1、 課題名稱：模數課程設計專業名稱：應用電子學生班級：10應電班學生姓名：張東學生學號第一章 設計的目的及任務1.1 設計目的1.11掌握電子系統的一般設計方法1.12掌握模擬IC器件的應用1.13培養綜合應用所學知識來指導實踐的能力1.14掌握常用元器件的識別和測試1.15 熟悉常用儀表，了解電路調試的基本方法1.2設計任務 設計方波三角波正弦波函數信號發生器 1.3課程設計的要求及技術指標1.31設計、組裝、調試函數發生器1.32輸出波形：正弦波、方波、三角波；1.33頻率范圍 ：在100Hz1KHz，1 KHz-10 KHz范圍內可調 ；1.34輸出電壓：方波U24V，三角波U6V，正弦波

2、U=1V；方波tr小于1uS。第二章 函數發生器的總方案及原理框圖 2.1 原理框圖圖2-12.2 函數發生器的總方案 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，也可以采用集成電路。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函數發生器的設計方法。產生正弦波、方波、三角波的方案有多種，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；也可以首先產生三角波方波，再將三角波變成正

3、弦波或將方波變成正弦波等等。本課題采用先產生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法，本課題中函數發生器電路組成如下所示：由比較器和積分器組成方波三角波產生電路，比較器輸出的方波經積分器得到三角波，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時，可以有效地抑制零點漂移，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。第三章 單元電路設計3.1 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、

4、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。 3.2 方波-三角波轉換電路

5、的工作原理圖3-2圖3-2所示的電路能自動產生方波三角波。電路工作原理若下：若a點斷開，運放A1與R1、R2及R3、RP3組織成比較器，R1成為平衡電阻，運放的反相端接基準電壓，及U_=0，同相端接輸入電壓Uia；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U01從高電平+Vcc跳到低電平VEE，或從低電平VEE跳到高電平+Vcc。設U01=+Vcc，則 （3-2-1）式子中，RP1指的是電位器（以下同）。 將上式整理，得比較器翻轉的下門限電位 （3-2-2）若Uo1=VEE，則比較器翻

6、轉的上門線電位 （3-2-3） 比較器的門限寬度 (3-2-4) 由式子（3-2-1）(3-2-4)可以得到比較器的電壓傳輸特性，如圖所示。圖3-3 a點斷開后，運放A2與R4、RP3、C2、及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波U01，則積分器的輸出 (3-2-5)當U01=+Vcc時， (3-2-6)當U01=-Vcc時， (3-2-7)可見積分器輸入方波時，輸出是一個上升速率與下降速率相等的三角波，其波形如圖所示。 圖3-4 方波三角波波形當a點閉合，即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 （3-2-8）方波三角波的頻率 （3-2-9）由式子（3-

7、8）及（3-9）可以得出以下結論： 1.電位器RP2在調整方波三角波的輸出頻率時，一般不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍比較寬，則可用C2改變頻率的范圍，RP2實現頻率微調。2方波的輸出幅度約等于電源電壓+Vcc 。三角波的輸出幅度不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可以實現幅度微調，但會影響方波三角波的頻率。圖3-5 方波-正弦波函數發生器實驗電路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： （3-

8、3-1） Ic1=aIE1=aIo/1+e(-Uid/UT) （3-3-2）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 （3-3-3）式中Um三角波的幅度； T三角波的周期。 將式（3-3-3）代入式（3-3-2），得 4Um/T(t-T/4) (0=t=T/2)Uid= -4Um/T(t-3T/4) (T/2=t=T) （3-3-4） 波形變換過程如下圖： 圖3-6 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

9、波變換的電路。其中Rp3調節三角波的幅度，Rp4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C3,C4,C5為隔直電容，C6為濾波電容，以濾除諧波分波形量，改善輸出3.4 電路的參數選擇與計算3.4.1方波-三角波部分運放A1與A2用741，因為方波的幅度接近電源電壓+VCC=+12V,-VEE=-12V.比較器A1與積分器A2的元件參數計算如下。由式 （3-8）得 取 ，則R3+RP1=40K，取，RP1為47K的電位器。平衡電阻R1=R2(R3+RP1)=8k，取R1=8.2K由式（3-2-9）得即R4+RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2) 當100Hzf1kH

10、z時， 取C2=0.1uF, 則10KR4+RP2正弦波部分1 差分放大器元件參數確定取RC1=RC2=10 K,RB1=RB2=6.8 K,取I0=1.1mA, 而I0=(RE4/RE3)IREF (3-4-1)IREF=VEE-UBE/(RE4+R)=12-0.7/RE4+R (3-4-2)取RE4=R=20 K,代入(3-4-2)，得IREF=0.28 mA，將IREF=0.28 mA代入(3-4-1)，得RE3=5 K2三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，因為輸出頻率不是很大，取C3=47uF，C4=C5=470uF，濾波電容視輸出的波形而定，若含

11、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。這里取C6=0.1Uf, 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。3.5 總電路圖圖3-7 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。第四章 電路的安裝與調試4.1 靜態調試 整個電路連接完之后，就可以對該電路進行調試和檢測了，以發現和糾正設計方案的不足之處。在進行調試和測試之前，首先要對電路進行檢查。對照原理圖按順序一一檢查，以免產生遺漏。以元件作為中心進行檢查，把

12、每個元器件的引腳依次檢查，看是否有接錯線或者漏接等問題，為了防止出現錯誤，最好對已經檢查好的線路在原理圖上做好標記，倘若線路檢查無誤，則可以對線路進行調試和測試了。 用萬用表適當的檔位對線路進行測試，看線路是否有短路或者斷路等問題，如果出現錯誤，就立即進行改進，修改再進行調試。4.2 動態調試4.2.1 方波三角波發生器的調試 由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環電路，同時輸出方波和正弦波，所以這兩個單元電路可以同時安裝。但是需要注意的是，在安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調整到設計值，否則會導致電路不起振。如果電路接線正確。則在接通電源后，A1輸出為方波，A2輸出為三角波，微調RP

13、1，使三角波的輸出幅度滿足設計指標要求，調節RP2，則輸出頻率連續可變。 4.2.2 三角波種正弦波失真4.3 調試中的注意事項為了保證效果，必須減小測量誤差，提高測量精度。為此，需注意以下幾點： (1)正確使用測量儀器的接地端（2）測量電壓所用儀器的輸入端阻抗必須遠大于被測處的等效阻抗。因為，若測量儀器輸入阻抗小，則在測量時會引起分流給測量結果帶來很大的誤差。（3）儀器的帶寬必須大于被測電路的帶寬。(4）用同一臺測量儀進行測量進，測量點不同，儀器內阻引起的誤差大小將不同。（5）調試過程中，不但要認真觀察和測量，還要記錄。記錄的內容包括實驗條件，觀察的現象，測量的數據，波形和相位關系等。只有有

14、了大量的可靠實驗記錄并與理論結果加以比較，才能發現電路設計上的問題，完善設計方案。（6）調試時出現故障，要認真查找故障原因，切不可一遇故障解決不了的問題就拆掉線路重新安裝。因為重新安裝的線路仍可能存在各種問題。我們應該認真檢查。調試結果是否正確，在很大程度上受測量正確與否和測量精度的影響。4.4 誤差分析1. 方波輸出電壓Vp-p2Vcc，因為運放輸出級是由NPN型或PNP型兩種晶體管組成的復合互補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飽和導通，導通時輸出電阻的影響，使方波輸出幅度小于電源電壓值。2. 方波的上升時間Tr，主要受到運放轉換速度的限制。如果輸出頻率比較高，則可以接入加速器電容C（C一般為幾十皮法）?？梢杂檬静ㄆ鳎ɑ蛘呙}沖示波器）測量Tr。第五章 課程設計總結該設計電路通過先產生方波-三角波，再將三角波變換成正弦波，最終艱難而曲折的把簡易信號發生器設計了出來該設計電路的優點是輸出波形的頻率和幅度都連續可調。缺點是在調節頻率的過程中正弦波的幅度會有所改變，而且波形的穩定度和失真度都會有很大的變化，這也就增加了電路調節的難度，在制成PCB板后才突然醒悟在比較器部分應該接入一個加速電容C,用來加速比較器的翻轉。