函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計

1、工學(xué)08-I電子技術(shù)課程設(shè)計報告函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計 專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 推薦精選目錄1 設(shè)計任務(wù)要求12 方案比較13. 單元電路設(shè)計24. 元件選擇65. 整體電路76. 總結(jié)與體會87. 參考文獻(xiàn) 9推薦精選1 設(shè)計任務(wù)要求1.設(shè)計一個函數(shù)發(fā)生器，可產(chǎn)生方波，三角波，正弦波信號。2.頻率與幅度可以調(diào)節(jié)。3.方波占空比可以調(diào)節(jié)。2 方案比較2.1 第一種方案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(qiáng)等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，

2、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。能實現(xiàn)頻率可調(diào)的指標(biāo)要求，且能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的幅度調(diào)節(jié)。如圖一所示：圖1 函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖2.2 第二種方案采用DDS作為信號發(fā)生核心器件的全數(shù)控函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計方案，選用了AD9850芯片，并通過單片機(jī)程序控制和處理AD9850的32位頻率控制字，再經(jīng)放大后加至以數(shù)字電位器為核心的數(shù)字衰減網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)了信號幅度、頻率、類型以及輸出等選項的全數(shù)字控制。2.3 第三種方案首先由555定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波，然后由積分電路將方波轉(zhuǎn)化為三角波，最后用低通濾波器將方波轉(zhuǎn)化

3、為正弦波，但這樣的輸出將造成負(fù)載的輸出正弦波波形變形，因為負(fù)載的變動將拉動波形的崎變。推薦精選如圖二所示：圖2 方波、三角波、正弦波信號發(fā)生器的原理框圖2.4 函數(shù)發(fā)生器方案選擇方案一，關(guān)于三角波的缺陷，不是能很好的處理，且波形質(zhì)量不太理想，且頻率調(diào)節(jié)不如方案三簡單方便；方案二，知識所限，復(fù)雜；方案三的電路結(jié)構(gòu)、思路簡單，運行時性能穩(wěn)定且能較好的符合設(shè)計要求，且成本低廉、調(diào)整方便，關(guān)于輸出正弦波波形的變形，可以通過可變電阻的調(diào)節(jié)來調(diào)整。綜上所述，我們選擇方案三。3. 單元電路設(shè)計3.1 由555定時器產(chǎn)生方波當(dāng)電容C1被充電時，2和6引腳的電壓都上升，此時二極管D1導(dǎo)通，接通+12V電源后，電

4、容C1被充電，Vc上升，當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時，觸發(fā)器被復(fù)位，同時放電BJT T導(dǎo)通，此時輸出電平Vo為低電平，電容C1通過R2和T放電，使Vc下降。當(dāng)Vc下降到Vcc/3時，觸發(fā)器又被置位，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C1經(jīng)R2，R3，他們此時所分的總阻值為R1向電容C1放電，當(dāng)C1放電結(jié)束時，T截止，Vcc將通過R1、R2所分得的阻值為R3向電容器C2充電，當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到了一個周期性的方波，穩(wěn)態(tài)時555電路輸入端處于電源電平，內(nèi)部放電開關(guān)管T導(dǎo)通，輸出端Vo輸出低電平，當(dāng)有一個外部負(fù)脈沖觸發(fā)信號加到Vi端。并使2端電位瞬時低于1/

5、3Vcc，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個穩(wěn)態(tài)過程，電容C開始充電，Vc按指數(shù)規(guī)律增長。當(dāng)Vc充電到2/3Vcc時，高電平比較器動作，比較器A1翻轉(zhuǎn)，輸出Vo從高電平返回低電平，放電開關(guān)管T重新導(dǎo)通，電容C上的電荷很快經(jīng)放電開關(guān)管放電，暫態(tài)結(jié)束，恢復(fù)穩(wěn)定，為下個觸發(fā)脈沖的來到作好準(zhǔn)備。推薦精選波形圖見圖4。圖3 方波產(chǎn)生電路推薦精選圖4 電路的電壓波形圖3.2方波-三角波轉(zhuǎn)換圖5 三角波的產(chǎn)生電路 當(dāng)741很大時，運放兩輸入端為"虛地"，忽略流入放大器的電流，令輸入電壓為Vi輸出為Vo，流過電容C的電流為i1則有即輸出電壓與輸入電壓成積分關(guān)系。當(dāng) 為固定值時 。上式表

6、明 輸出電壓按一定比例隨時間作直線上升或下降。當(dāng)為矩形波時，便成為三角波。3.3三角波-正弦波轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為：Ic=I/1+exp(-Uid/UT) 推薦精選I是差分放大器的恒定電流； UT是溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25攝氏度時，UT26mV。如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為Uid(t)=4*Um*(t-T/4)/T(0<=t<=T/2)Uid(t)=-4*Um*(t-3*T/4)/T (T/2<=t<=T) 式中 Um是三角波的幅度；T是三角波的周期。為使輸出波形更接近正弦波，有三個條件：（1）傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好； （2）

7、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)； （3）圖為實現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中R5調(diào)節(jié)三角波的幅度，R9調(diào)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻R10用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C5為隔直電容，C8為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。隔直電容C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取c5=500微法，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，c6,c7 可取得較小，一般為幾十皮法至0.01微法。R9=100歐與R10=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。推薦精選圖6 正弦波的產(chǎn)生電路4. 元件選擇本電路采用555定時器，555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器

8、件。一般用雙極型（TTL）工藝制作的稱為 555，用 互補金屬氧化物（CMOS ）工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應(yīng)的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅(qū)動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。它不僅用于信號的產(chǎn)生和變換，還常用于控制和檢測電路中。555定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。555定時器引腳功能：1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。2腳：低觸發(fā)

9、端TR。3腳：輸出端Vo。4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。6腳：高觸發(fā)端TH。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。555定時器的內(nèi)部電路由分壓器、電壓比較器C1和C2、由兩個與非門G1和G2組成的基本RS觸發(fā)器（低電平

10、觸發(fā)）、放電三極管T以及輸出反相緩沖器G3組成。555定時器的內(nèi)部電路框圖及邏輯符號和管腳排列分別如圖7所示。推薦精選圖7 555定時器邏輯符號和管腳排列5. 整體電路5.1 總電路圖圖8 總電路圖推薦精選5.2 電路仿真圖9 方波的仿真圖圖10 三角波仿真波形圖推薦精選圖11 正弦波仿真波形6. 總結(jié)與體會為期兩個星期的課程設(shè)計已經(jīng)結(jié)束，在這兩星期的學(xué)習(xí)、設(shè)計過程中我感觸頗深。使我對抽象的理論有了具體的認(rèn)識。通過對函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，我掌握了常用元件的識別和測試；熟悉了常用的儀器儀表；通過對函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，我們還深刻認(rèn)識到了“理論聯(lián)系實際”的這句話的重要性與真實性。而且通過對此課程的

11、設(shè)計，我們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課程設(shè)計的原因。他是為了教會我們?nèi)绾芜\用所學(xué)的知識去解決實際的問題，提高我們的動手能力。在整個設(shè)計到電路的焊接以及調(diào)試過程中，我們感覺調(diào)試部分是最難的，因為你理論計算的值在實際當(dāng)中并不一定是最佳參數(shù)，我們必須通過觀察效果來改變參數(shù)的數(shù)值以期達(dá)到最好。而參數(shù)的調(diào)試是一個經(jīng)驗的積累過程，沒有經(jīng)驗是不可能在短時間內(nèi)將其完成的，而這個可能也是老師要求我們加以提高的一個重要方面吧！在實驗過程中，我們遇到了不少的問題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問題。在老師和同學(xué)的幫助下，把問題一一解決，那種心情別提有多高興啦。實驗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，講解知識點。最后用一句話來結(jié)束吧：推薦精選“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”。7. 參考文獻(xiàn) 1 王傳昌，高分子化