《模拟电子技术》课程设计说明书函数发生器设计.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 函数发生器设计 初始条件： 1.高频电子线路基础知识，比较器积分器和差分放大器部分。 2.电路板焊接知识。要求完成的主要任务: 1.根据理论知识书写课程设计报告。 2.按照要求焊接实物，并调试电路功能。设计任务：1.频率可调范围：10Hz10kHz； 2.输出电压：正弦波VPP=03V,三角波VPP=05V,方波VPP=015V； 3.输出电压幅度连续可调 4.方波上升时间小于2微秒，三角波线性失真小于1%，正弦波失真度小于3%时间安排：第18周：理论讲解第19周：理论设计及实验室安装调试；地点：.。指导教师签名： 2011 年 1月4 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘 要3 Abstract4 1 方案论证与比较5 1.1总体设计方案论证及选择5 2 系统方案及单元电路6 2.1 函数发生器方案概述6 2.2.1 方波-三角波产生电路6 2.2.2 三角波-正弦波变换电路9 3 元器件的选择12 3.1 元器件型号及参数计算12 4 电路仿真13 4.1方波三角波发生电路的仿真13 4.2 三角波正弦波转换电路的仿真13 5 电路安装与调试14 6 实物图16 7 总结18 附录 19 附录1 元器件清单19 参考文献20 摘 要 函数发生器是一种多波形的信号源。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。有的函数发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制。函数发生器有很宽的频率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信号源。可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。AbstractFunction generator is a multi-wave signal source. 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 common 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 circuits, 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 improved.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 wave, sine wave function generator method.1 方案论证与比较1.1总体设计方案论证及选择1、 方案一由RC桥式电路振荡产生正弦波，再经整形积分产生方波和三角波，原理方框见图1图1 由RC网络的转换流程电路图2、方案二采用DDS作为信号发生核心器件的全数控函数信号发生器设计方案，根据输出信号波形类型可设置、输出信号幅度和频率可数控、输出频率宽等要求，选用了AD9850芯片，并通过单片机程序控制和处理AD9850的32位频率控制字，再经放大后加至以数字电位器为核心的数字衰减网络，从而实现了信号幅度、频率、类型以及输出等选项的全数字控制。3、方案三用ICL8038集成函数信号发生器所需信号。接入外部电路后ICL8038的9、3、2引脚就可分别产生方波、三角波、 正弦波，频率调节部分通过其它的引脚接外电路来完成 .然后从ICL8038出来经过选择开关选择所需波形进入LM31D8进行放大和幅度调节，最后从LM31D8出来的波即为频率和幅度可调的方波，三角波和正弦波。4、方案四由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。本电路可以很好的结合已学的知识与实践，且输出波形幅度及频率均可通过改变元件参数进行调整，方便且成本较低。可行性分析在以上四种方案中：方案一：用RC桥式电路及整形积分电路构成的函数发生器所产生的信号难控制，不易调试，可调范围小；方案二：知识所限，复杂；方案三：应用芯片，由运放，电位器等组成的多功能函数信号发生器，精确度高，但过于复杂；方案四：产生信号相对简单。所以最后我选择第四种方案。2 系统方案及单元电路2.1 函数发生器方案概述图1为函数发生器的总体框图，由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。图2 函数发生器总体框图2.2 单元电路设计2.2.1 方波-三角波产生电路图2所示的电路能自动产生方波-三角波。电路工作原理如下：若a点断开，运算放大器A1与R1、R2、RP1组成电压比较器，运放的反向端接基准电压，即V-=0，同向输入端接输入电压Via；比较器的输出Vo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee；（|+Vcc|=-|Vee|）；当比较器的V+=V-=0时，比较器翻转，输出Vo1从高电平+Vcc跳转到低电平-Vee，或从低电平跳到高电平。设vo1=+Vcc,则图3 方波-三角波产生电路 式中RP1指电位器的调整值，（下同），将上式整理，可知比较器下门限电位 当vo1=+Vcc,则比较翻转器下门限电位运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1时，则输出积分器的电压为当Vo1=+Vcc时当Vo1=-VEE时可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图3所示。 a点闭合，即比较器与积分器首尾相连,形成闭环电路,则自动产生方波三角波。三角波的幅度为 方波三角波的频率为 由上分析可知：电位器RP2在调整方波三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。方波的输出幅度应等于电源电压。三角波的输出幅度应不超过电源电压。电位器RP1可实现幅度上午微调，但会影响波形的频率。 图4 电压比较器原理波形图 图5 方波-三角波波形2.2.2 三角波-正弦波变换电路 三角波正弦波的变换主要有差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。特别是做直流放大器时，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性的非线性。其非线性及变换原理如图4。图6 三角波-正弦波波形差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。分析表明，传输特性曲线的表达式为：.式中差分放大器的恒定电流；温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mV。如果Uid为三角波，设表达式为 式中Um三角波的幅度； T三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，由图可见： （1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好； （2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。下图为实现三角波正弦波变换的电路。其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。. 图7 三角波正弦波变换电路3 元器件的选择3.1 元器件型号及参数计算 采用图1.4.1所示的电路，其中运放A1与A2各用一只双运放µa741，差分放大器中T1与T2使用9013，恒流源中的T3与T4使用较大的8050。比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下：由因此取R2=10k,则R3+RP1=30 k，取R3=20k, RP1为47 k的电位器。取平衡电阻R1=R2/（R3+RP1）10 k。因为当1Hzf100Hz时，取C2=1F，则R4+RP2=（757.5）k，取5.1 k，RP2为100 k电位器。当 100Hzf1000Hz，取C2=0.1F以实现频率波段的转换，R4、RP2的值不变。当1000Hzf10000Hz时，取C2=0.01F，取平衡电阻R5=10 k。三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得大，因为输出频率较低，取C3=C4=C5=470F，滤波电容C6的值视输出的波形而定，若含有高次谐波较多，则C6一般为几十皮法至0.1F。RE2=100与RP4=100，相并联，以减少差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R确定。比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下：由于因此取R2=10k,则R3+RP1=30 k，取R3=20k, RP1为47 k的电位器。取平衡电R1=R2/（R3+RP1）10 k。4电路仿真4.1方波三角波发生电路的仿真方波：三角波：4.2三角波正弦波转换电路的仿真5 电路安装与调试方波-三角-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的，在装调多级电路时，通常按照单元电路的先后顺序进行分级装调与级联。（1）方波三角波发生器的装调由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使RP1=10K，RP2取（2.570）内的任一阻值,否则电路可能会不起振.只要电路接线正确,上电后,U01的输出为方波,U02的输出为三角波,微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求,调节RP2,则输出频率在对应波段内连续可变.（2）三角波正弦波变换电路的装调按照图2.2.2所示电路，装调三角波-正弦波变换电路，其中差分放大器可利用课题三设计完成的电路。电路的调试步骤如下：1）经电容C4输入差模信号电压uid=500mV，fi=100Hz的正弦波。调节RP4及电阻R*，使传输特性曲线对称。再逐渐增大uid，直到传输特曲线形状如图3-73所示，记下此时对应的uid，即uidm值。移去信号源，再将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作点I0、Uc1、Uc2、Uc3、Uc4。2）将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出幅度经RP3后输出等于uidm值，这时U03的输出波形应接近正弦波，调整C6大小可以改善输出波形。如果U03的波形出现如图4.1所示的几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的相应措施有：钟形失真如图4.1.（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小RE2。半波圆顶或平顶失真 如图4.1.（b）如示，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R*。 非线性失真 如图图4.1.（c）所示，三角波的线性度较差引起的非线性失真，主要受运放性能的影响。可在输出端加滤波网络（如C6=0.1mF）改善输出波形。3）性能指标测量与误差分析1、方波输出电压UP-P2Vcc是因为运放输出级由NPN型与PNP型两种晶体管组成复补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出度小于电源电压值。2、方波的上升时间tr，主要受运算放大器转换速率的限制。如果输出频率较高，可接入加速电容C1（图4.2.16），一般取C1为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量tr。图8 几种波形失真情况6实物图图9 正面图10 反面7 总结 本次课程设计建立在集成运放的基础上，是对课本中已学的信号发生电路的一个综合，加强了我们对课本上知识的思考及动手实践能力。在一个星期的资料收集过程中，我先了解了函数发生器的原理，接着开始着手其设计方案，在网上以及参考书上了解到了几种可用于产生波形的电路以及用单片机设计函数发生器的方法，经过分析各自的优劣并结合自己现有的知识水平，我选择了上述设计方案。接着便开始根据课程设计的具体要求对电路进行修改，并通过计算进行参数设置。这之中的过程都是一些小问题，但这也说明了平时课本上知识应当学扎实，这样才不至于在实际应用的时候找不到头绪，真正达到理论与实际结合的效果。在购买元器件时，才发现原先设置的某些元件型号买不到，于是便又通过重新的查找资料确定型号，这使我们认识到在之前的准备工作中就应该有一个备案用来替补。而我们在以后的学习中就要培养这样的习惯，使自己做到做事有条不紊，提高学习效率。这次的模拟电子技术课程设计，虽然在这个过程中我遇到了不少的困难，但最后都通过请教老师或与同学讨论而解决了，这也使我更深刻的体会到了团队合作的重要性，另外我也感受到了自己动手的乐趣，平时单学习理论知识可能会感到很枯燥，但要是把理论与实践结合起来的话，就会使自己更有求知的渴望。当我们拿到课题就开始设计方案，在考虑了众多的方案后最终总算定下来了，选了一个我认为我自己能弄出来的自己有办法能解决的，能够通过自己的努力做出来的，通过自己的努力最终能够有所收获，能够达到其设计的目的。在遇到问题后能够努力解决问题，也学会了一些新的东西，以前没有尝试过的，我想目前我们做电子课程设计，最重要是在自己已接触的知识的基础上扩展，巩固所学，从而创新！通过这次课设之后，要很认真的把所学过的知识温习一遍，温故知新！附录附录1元件清单序号名称型号数量备注1电阻20K12电阻10K63电阻5.1K14电阻6.8K25电阻2K26电阻8.2K17电阻10018电位器10019电位器50K310电位器100K111电容0.01µf1瓷片电容12电容0.1µf1瓷片电容13电容0.1µf1电解电容14电容1µf1电解电容15电容470µf3电解电容16开关1单刀双掷开关17开关1单刀双掷开关18运算放大器µa7412双运放参考文献 1 林涛数字电子技术清华大学出版社2006年6月（ISBN 978-7-302-12064-3） 2 刘丹.例说8051.北京：人民邮电出版社 3 李群芳.单片微型计算机与接口技术(第二版).北京：电子工业出版社 4 黄志伟·全国大学生电子设计竞赛·北京航天航空大学出版社·2007年2月（ISBN978-7-81077-983-8） 5 蒋立培.单片危机系统使用教程.北京：机械工业出版社 6 谢自美.电子线路设计·实验·测试（第三版）.湖北：华中科技大学出版社 7 杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社 8 谢沅清.模拟电子线路.成都：成都电子科大学出版社 9 张肃文.高频电子线路（第三版）：高教出版社 10 曾兴雯 陈健 刘乃安.高频电子线路辅导.西安：西安电子科大出版社