可以同時安裝。需要注意的是，安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調整到設計值，如設計舉例題中，應先使RP1=10K,RP2取（2.5-70）K內的任一值,否則電路可能會不起振。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RP1,使三角波的輸出幅度滿足設計指標要求有，調節RP2，則輸出頻率在對應波段內連續可變。2三角波-正弦波變換電路的裝調 按照圖375所示電路，裝調三角波正弦波變換電路，其中差分發大電路可利用課題三設計完成的電路。電路的 調試步驟如下。（1）經電容C4輸入差摸信號電壓Uid=50v，Fi =100Hz正弦波。調節Rp4及電阻R*,是傳輸特性曲線對稱。在逐漸增大Uid。直到傳輸特性曲線形狀入圖373所示，記 下次時對應的 Uid即Uidm值。移去信號源，再將C4左段接地，測量差份放大器的 靜態工作點I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.(2) Rp3與C4連接，調節Rp3使三角波俄 輸出幅度經Rp3等于Uidm值，這時Uo3的 輸出波形應 接近 正弦波，調節C6大小可改善輸出波形。如果Uo3的 波形出現如圖376所示的 幾種正弦波失真，則應調節和改善參數，產生是真的 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 線性區太寬，應減小Re2。2）半波圓定或平頂失真 如圖（b）所示，傳輸特性曲線對稱性差，工作點Q偏上或偏下，應調整電阻R*.3）非線性失真 如圖（C）所示，三角波傳輸特性區線性度 差引起的失真，主要是受到運放的影響。可在輸出端加濾波網絡改善輸出波形。（3）性能指標測量與誤差分析 1）放波輸出電壓Upp=2Vcc是因為運放輸出極有PNP型兩種晶體組成復合互補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飲和導通，由于導通時輸出電阻的影響，使方波輸出度小于電源電壓值。2）方波的上升時間T，主要受預算放大器的限制。如果輸出頻率的 限制。可接俄加速電容C1，一般取C1為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測量 6實驗結果與總結正弦波輸出：8.77Hz 14V，三角波輸出：8.77Hz7.6V，方波輸出：8.77Hz20V在本次課程設計中，無論是在理論學習方面還是實踐動手能力都得到了一個非常大的鍛煉，并對硬件知識的了解以及安裝調試能力也得到了一個很大的提升。通過這次課程設計，也非常的清楚的認識了這門課程的重要性，也意識到了自己在動手實踐方面的薄弱性。希望在以后的學習和工作中能進一部的加強自己專業素質和實踐動手能力。7參考文獻1、電工電子實踐指導（第二版），王港元主編，江西科學技術出版社（2005）2、電子線路設計、