方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器設(shè)計

1、信息工程學(xué)院課程設(shè)計（論文）湖北民族學(xué)院 課程設(shè)計報告 課程設(shè)計題目課 程： 電子線路課程設(shè)計 專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2014年 6 月 20 日信息工程學(xué)院課程設(shè)計（論文）信息工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書 設(shè)計題目方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器設(shè)計設(shè)計技術(shù)參數(shù)1、設(shè)計并調(diào)試函數(shù)發(fā)生器；2、輸出波形：方波、三角波、正弦波；3、頻率可調(diào)；4、輸出電壓：方波UP-P24V，三角波UP-P=8V,正弦波UP-P1V。設(shè)計要求設(shè)計方波三角波正弦波函數(shù)信號發(fā)生器參考資料電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）電子線路設(shè)計·實驗·測試（第三版）電子系統(tǒng)設(shè)計教程（第二版）

2、電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計模擬電子技術(shù)模擬電路及其應(yīng)用 2014年 6月 20日 信息工程學(xué)院課程設(shè)計成績評定表學(xué)生姓名： 學(xué)號： 專業(yè)（班級）： 課程設(shè)計題目： 方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器設(shè)計 成績： 指導(dǎo)教師： 年 月 日摘 要函數(shù)信號發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生多種波形，如方波、三角波、正弦波的電路。函數(shù)發(fā)生器在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。通過對函數(shù)波形發(fā)生器的原理以及構(gòu)成分析，可設(shè)計一個能變換出方波、三角波、正弦波、方波的函數(shù)波形發(fā)生器。該系統(tǒng)通過介紹一種電路的連接，實現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器的基本功能。將其接入電源，并通過在示波器上觀察波形及數(shù)據(jù)，得到結(jié)果。其中電壓比較器實現(xiàn)方波的輸出，又連

3、接積分器得到三角波，并通過三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路看到正弦波，得到想要的信號。該系統(tǒng)利用了Protues電路仿真軟件進行電路圖的繪制以及仿真。Protues軟件結(jié)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(shè)計和驗證。憑借Protues，可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并讓設(shè)計者實現(xiàn)相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。本課題采用集成芯片ICL8038制作方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法，經(jīng)過protues仿真得出了方波、三角波、正弦波、方波-正弦波轉(zhuǎn)換及三角波-正弦波轉(zhuǎn)換的波形圖。關(guān)鍵詞：電源，波形，比較器，積分器，轉(zhuǎn)換電路，低通濾波，Protues14目 錄1引言51.1課程設(shè)計任

4、務(wù)51.2課程設(shè)計的目的5 1.3課程設(shè)計要求52 任務(wù)提出與方案論證62.1函數(shù)發(fā)生器的概述62.2方案論證  63 總體設(shè)計83.1總電路圖83.2 電路仿真與調(diào)試技術(shù)94 詳細設(shè)計及仿真10 4.1 方波發(fā)生電路的工作原理與運放741工作原理10 4.2方波三角波產(chǎn)生電路的工作原理10 4.3三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理11 4.4整體仿真效果圖135 總結(jié)14參考文獻151引言現(xiàn)在世界中電子技術(shù)和電子產(chǎn)品的應(yīng)用越加廣泛，人們對電子技術(shù)的要求也越來越高。因此如何根據(jù)實際要求設(shè)計出簡便實用的電子技術(shù)物品便顯得尤為重要。因此在存在著無數(shù)的信號的大千世界里，如何根據(jù)被測量

5、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(xiàn)代測量技術(shù)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(shù)?？梢娦盘栐丛诟鞣N實驗應(yīng)用和實驗測試處理中，它不是測量儀器，而是根據(jù)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(fā)生器作為一種常用的信號源，是現(xiàn)代測試領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的通用儀器之一。在研制、生產(chǎn)、測試和維修各種電子元件、部件以及整體設(shè)備時，都應(yīng)要有信號源，由它產(chǎn)生不同頻率不同波形的電壓、電流信號并加到被測器件或設(shè)備上，用其他儀器觀察、測量被測儀器的輸出響應(yīng)，以分析確定

6、它的性能參數(shù)。信號發(fā)生器是電子測試領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用最廣泛的一類電子儀器，它能夠給被測電路提供所需要的波形。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能根據(jù)實際需要靈活擴展。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，運用單片機技術(shù)，通過巧妙的軟件設(shè)計和簡易的硬件電路，產(chǎn)生數(shù)字式的正弦波、方波、三角波、鋸齒等幅值可調(diào)的信號。與現(xiàn)有各類型波形發(fā)生器比較而言，產(chǎn)生的數(shù)字信號干擾小，輸出穩(wěn)定，可靠性高，特別是操作簡單方便。本文所設(shè)計的波形發(fā)生器就是信號源的一種，采用集成運算放大器、電阻和電容組成簡單的電路，實現(xiàn)波形的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換。1.1課程設(shè)計任務(wù) 設(shè)計方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器1

7、.2 課程設(shè)計的目的 1. 通過課程設(shè)計，使學(xué)生鞏固和加強對電子技術(shù)電路基本知識的理解，學(xué)會查詢資料、方案設(shè)計，方案比較，以及單元電路設(shè)計計算等環(huán)節(jié)，進一步提高分析解決實際問題的能力。2. 獨立開展電路實驗，鍛煉分析解決電子電路問題的實際本領(lǐng)，真正實現(xiàn)由知識向智能的轉(zhuǎn)化，通過此綜合訓(xùn)練，為以后畢業(yè)設(shè)計打下一定的基礎(chǔ)。3. 掌握常用元器件的識別和測試熟悉常用儀器，了解調(diào)試的基本方法，培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識來指導(dǎo)實踐的能力。4. 掌握電子系統(tǒng)設(shè)計方法，善于總結(jié)和思考，獨立完成設(shè)計方波三角波正弦波函數(shù)信號發(fā)生器的任務(wù)。1.3課程設(shè)計要求（1） 輸出的各種波形工作頻率范圍0.02Hz20KHz連續(xù)可調(diào)。

8、（2） 正弦波幅值10v或-10v,失真度小于1.5%。（3） 方波幅值為10v、-10v。（4） 三角波峰-峰值20v；各種輸出波形均連續(xù)可調(diào)。 2 任務(wù)提出與方案論證2.1函數(shù)發(fā)生器的概述函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(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。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調(diào)試技術(shù)，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(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法。 產(chǎn)生正弦波

9、、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

10、曲線的非線性。2.2方案論證  函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(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。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)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(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運算放大器與二階低通濾波器共同組成的方波三角波正弦波的設(shè)計方法。弦波、方波、三角波的方案有很多種，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者將方波變成正弦波等等。方案一：首先由555定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波，然

11、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)化為正弦波，但這樣的輸出將造成負載的輸出正弦波波形變形，因為負載的變動將拉動波形的崎變。原理框圖如圖1-1所示。 圖1-1 方波、三角波、正弦波、信號發(fā)生器的原理框圖方案二：電壓比較器、積分電路以及差分放大器共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法，電路框圖如下。先通過電壓比較器產(chǎn)生方波，再通過積分電路形成三角波，最后通過查分放大電路產(chǎn)生正弦波。此電路具有良好的正弦波和方波信號。但經(jīng)過積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號，存在難度。原因是積分器電路的積分時間常數(shù)是不變的，而隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時改變。若要保持

12、三角波幅度不變，需同時改變積分時間常數(shù)的大小。原理框圖如圖1-2所示。 圖1-2 方波、三角波、正弦波信號發(fā)生器的原理框圖由于函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(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。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件(如低頻信號函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調(diào)試技術(shù)，本系統(tǒng)未采用單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038。 方案一的電路結(jié)構(gòu)、思路簡單，但用低通濾波器將方波轉(zhuǎn)化為正弦波時，其輸出因為負載的變動將拉動波形的崎變將造成負載的輸出正弦波波形變形

13、；而方案二，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。綜上所述，我們選擇方案二。3 總體設(shè)計3.1總電路圖采用圖中所示電路，其中運放A1與A2用一只雙運放uA747，差分放大器采用晶體管單端輸入單端輸出差分放大器，因為方波的幅度接近電源電壓，所以取電源電壓+Vcc=+12V，-Vee=-12V。比較器A1與積分器A2的元器件參數(shù)計算如下：由得取R2=10K歐姆，取R3=20K歐姆，RV1=47K歐姆。平衡電阻R1=R2/(R3+RV1)=10K歐姆。當(dāng)1Hz<f<10Hz時，取C2=10uF， R4=5.1K歐姆,RV1=100K歐姆。當(dāng)10Hz<f<

14、100Hz時，取C2=1uF以實現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4與RV2的取值不變。取平衡電阻R5=10K歐姆。三角波正弦波電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取C3=C4=C5=470uF，濾波電容C6的取值按暑輸出波形而定，若高次諧波成分較多，則C6一般為幾十皮法至0.1uF。Re2=100歐姆，RV4=100歐姆并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。如圖2-1所示。圖2-1 函數(shù)發(fā)生器總電路圖3.2 電路仿真與調(diào)試技術(shù)在仿真多級電路時，通常按照單元電路的先后順序進行分級調(diào)試，再聯(lián)調(diào)。1. 方波三角波的調(diào)試由于比較器與積分器組成正反饋閉環(huán)電路，同時輸出方波與三角波，

15、故這兩個單元電路能在一起調(diào)試。需要注意的是，在安裝電位器RV1與RV2之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計值，否則電路可能會不起振。如果電路接線正確，則在接通電源后，比較器的輸出為方波，積分器輸出為三角波，微調(diào)RV1，使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計指標(biāo)要求，微調(diào)RV2，則輸出頻率連續(xù)可變。2. 三角波正弦波的調(diào)試三角波正弦波變換電路的調(diào)試。將RV3與C4連接，調(diào)節(jié)RV3使三角波的輸出幅度（經(jīng)RV3后輸出）等于Vidm值，這時Vo3的波形應(yīng)接近正弦波，調(diào)整C6，改善波形，如果Vo3的波形出現(xiàn)失真，則應(yīng)調(diào)整和修改電路參數(shù)，產(chǎn)生失真的原因及采用的相應(yīng)處理措施如下；l 鐘形失真：傳輸特性曲線的線性區(qū)太窄，應(yīng)減小RE2

16、l 半波圓頂或平頂失真：傳輸特性曲線對稱性差，靜態(tài)工作點Q偏下或偏上，應(yīng)調(diào)節(jié)電阻Rl 非線性失真：三角波的線性度較差引起的失真，主要受運放性能的影響，可在輸出端加濾波網(wǎng)絡(luò)改善輸出波形4 詳細設(shè)計及仿真4.1 方波發(fā)生電路的工作原理與運放741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回路即作為遲滯環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過RC沖、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。設(shè)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，如圖中箭頭所示。反相輸入端電位n 隨時間的增長而逐漸增高，當(dāng)t趨于無窮時，Un趨于+UZ；但是Un=+Ut，再稍增大，UO從+UZ躍變

17、為-Uz，與此同時UP從+Ut躍變?yōu)?UT。隨后，UO又通過R3對電容反相充電，如圖中虛線箭頭所示。UN隨時間逐漸增長而減低，當(dāng)T趨于無窮大時，UN趨于-UZ；但是，一旦UN=-UZ再減小，UO就從-UZ躍變?yōu)?UZ，UO從-UT躍變?yōu)?UT，電容又開是正向充電。上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。uA741是美國仙童公司較為早期的產(chǎn)品,由于其性能完善,如差模電壓范圍和共模電壓范圍寬,增益高,不需外加補償,功耗低,負載能力強,有輸出保護等,因此具有較廣泛的應(yīng)用.圖3-1 運放741工作原理與電路圖4.2方波三角波產(chǎn)生電路的工作原理圖3-2中的電路能自動產(chǎn)生方波三角波。電路工作原理如下：比較器

18、與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產(chǎn)生方波三角波。三角波的幅度方波三角波的頻率由上面兩個式子可以得到以下結(jié)論：1. 電位器RP1在調(diào)節(jié)方波三角波的輸出頻率時，一般不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率范圍較寬，可用在R3、RV1兩端并聯(lián)一個電容來改變頻率的范圍，RV2實現(xiàn)頻率微調(diào)。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RV1可實現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波三角波的頻率。圖3-2 方波三角波產(chǎn)生電路4.3三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作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。如圖3-3所示。差分放大電路具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能

19、力強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器，可以有效抑制零點漂移，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： 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，UT26mV。如果Uid為三角波，設(shè)表達式為 式中 Um三角波的幅度； T三角波的周期。圖3-3 三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路圖3-4 輸出波形為使輸出波形更接近正弦波，由圖3-4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)更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Rp1調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp2調(diào)整電路的對

20、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為隔直流電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。4.4整體仿真效果圖如下圖所示，第一個波形是方波，第二個是三角波，第三個是正弦波。5 總結(jié)為期幾個星期的課程設(shè)計已經(jīng)結(jié)束，在這幾星期的學(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以及選型；熟悉了在仿真中常用的儀器儀表。通過對函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，我還深刻認識到了“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設(shè)計，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

21、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)計到調(diào)試過程中，我個人感覺調(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。在自己查閱資料以及老師和同學(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，實在令我感動。通過這次學(xué)習(xí)，讓我對各種電路