1、第1章緒論1.1簡介在人們認識自然、改造自然的過程中，經常需要對各種各樣的電子信號進行測量，因而如何根據被測量電子信號的不同特征和測量要求，靈活、快速的選用不同特征的信號源成了現代測量技術值得深入研究的課題。信號源主要給被測電路提供所需要的已知信號（各種波形），然后用其它儀表測量感興趣的參數。可見信號源在各種實驗應用和實驗測試處理中，它不是測量儀器，而是根據使用者的要求，作為激勵源，仿真各種測試信號，提供給被測電路，以滿足測量或各種實際需要。波形發生器就是信號源的一種，能夠給被測電路提供所需要的波形。傳統的波形發生器多采用模擬電子技術，由分立元件或模擬集成電路構成，其電路結構復雜，不能根據實際

2、需要靈活擴展。隨著微電子技術的發展，運用單片機技術，通過巧妙的軟件設計和簡易的硬件電路，產生數字式的正弦波、方波、三角波、鋸齒等幅值可調的信號。與現有各類型波形發生器比較而言，產生的數字信號干擾小，輸出穩定，可靠性高，特別是操作簡單方便。根據用途不同，有產生三種或多種波形的波形發生器，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8038）。信號發生器又稱信號源或振蕩器，在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。各種波形曲線均可以用三角函數方程式來表示。能夠產生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數信號

3、發生器。它用于產生被測電路所需特定參數的電測試信號。在測試、研究或調整電子電路及設備時，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應、噪聲系數，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術條件的電信號，以模擬在實際工作中使用的待測設備的激勵信號。當要求進行系統的穩態特性測量時，需使用振幅、頻率已知的正弦信號源。當測試系統的瞬態特性時，又需使用前沿時間、脈沖寬度和重復周期已知的矩形脈沖源。并且要求信號源輸出信號的參數，如頻率、波形、輸出電壓或功率等，能在一定范圍內進行精確調整，有很好的穩定性，有輸出指示。信號源可以根據輸出波形的不同，劃分為正弦波信號發生器、矩形脈沖信號發生器、函數信號發生器和隨機信號發生器

4、等四大類。正弦信號是使用最廣泛的測試信號。現在,我們通過對函數信號發生器的原理以及構成設計一個能變換出正弦波、方波、三角波的簡易發生器。眾所周知，制作函數發生器的電路有很多種。本次設計先通過RC正弦波振蕩電路產生正弦波，這是一種頻率可調的移相式正弦波發生器電路，具頻率穩定一般為實驗所確定，然后可以通過改變電容值來改變再通過電壓比較器產生方波，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。它的制作成本不高，路簡單，使用方便，有效的節省了人力，物力資源。信號發生器是電子測量領域中最基本、應用最廣泛的一類電子儀器。該函數發生器要求能輸出頻率范圍可調的正弦波、方波和三角波，能夠很好的實

5、現本次試驗的目的，將一些線性和非線性的元件與集成運放組合，輸出性能良好的波形.由正弦波、方波或三角波的發生器產生相應的信號，通過相互轉換實現多種波形的輸出。正弦波可以由RC正弦波振蕩電路產生，之后通過過零比較器可產生方波，再積分可得三角波。通過調節RC振蕩電路中的振蕩電阻來實現頻率可調。通過調節比例運算電路的反饋電阻來實現幅度可調，最終做成要求的函數發生器。1.2設計目的1 .掌握電子系統的一般設計方法2,掌握模擬IC器件的應用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1.3設計任務方波一三角波一正弦波函數發生器輸出波形

6、頻率范圍為10Hz10kHz且連續可調;正弦波幅值為土2V;方波幅值為2V;三角波峰-峰值為2V。第2章實驗方案的設計2.1 原理框圖2.2 正弦波發生電路的工作原理一、產生正弦振蕩的條件：正弦波產生電路的目的就是使電路產生一定頻率和幅度的正弦波，我們一般在放大電路中引入正反饋，并創造條件，使其產生穩定可靠的振蕩。正弦波產生電路的基本結構是：引入正反饋的反饋網絡和放大電路。其中：接入正反饋是產生振蕩的首要條件，它又被稱為相位條件；產生振蕩必須滿足幅度條件；要保證輸出波形為單一頻率的正弦波，必須具有選頻特性；同時它還應具有穩幅特性。因此，正弦波產生電路一般包括：放大電路；反饋網絡；選頻網絡；穩幅

7、電路個部分。、正弦波振蕩電路的組成判斷及分類:(1) 放大電路：保證電路能夠有從起振到動態平衡的過程，電路獲得一定幅值的輸出值，實現自由控制。(2) 選頻網絡：確定電路的振蕩頻率，是電路產生單一頻率的振蕩，即保證電路產生正弦波振蕩。(3) 正反饋網絡：引入正反饋，使放大電路的輸入信號等于其反饋信號。穩幅環節：也就是非線性環節，作用是輸出信號幅值穩定。、判斷電路是否振蕩的方法:(1) 是否滿足相位條件，即電路是否正反饋，只有滿足相位條件才可產生振蕩(2) 放大電路的結構是否合理，有無放大能力，靜態工作是否合適；(3) 是否滿足幅度條件。四、正弦波振蕩電路檢驗:M同"則不可能振蕩；12f

8、f»1(2) 振蕩，但輸出波形明顯失真；(3) *>1產生振蕩。振蕩穩定后加=1o此種情況起振容易，振蕩穩定，輸出波形的失真小。五、RC正弦波振蕩電路:常見的RC正弦波振蕩電路是RC串并聯式正弦波振蕩電路，它又被稱為文氏橋正弦波振蕩電路。用并聯網絡在此作為選頻和反饋網絡。1wwoRC橋式正弦波振蕩電路的構成如圖所示。當RC時，RC選頻網絡的相移為零，這樣RC串并聯選頻網絡送到運算放大器同向輸入端的信號電壓Vi與輸出電壓Vo同相，所以RC反饋網絡形成正反饋，滿足相位平衡條件。為使在震蕩建jp、1立期間信號做增幅震蕩，應選擇R1和R2可使Af>3,保證''。因

9、此它的起振條件為：%；它的振蕩頻率為：“2慮C。它主要用于低頻振蕩。要想產生更高頻率的正弦信號，一般采用LC正弦波振蕩電路。它的振蕩頻率為："2后同0止匕外，石英振蕩器的特點是其振蕩頻率特別穩定，它常用于振蕩頻率高度穩定的的場合。RC文氏橋振蕩電路的穩幅作用是靠兩個并聯的二極管組成的，當輸出信號較小時，二極管工作電流小，動態電阻大，電路的增益較大，引起增幅震蕩過程。當輸出幅度達到一定程度，二極管工作電流大，動態電阻小，電路的增益下降，電路的輸出電壓幅值將不再上升，從而使輸出電壓穩定，以此來達到穩幅的目的。2.3 正弦波變換成方波的工作原理一、電壓比較器的功能：電壓比較器是用來比較兩個

10、電壓大小的電路，它的輸入信號是模擬電壓，輸出信號一般是只有高電平和低電平兩個穩定狀態的電壓。利用電壓比較器可將各周期性信號轉換成矩形波。、過零比較器:參考電壓為零的比較器稱為過零比較器。按輸入方式的不同可分為反相輸入和同相輸入兩種過零比較器，通常用閾值電壓和傳輸特性來描述比較器的工作特性。閾值電壓（又稱門檻電平）是使比較器輸出電壓發生跳變時的輸入電壓值，簡稱為閾值，用符號UTHg示。圖2-3過零比較器本電路中該電路的作用是將正弦信號轉變成方波信號，其傳輸特性曲線如下圖所示:2.4 方波變換成三角波的工作原理方波經過積分器就變成了三角波。但是此電路要求前后電路的時間常數配合好，不能讓積分器飽和圖

11、2-4積分電路原理1cVo-Vi為積分關系，負號表示輸入和輸出信號相位相反。當Vi為定值時，電容將恒流充電，輸出電壓為：(2-1)當積分器輸入信號為方波時，其輸出信號為三角波，電路波形圖如下:圖2-5三角波發生器工作波形圖2-6積分電路仿真圖2.5 正負12V直流穩壓電源的設計直流穩壓電源是一種將220V工頻交流電轉換成穩壓輸出的直流電壓的裝置，它需要經過變壓、整流、濾波、穩壓四個環節才能完成。、設計原理:直流穩壓電源一般由電源變壓器T、整流濾波電路及穩壓電路所組成，基本框圖如圖所示：圖2-7直流穩壓電源設計框圖及波形、各部分作用:1、電源變壓器T:作用是將電網220V的交流電壓變換成整流濾波

12、電路所需要的交流電壓Ui。2、整流電路：整流電路將交流電壓Ui變換成脈動的直流電壓。再經濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓U1。3、濾波電路：經整流后的直流輸出電壓脈動性很大，不能直接使用，為減少其交流成分，常在整流電路后接濾波電路。濾波電路的主要任務是將整流后的單向脈動直流電壓中的紋波濾除掉，使其輸出平滑的直流電壓，這里我們采用接入濾波電容來組成濾波電路。4、穩壓電路：常用的穩壓電路有兩種形式：一是穩壓管穩壓電路，二是串聯型穩壓電路。二者的工作原理有所不同。穩壓管穩壓電路其工作原理是利用穩壓管兩端的電壓稍有變化，會引起其電流有較大變化這一特點，通過調節與穩壓管串聯的限流電阻上

13、的壓降來達到穩定輸出電壓的目的。三、具體電路設計：在整流電路中我們采用全波整流橋，該電路的整流效果和輸出電壓波形為單項半波整流的兩倍，在穩壓電路中采用CW7812f口CW7912!號的這兩個集成穩壓器芯片組成的具有同時輸出固定的+12V、-12V電壓的穩壓電路。該電路對稱性好，溫度特性也近似一致。圖2-8直流穩壓電源電路圖四、穩壓電源的性能指標及測試方法：穩壓電源的技術指標分為兩種：一種是特性指標，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調節范圍等；另一種是質量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩定程度，包括穩壓系數（或電壓調整率）、輸出電阻（或電流調整率）、紋波電壓（紋波系數）及溫度系數。第

14、3章仿真電路及運行結果3.1 Multisim簡介Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具,適用于板級的模擬/數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。multisim10概述：1 .通過直觀的電路圖捕捉環境，輕松設計電路。2 .通過交互式SPICE仿真，迅速了解電路行為。3 .借助高級電路分析，理解基本設計特征。4 .通過一個工具鏈，無縫地集成電路設計和虛擬測試。5 .通過改進、整合設計流程，減少建模錯誤并縮短上市時間。3.2 總波形發生電路圖3-1正弦波一方波一三角波函數發生器該電路分為

15、三部分，第一部分為RC橋式正弦振蕩電路，其功能是利用RC1蕩產生特定頻率的正弦波；第二部分為過零電壓比較器電路，其功能為將正弦波轉成方波；第三部分為積分電路，其功能為利用積分電路將方波轉成三角波；止匕外，在積分電路之前設置一個電壓跟隨器，起到隔離作用，使過零電壓比較器電路與積分電路不相互影響。確定電路元器件參數：穩壓管的作用是限制和確定方波的幅度，因此方波正負半周的對稱性與穩壓管性能有關。因此選用穩壓管時，要選擇性能好一些的兩個管性能對稱的穩壓管，最好選用雙向穩壓管；R3是穩壓管的限流電阻，阻值根據穩壓管的電路確定；Rp1和Rp2給比較器提供門限電平，他們可以決定三角波的幅值.因此Rp1和R2

16、的值應根據三角波的幅值決定。一般為了使三角波的幅值可調，常用電位器作為Rp1、Rp2和電容C的值決定三角波的頻率fo一般是Rp1和R2的值確定后，可以先確定電容C的值，然后由f。=R2/(4Rp2Rp1C來確定R4的值.Rp2若采用電位器，則三角波頻率可調。為了減小積分漂移，電容C的值盡量取大些，但是C值越大漏電也越大，因此一股C不超過1uF;集成運放的選擇用于比較器的運放要求速度應該高些。通過改變反饋網絡中的變阻RP3的阻值可以改變正弦波的輸出波形的幅值；之后方波的輸出波形也隨之確定；通過改變變阻RP4的阻值可以改變三角波的輸出波形的幅值。3.3 正弦波仿真在變阻RP1RP2百分比分別為50

17、%RP3百分比為25%示波器輸出的波形如下圖所示。圖3-2正弦波仿真視圖由圖可知T1的時間為1.315s,通道A為-1.660V。T2的時間為1.338s,通道A為1.658V。由此可知仿真出的正弦波的幅值為：1.660V;峰-峰值為：3.318V;周期為46.154ms。3.4 方波仿真圖3-3方波仿真視圖由圖可知T1的時間為736.976ms,通道A為-6.834V。T2的時間為760.908ms,通道A為6.812V。由此可知仿真出的正弦波的幅值為：6.812V;峰-峰值為：13.646V;周期為47.864ms。3.5 三角波仿真圖3-4三角波仿真視圖由圖知T1的時間為5.516s,通

18、道A為-2.554V。T2的時間為5.180s,通道A為2.513V。由此知仿真出的正弦波的幅值約為：2.554V;峰-峰值為：5.067V;周期為24.786ms。結論經過幾天的制作我的課題一一方波一三角波一正弦波函數發生器已經做了出來，一開始感覺這樣的東西挺簡單的，只要找到資料就會很容易的制作出來，但當我真正的操作起來才發現還有好多的問題。如波形的轉換，方波轉換成三角波，最后再轉換成正弦波，弄了很長時間才弄明白。這次的課題設計還讓我體會到了理論與實際相結合的重要性，如果你只注重理論學習而不去鍛煉自己的實踐經驗，是永遠不能把事情做好的，從理論中得出結論，用實踐鍛煉自己，這才是重要的。同時這次的設計讓我也學到了一些書本上沒有的知識，提升了我獨立思考能力。還有就是讓我熟練的對Multisim仿真軟件的運用，總之這次設計讓我深刻地學會了許多東西，也溫習了許多以前的知識。致謝本課題設計是我在柏蓬明、盛桂芬老師的悉心關心和精心指導下完成的。在此,我要感謝我的指導老師，在他們循循善誘的教導和不拘一格的教學思路給了我無盡的啟迪，他們高度的敬業精神對我也產生了重要影響。在您的細心指導和幫助下我才能夠很快的選擇好課題完成這篇設計。感謝我的每一位親人，是你們的支持使我在學校的