1、 . . . 課程設計任務書題 目: 函數(shù)發(fā)生器的設計仿真與實現(xiàn)1 初始條件：可選元件：運算放大器，三極管，電阻、電位器、電容若干，直流電源Vcc= +612V， VEE= -6-12V，或自選元器件。可用儀器：示波器，萬用表，直流穩(wěn)壓源，毫伏表等要求完成的主要任務:（1）設計任務根據(jù)要求，完成對方波三角波正弦波發(fā)生器的仿真設計、裝配與調試，鼓勵自制穩(wěn)壓源。（2）設計要求 正弦波Upp3V，幅度連續(xù)可調；三角波Upp5V，幅度連續(xù)可調；方波Upp14V，幅度連續(xù)可調。 頻率圍：三段：10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；頻率控制方式：改變RC時間常數(shù)；正弦波輸出電量：電

2、流； 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設計。 利用Proteus或Multisim仿真設計電路原理圖，確定電路元件參數(shù)、掌握電路工作原理并仿真實現(xiàn)系統(tǒng)功能。 安裝調試并按規(guī)要求格式完成課程設計報告書。 選做：利用仿真軟件的PCB設計功能進行PCB設計。時間安排：1、 前半周，完成仿真設計調試；并制作實物。 2、 后半周，硬件調試，撰寫、提交課程設計報告，進行驗收和答辯。指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日23 / 25目錄摘 要IAbstractII1. Multisim軟件簡介32 方案論證與比較42.1總體設計方案論證與選擇43 系統(tǒng)方案與單元電路53.1 函

3、數(shù)發(fā)生器方案概述53.2 單元電路設計63.2.1.1方波-三角波產生電路6694 元器件的選擇114.1 元器件型號與參數(shù)計算115 完整的電路圖與實物圖166電路仿真與實物波形186.1方波三角波發(fā)生電路的仿真與實物186.2三角波正弦波轉換電路的仿真197電路安裝與調試208 元器件清單229心得體會2310 參考文獻24摘 要函數(shù)發(fā)生器是一種多波形的信號源。它可以產生正弦波、方波、三角波、鋸齒波，甚至任意波形。有的函數(shù)發(fā)生器還具有調制的功能，可以進行調幅、調頻、調相、脈寬調制和VCO控制。函數(shù)發(fā)生器有很寬的頻率圍，使用圍很廣，它是一種不可缺少的通用信號源。可以用于生產測試、儀器維修和實

4、驗室，還廣泛使用在其它科技領域，如醫(yī)學、教育、化學、通訊、地球物理學、工業(yè)控制、軍事和宇航等。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構成各種信號波形發(fā)生器。用集成電路實現(xiàn)的信號波形發(fā)生器與其它信號波形發(fā)生器相比，其波形質量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標，都有了很大的提高。電路形式可以采用由運放與分離元件構成；也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器。根據(jù)用途不同，有產生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，本課題介紹方波、三角波、正弦波函數(shù)發(fā)生器的方法。關鍵詞：方波；三角波；正弦波；鋸齒波；矩形波AbstractFunction generator is a multi-wave signal source.

5、It can produce sine, square, triangle wave, sawtooth, or arbitrary waveform. Some function generator also has a modulation function, can be AM, FM, phase modulation, pulse width modulation and VCO control. Function generator has a wide frequency range, using a wide range, it is an indispensable comm

6、on source. Can be used for production testing, equipment maintenance and laboratory, but also widely used in other technology areas such as medicine, education, chemistry, communications, geophysics, industrial control, military, and aerospace and so on. With the rapid development of integrated circ

7、uits, integrated circuits can be easily used to create various waveform generator. Integrated circuits to achieve the signal waveform generator and other waveform generators compared to the waveform quality, magnitude and frequency stability and other performance indicators, have been greatly improv

8、ed.Circuit form of the function generator can be used by the separation of components, the op amp; also be used monolithic integrated function generator. According to different purposes, there have three or more of the waveform function generator, introduced the subject of a square wave, triangle wa

9、ve, sine wave function generator method.Keywords: square wave; triangle wave; sine wave; sawtooth; rectangular wave1. Multisim軟件簡介 Multisim是美國國家儀器（NI）推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。NI Multisim軟件結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立

10、即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設計流程中提早對電路設計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術的設計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。單元電路、功能電路、單片機硬件電路的構建與相應軟件調試的仿真。系統(tǒng)的組成與仿真：Commsim 是一個理想的通信系統(tǒng)的教學軟件。它很適用于如信號與系統(tǒng)、通信、網絡等課程，難度適合從一般介紹到高級。使學生學的更快并且掌握的更多。Commsim含有200多個通用通信和數(shù)學模塊，包含工業(yè)中的大部分編

11、碼器，調制器，濾波器，信號源，信道等，Commsim 中的模塊和通常通信技術中的很一致，這可以確保你的學生學會當今所有最重要的通信技術。要觀察仿真的結果，你可以有多種選擇：時域，頻域，XY圖，對數(shù)坐標，比特誤碼率，眼圖和功率譜。儀表儀器的原理與制造仿真：可以任意制造出屬于自己的虛擬儀器、儀表，并在計算機仿真環(huán)境和實際環(huán)境中進行使用。PCB的設計與制作：產品級版圖的設計與制作。本次Multisim仿真實現(xiàn)函數(shù)信號發(fā)生器的原理圖繪制，PCB板圖制作，以與電路的仿真。運用運放構成的比較器和積分器實現(xiàn)矩形波和三角波的輸出，再經差分放大產生正余弦波形。2 方案論證與比較2.1總體設計方案論證與選擇1、

12、方案一由RC橋式電路振蕩產生正弦波，再經整形積分產生方波和三角波，原理方框見圖1 圖1 由RC網絡的轉換流程電路圖2、方案二由運算放大電路、電位器等組成的多功能函數(shù)發(fā)生器，精確度高但電路過于復雜。3、方案三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(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)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。本電路可以很好的結合已學的知識與實踐，且輸出波形幅度與頻率均可通過改變元件參數(shù)進行調整，方便且成本較低。 可行性分析在以上三

13、種方案中：方案一：用RC橋式電路與整形積分電路構成的函數(shù)發(fā)生器所產生的信號難控制，不易調試，可調圍小；方案二：電路相對復雜。方案三：產生信號相對簡單。所以最后我選擇第三種方案。3 系統(tǒng)方案與單元電路3.1 函數(shù)發(fā)生器方案概述圖2為函數(shù)發(fā)生器的總體框圖，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(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)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。圖2 函數(shù)發(fā)生器總體框圖3

14、.2 單元電路設計3.2.1.1方波-三角波產生電路 圖3 方波-三角波產生電路3.2.1.2方波三角波產生原理圖3為方波和三角波產生電路。若a點斷開，運算放大器A1與R2、R3、R6組成電壓比較器，運放的反向端接基準電壓，即V-=0，同向輸入端接輸入電壓Via；比較器的輸出Vo1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V+=V-=0時，比較器翻轉，輸出Vo1從高電平+Vcc跳轉到低電平-Vee，或從低電平跳到高電平。設vo1=+Vcc, 式中R3指電位器的調整值，（下同），將上式整理，可知比較器下門限電位當vo1=-Vcc,則比

15、較翻轉器上門限電位運放A2與R4、C與R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1時，則輸出積分器的電壓為當Vo1=+Vcc時當Vo1=-VEE時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2所示。 a點閉合，即比較器與積分器首尾相連,形成閉環(huán)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為 由上分析可知：電位器R4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。方波的輸出幅度應等于電源電壓。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓。電位器R2可實現(xiàn)幅度微調，但會影響波形的頻率。通過調節(jié)R5可以調節(jié)方波占空比圖4 遲滯比較器的傳輸特性圖圖5 方波-三角波波

16、形圖3.2.2.1 三角波-正弦波產生電路 圖6 三角波正弦波產生電路3.2.2.2三角波正弦波產生原理正弦波的變換主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高、抗干擾能力強等優(yōu)點。特別是做直流放大器時，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的非線性。其非線性與變換原理如圖6。圖7三角波-正弦波波形差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)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

17、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(qū)越窄越好； （2）三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。下圖為實現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中R17調節(jié)三角波的幅度，R16調節(jié)正弦波的幅度，Rp2調整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻Rp2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C5,C6,C7為隔直電容。4 元器件的選擇4.1 元器件型號與參數(shù)計算采用圖2和圖3所示的電路，其中運放A1與A2各用一只運放UA741，差分放大

18、器中T1與T2使用8050，恒流源中的T3與T4使用較大的8050。UA741簡介：1和5為偏置(調零端)，2為正向輸入端，3為反向輸入端，4接地，6為輸出，7接電源 8空腳8050三極管簡介：最大集存器電流(A):0.5 A，直流電增益:10 到 60，功耗:625 mW，最大集存器發(fā)射電（VCEO）:25，極性:NPN。比較器A1與積分器A2的元件參數(shù)計算如下：由因此取R2=10k,則R3+R6=30 k，取R6=10k, R3為100 k的電位器。取平衡電阻R1=R2/（R3+R6）10 k。因為當10Hzf100Hz時，取C=1F，則R4=（757.5）k，取R4為100 k電位器。當

19、 100Hzf1000Hz，取C2=0.1F以實現(xiàn)頻率波段的轉換，R4的值不變。當1000Hzf10000Hz時，取C2=0.01F。取平衡電阻R9=10 k。三角波正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C5、C6、C7要取得大，因為輸出頻率較低，取C5=C6=C7=470F，選取RP2=100為平衡電阻，以減少差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調整RP2確定。5 完整的電路圖與實物圖圖8 總電路圖主要工作原理：該電路為方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器電路，利用遲滯比較器（施密特觸發(fā)器）產生方波，后方波經積分器產生三角波，然后利用差分放大電路的電壓傳輸特性，將三角波

20、轉變?yōu)檎也āＴ撾娐吠ㄟ^電位器實現(xiàn)幅值可調，頻率可調，通過調節(jié)R5可以調節(jié)方波占空比，也可以把三角波轉換成斜率可調的鋸齒波，滿足設計要求。 圖9 實物圖6電路仿真與實物波形6.1方波三角波發(fā)生電路的仿真與實物方波：圖10三角波：圖116.2三角波正弦波轉換電路的仿真正弦波：圖126.3占空比可調矩形波：圖13斜率可調鋸齒：圖147電路安裝與調試方波-三角-正弦波函數(shù)發(fā)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進行分級裝調與級聯(lián)。（1）方波三角波發(fā)生器的裝調由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)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

21、是，安裝電位器R3與R4之前，要先將其調整到設計值，如設計舉例題中，應先使R3=20K，R4取（2.570）k的任一阻值,否則電路可能會不起振.只要電路接線正確,上電后,U01的輸出為方波,U02的輸出為三角波,微調R17,使三角波的輸出幅度滿足設計指標要求,調節(jié)R4,則輸出頻率在對應波段連續(xù)可變.（2）三角波正弦波變換電路的裝調按照圖7所示電路，裝調三角波-正弦波變換電路，其中差分放大器可利用設計完成的電路。電路的調試步驟如下：1）經電容C6輸入差模信號電壓uid=500mV，fi=100Hz的正弦波。調節(jié)RP2，使傳輸特性曲線對稱。再逐漸增大uid，直到傳輸特曲線形狀如圖6所示，記下此時對

22、應的uid，即uidm值。移去信號源，再將C6左端接地，測量差分放大器的靜態(tài)工作點I0、Uc1、Uc2、Uc3、Uc4。2）將RP1與C6連接，調節(jié)RP1使三角波的輸出幅度經RP1后輸出等于uidm值，這時U03的輸出波形應接近正弦波，調整C8大小可以改善輸出波形。如果U03的波形出現(xiàn)如圖15所示的幾種正弦波失真，則應調整和修改電路參數(shù)，產生失真的原因與采取的相應措施有：鐘形失真如圖15（a）所示，傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬，應減小RP5。半波圓頂或平頂失真 如圖15（b）如示，傳輸特性曲線對稱性差，工作點Q偏上或偏下，應調整電阻RP2。非線性失真 如圖圖15（c）所示，三角波的線性度較差引起的

23、非線性失真，主要受運放性能的影響。可在輸出端加濾波網絡（如C8=0.1mF）改善輸出波形。3）性能指標測量與誤差分析1、方波輸出電壓UP-P2Vcc是因為運放輸出級由NPN型與PNP型兩種晶體管組成復補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飽和導通，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tr，主要受運算放大器轉換速率的限制。如果輸出頻率較高，可接入加速電容C，一般取C為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測量tr。圖15 幾種波形失真情況8 元器件清單序號名稱型號數(shù)量備注1電阻10K62電阻5.1K13電阻10K24電阻2K25電阻8.2K16電阻10017電位器10

24、018電位器50K19電位器100K510電容0.01µf1瓷片電容11電容0.1µf1瓷片電容12電容1µf1貼片電容13電容470µf2電解電容14開關1單刀雙擲開關15運算放大器µa7412雙運放9心得體會 本次課程設計是建立在集成運放的基礎上，對課本中已學的信號發(fā)生電路的一個綜合拓展，加強了我們對課本上的知識的思考與鍛煉動手實踐能力。在將近一個星期的資料收集過程中，我首先弄懂了函數(shù)發(fā)生器的工作原理，接著開始著手其設計方案，在網上以與參考書上了解到了幾種可用于產生波形的電路以與用單片機設計函數(shù)發(fā)生器的方法，經過分析各自的優(yōu)劣并結合自己現(xiàn)有的知識水平，我選擇了上述設計方案。接著便開始根據(jù)課程設計的具體要求對電路進行修改，并通過計算對各元件進行參數(shù)設置。這之中的過程都涉與一些小問題，但這也說明了平時課本上知識應當學扎實，這樣才不至于在實際應用的時