模擬電子電路課程設(shè)計(jì)函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、模 擬 電 子 電 路課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)名稱： 函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)姓 名： 學(xué) 號： 班 級： 課程設(shè)計(jì)時(shí)間： 2011.12.15 目 錄一、函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖1、電路設(shè)計(jì)原理框圖2、電路設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)1、課程設(shè)計(jì)的目的2、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求3、課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo) 三、 各部分電路設(shè)計(jì)1、方波發(fā)生電路及工作原理2、方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理： 1）基本電路 2）電路原理3）電路仿真3、三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 1）基本電路2）電路原理3）電路仿真四、實(shí)驗(yàn)總結(jié)五、參考文獻(xiàn)一、函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖1、電路設(shè)計(jì)原理框圖2、 電路設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)函數(shù)發(fā)生器一

2、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。產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(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成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊?。本課題采用先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法。本課題中函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖如下所示：由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路的基本結(jié)構(gòu)是比例放大器，對不同區(qū)段內(nèi)比例系數(shù)的切換，是通過二級管網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。如輸出信號的正半周內(nèi)由d1d3控制切換，負(fù)半周由

3、d4d6控制切換。電阻rb1rb3與ra1ra3分別組成分壓器，控制著各二極管的動(dòng)作電平。二、設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)1、課程設(shè)計(jì)的目的(1)掌握用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成正弦波、方波和三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。(2)學(xué)會(huì)安裝、調(diào)試與仿真由分立器件、調(diào)試與仿真由分立器件與集成電路組成的多級電子電路小系統(tǒng)。2、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求(1)輸出波形：方波、三角波、正弦波。(2)頻率范圍 ：在1 hz10hz，10 hz -100 hz,100 hz -1000 hz等三個(gè)波段。(3)頻率控制方式：通過改變r(jià)c時(shí)間常數(shù)手控信號頻率。(4)輸出電壓：方波u24v，三角波u8v，正弦波u1v。(5)合理的設(shè)計(jì)硬件電路

4、，說明工作原理及設(shè)計(jì)過程，畫出相關(guān)的電路原理圖。(6)選用常用的電器元件（說明電器元件選擇過程和依據(jù)）。(7)畫出設(shè)計(jì)的原理電路圖，作出電路的仿真。(8)提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告書一份，a3圖紙兩張，完成相應(yīng)答辯。3、課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo) 三、 各部分電路設(shè)計(jì)1、方波發(fā)生電路及工作原理假設(shè)t=0時(shí)電容c上的電壓uc=0,而滯回比較器的輸出端為高電平,即uo=+uz.則集成運(yùn)放同相輸入端的電壓為輸出電壓在電阻r1,r2上分壓的結(jié)果,即： u+=r1*uz/(r1+r2)此時(shí)輸出電壓+uz將通過電阻r向電容c充電,使電容兩端的電壓uc升高,而此電容兩端的電壓接到集成運(yùn)放的反向輸入端,即uc=u_.當(dāng)電容上的

5、電壓上升到u-=u+時(shí),滯回比較器的輸出端將發(fā)生跳轉(zhuǎn),由高電平跳變?yōu)榈碗娖?使uo=-uz,于是集成運(yùn)放同相輸入端的電壓也立即變?yōu)閡+=-r1*uz/(r1+r2),然后又重復(fù)剛才過程.如此電容反復(fù)地進(jìn)行充電放電,滯比較器的輸出端將再次發(fā)生跳轉(zhuǎn),于是 產(chǎn)生了正負(fù)交替矩形波.2、 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理： 1）基本電路 2）電路原理工作原理如下：若a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，c1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

6、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。由計(jì)算可以得到以下結(jié)論：1. 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c1改變頻率的范圍，pr2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。2. 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。3） 電路仿真方波-三角波發(fā)生電路的仿真與調(diào)試1.安裝方波三角波產(chǎn)生電路2. 把兩塊741集成塊插入面包板，注意布局；3.

7、分別把各電阻放入適當(dāng)位置，尤其注意電位器的接法；4. 按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。首先我接入了47k的滑動(dòng)變阻器，接入電源后，用示波器進(jìn)行雙蹤觀察；發(fā)現(xiàn)波形正常，但是通過頻率計(jì)的測試，發(fā)現(xiàn)頻率較低，并且可調(diào)范圍較窄，故不能符合要求，因此我嘗試了45k、100k、250k、500k以及其以上的電阻，發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)變阻器太大也不會(huì)有較大變化，因此我選用了后兩種，但是后來調(diào)電容的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)500k的比較適合！同理，電容也經(jīng)過這個(gè)過程，我從0.01uf開始以一定的寬度調(diào)節(jié)，最終發(fā)現(xiàn)，頻率太小或太大都會(huì)導(dǎo)致波形失真，經(jīng)過反復(fù)比較，最終選定了1uf、10nf、100nf這個(gè)范圍最為合適！且波形較好。在調(diào)

8、好頻率之后，想到調(diào)整幅度，通過反復(fù)更換r2、r3、r4發(fā)現(xiàn)沒有顯著的變化，故而改變穩(wěn)壓管以及直流電源，最終使幅度達(dá)到要求！ 第一：我們使用滯回比較器和積分器組合電路，他們互為輸入，故而只需要調(diào)整滑動(dòng)變阻器就可以調(diào)整出相應(yīng)的波形，頻段的調(diào)節(jié)由電容決定，我們要求做三個(gè)頻段的頻率，因此每要求一個(gè)頻段，就選擇相應(yīng)的電容，打下相應(yīng)的開關(guān)，結(jié)果如下表所示。方波發(fā)生器的波形三角波發(fā)生器波形這個(gè)波形是方波和三角波同時(shí)發(fā)生并顯示在同一示波器上，兩個(gè)發(fā)生器是互相互為輸入的故而他們的波也是相互影響的，調(diào)整效果時(shí)，只需調(diào)示波器即可。效果如圖： 方波三角波發(fā)生器波形3、 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 1）基本電路2

9、） 電路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(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)，ut26mv。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rp1

10、調(diào)節(jié)三角波的幅度，rp2調(diào)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻re2用來減小差分放大器的線性區(qū)。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c1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)c1=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。即 取 ，則，取 ，rp1為47k的點(diǎn)位器。區(qū)平衡電阻由式即當(dāng)時(shí)，取，則，取，為100k電位器。當(dāng)時(shí) ，取以實(shí)

11、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c3、c4、c5要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l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(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rp4及電阻r*確定。3） 電路仿真三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真與調(diào)試1.繪制三角波正弦波變換電路在面包板上接入比例放大電路，注意各電阻對應(yīng)和接線；由于此電路來源于現(xiàn)學(xué)課本，因此只要根據(jù)要求的幅度計(jì)算各電阻值即可。2.調(diào)試三角波正弦波變換電

12、路由于計(jì)算值有小數(shù)，故而要對數(shù)值進(jìn)行近似，可能近似的當(dāng)，在電阻方面，沒有太多的調(diào)整。 我們使用的是折線法，因此正弦波會(huì)不很光滑，這也是正常的，因?yàn)檩斎氲娜遣ú⒉皇侨缤l(fā)生器中的波形那么標(biāo)準(zhǔn)，故而會(huì)有些平滑，另一個(gè)原因是我采用的是七點(diǎn)折線計(jì)算，選點(diǎn)不多會(huì)有不少誤差。在選定好相應(yīng)的電容之后，要想調(diào)多大的頻率，只需要調(diào)整滑動(dòng)變阻器就可以了。至于波形美觀性，我們可以調(diào)整示波器的水平比例 與豎直比例，原理就是改變加在示波器中的電壓，從而使相應(yīng)的掃描變寬。如果波形有些失真，可以通過改變相應(yīng)的比例放大器中各電阻的比率，從而改變效果。此波圖是三角波與正弦波同時(shí)在一個(gè)示波器中顯示，即三角波轉(zhuǎn)換成正弦波的效果圖

13、。三角波轉(zhuǎn)換成正弦波圖四、實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過對此課程的設(shè)計(jì)，我不但知道了以前不知道的理論知識，而且也鞏固了以前知道的知識。最重要的是在實(shí)踐中理解了書本上的知識，明白了學(xué)以致用的真諦。也明白老師為什么要求我們做好這個(gè)課程設(shè)計(jì)的原因。他是為了教會(huì)我們?nèi)绾芜\(yùn)用所學(xué)的知識去解決實(shí)際的問題，提高我們的動(dòng)手能力。 這次課程設(shè)計(jì)讓我認(rèn)識到設(shè)計(jì)是讓我們提升動(dòng)手能力的絕好機(jī)會(huì)，這也能讓我們可以把以前學(xué)到的理論知識在實(shí)踐中得到認(rèn)證，我期盼在今后的課程中能得到更多像這樣的機(jī)會(huì)讓同學(xué)們得到鍛煉。同時(shí)通過這次對函數(shù)波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)與制作，讓我更加了解了一些設(shè)計(jì)電路的程序，也讓我了解了關(guān)于函數(shù)波形發(fā)生器的原理與設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)一

14、個(gè)電路時(shí)只有先通過仿真，仿真成功之后再實(shí)際接線使我了解了protel，multisim等軟件及其運(yùn)用，這次設(shè)計(jì)還使我認(rèn)識到，電路設(shè)計(jì)需要耐心，需要一種整體的思維，而且遇到點(diǎn)問題很正常，關(guān)鍵要學(xué)會(huì)分析問題，善于解決問題，很多東西要弄懂弄透，不斷積累經(jīng)驗(yàn)。所以說，坐而言不如立而行，對于這些電路還是應(yīng)該自己動(dòng)手實(shí)際操作才會(huì)有深刻理解。 通過這段時(shí)間不懈的努力與切實(shí)追求，我們小組終于做完了課程設(shè)計(jì)。通過這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了常用元件的識別和測試；熟悉了常用的模擬軟件的使用及調(diào)試； 其次，這次課程設(shè)計(jì)提高了我的團(tuán)隊(duì)合作水平，使我們配合更加默契，體會(huì)了在接好電路后測試出波形的那種喜悅。在實(shí)驗(yàn)過程中，我們也遇到了不少的問題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問題。經(jīng)過反復(fù)選擇、參考和老師、同學(xué)的幫助，把問題一一解決了，那種心情別提有多高興啊。實(shí)驗(yàn)中暴露出我們在理論學(xué)習(xí)中所存在的問題，有些理論知識還處于懵懂狀態(tài)，老師們不厭其煩地為我們調(diào)整波形，講