毕业设计函数发生器的设计.doc

《毕业设计函数发生器的设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计函数发生器的设计.doc（23页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、毕业设计毕业设计任务书设计课题：函数发生器的设计毕业设计题目： 函数发生器的设计毕业设计目的： 通过该设计使学生熟练掌握运算放大电路和晶体管差分放大器的工作原理，并能应用于实际。毕业设计任务：应用集成运算放大电路和晶体管差分放大器的设计方波-三角波-正弦波函数发生器。毕业设计主要技术数据：1、 频率范围:1-10Hz,10-100Hz.2、 输出电压：方波电压峰值小于24V,三角波电压峰值小于8V，正弦波电压峰值小于1V。毕业设计工作量要求：1、 电子版 A4纸打印包括电路图。2、 论文字数不少于6000字。3、参考文献8篇。 毕业设计进度计划：第一周：通过书籍、上网查阅资料，了解函数发生器的

2、功能、作用。第二周：通过资料的掌握，方案论证，确定设计方案。第三周：画出函数发生器原理框图并进行论文构思。第四周：通过与老师沟通修改设计内容。第五周：认真检查找出错误残缺，完善并提交设计。毕业设计应完成的技术资料：论文一篇。参考文献： 1.杨利军.电子技术实验与实训教程.中南大学出版社,20072.郝波.电子技术基础模拟电子技术.西安电子科技大学出版社,20043.郭勇.EDA技术基础.机械工业出版社,20084.王行.EDA技术入门与提高.西安电子科技大学出版社,20055.蒋卓勤.Multisim2001及其在电子设计中的应用.西安电子科技大学出版社,20046.陈振源.电子技术基础.高等

3、教育出版社,20057.康华光. 电子技术基础.高等教育出版社,20058.谢自美.电子线路设计、实验、测试.华中科技大学出版社,2000教研室主任意见：系主管领导意见：任务下达日期2009年10月10日规定完成日期2009年12月10日前 言函数发生器是指能自动产生正弦波、方波、三角波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种(正弦波、方波、三角波)或多种波形(正弦波、方波、三角波及锯齿波、阶梯波)的函数发生器，使用的器件可以是分立器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块ICL8038）,或者由集成运算放大器与晶体管差

4、分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。 通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。本设计采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波，即方波三角波的转换及三角波正弦波的转换。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。经过仿真得出了方波、三角波、正弦波、方波三角波转换及三角波正弦波转换的波形图。函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路。当调节外部电路参数时，还可以获得占空比可调的

5、矩形波和锯齿波。可用作音频放大器频响快速测试、失真分析、电路的瞬态响应测试、线性分析、也可作其他各种测试信号源，十分方便。可以为各科研室及其他需要各信号的地点输送其相应的信号。目 录一 绪论（1）二 函数发生器的总方案及原理框图（5）2.1 电路设计原理框图2.2 电路总方案设计三 方波三角波转换电路的工作原理（7）3.1方波三角波产生电路及工作原理3.2电路的参数选择及计算3.3 比较器3.4 积分器四 三角波正弦波转换电路的工作原理（14）4.1 三角波正弦波产生电路及工作原理4.2 电路的参数选择及计算4.3差动放大电路五 方波三角波正弦波函数发生器电路（20）六 电路仿真 （21）6.

6、1方波三角波发生电路的仿真6.2方波三角波正弦波转换电路的仿真七 仪器仪表明细清单及元器件简介 （25）结论（26）参考文献（27）致谢词（28）一 绪 论1.1 函数发生器的意义函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路。当调节外部电路参数时，还可以获得占空比可调的矩形波和锯齿波。可用作音频放大器频响快速测试、失真分析、电路的瞬态响应测试、线性分析、也可作其他各种测试信号源，十分方便。可以为各科研室及其他需要各信号的地点输送其相应的信号。函数信号发生器可以由晶体管、运放集成电路等通用器

7、件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器集成电路产生。早期的函数信号发生器集成电路，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少、精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。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

8、球物理学、工业控制、军事和宇航等函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。1.2 Multisim2001软件的介绍Multisim2001是IIT公司于2001年推出的最新版EDA软件，该软件以前的版本就是著名的EWB软件。Multisim2001分为多个版本，有Student（学生版）、Personal（个人版）、Education（教育版）、Professional（专业版）和Power Professional（增强专业版），本书介绍的Multisim2001是其功能最强大的增强专业版。 Multisim2001是一个功能强大的EDA系统，提供了一个非

9、常大的元件数据库，并且可以在线更新，同时拥有VHDL和Verilog设计接口与仿真功能、FPGA和CPLD综合、RF设计能力和后处理功能，还可以导出制作PCB版的设计数据，实现与PCB制作软件的无缝数据传输。1.3 Multisim2001软件的功能特点(1) 集成环境，简洁易用 在Multisim2001中，只有一个程序界面，但在该界面中，集成了从电路创建、修改到仿真及数据后处理的EDA设计的主要流程，不仅有利于对该软件的学习，也大大方便了设计人员的操作，极大地提高了工作效率。 （2）虚拟实验仪器丰富 作为一个功能强大、仪器齐全的虚拟电子实验平台，Multisim2001为设计人员不仅提供了

10、常用的仪器，如万用表、示波器等，还提供了许多单位无条件具备的网络分析仪、频谱分析仪等仪器。这些虚拟仪器，功能与现实仪器相同，而且其操作面板也与现实仪器神似，这些虚拟仪器的使用，方便了设计人员的设计工作，也大大提升了该软件的功能。 （3）分析功能多样 Multisim2001为设计人员提供了多种仿真分析方法，有直流工作点分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声和失真分析等 19 种之多。这些分析功能基本满足了电子电路的分析设计要求，尤其是其极具特色的RF电路分析功能，是一般EDA软件所不具备的。 （4）输入输出接口具有广泛的兼容性 Multisim2001可以打开具有Spice 内核的其他EDA软件生成

11、的网表文件，可以打开EWB4.0、EWB5.0环境下生成的电路文件，也可以把 Multisim2001环境下创建的电路原理图文件导出为.NET或.PLC文件，供Protel 、Ultiboard等PCB 软件进行印刷电路板设计，或者将当前电路文件导出为网表文件，供其他EDA软件共享设计成果。更具特色的是Multisim2001可以将仿真分析结果导出为Excel文件（如结果波形各点的坐标数据），方便了设计人员对结果数据的分析。 （5）可自定义设计环境 Multisim2001提供了极具人性化的设计工具，允许设计人员自定义设计环境，利用Options|Preferences菜单项，可以根据设计需要

12、，灵活设定元器件采用的符号标准、电路图的显示属性、工作区的显示属性及其大小、说明文字的格式、导线线型等设计要素。除了上述的特点外，Multisim2001还支持 VHDL 和 Verilog 语言的电路仿真与设计。1.4 Multisim2001的主窗口界面 二 函数发生器的总方案及原理框图2.1 电路设计原理框图图（1） 函数发生器原理框图2.2 电路总方案设计函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单

13、片函数发生器模块)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本设计采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本设计采用先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。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

14、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。三 方波三角波转换电路的工作原理3.1方波三角波产生电路及工作原理图（2）所示电路能自动产生方波三角波信号，其中运算放大器A1与R1、R2、R3及RP1组成一个电压比较器，C1称为加速电容，可加速比较器的翻转。电压比较器的同相输入端接积分器A2的输出（Ui），R1称为平衡电阻；电压比较器的反相输入端接基准电压（UR）,即U_=0。图（2）方波三角波产生电路电压比较器输出的U01高电平等于正电源电压+Vcc低电平等于负电源电压-VEE（|+Vcc|）=(- VEE

15、)。当U+U_时，输出U01从高电平+Vcc翻转到低电平- VEE；当U+U_，输出U01从低电平- VEE跳到高电平。若U01=+Vcc，根据电路叠加原理可得将上式整理，则比较器翻转的下门限电压为 若U01= - VEE，根据电路叠加原理可得 将上式整理，的比较器发转的上门限电压UTH1为 比较器的门限宽度 由以上式子可得电压比较器的电压传输特性如图（3）所示。运放A2与R4，RP2,C2及R5组成的反相积分器。其输入是前级输出的方波信号U01,从而可得积分器的输出U02为当U01=+Vcc时，电容C2被充电，电容电压UC2上升 即U02线性下降。当U02（即Ui）下降到U02=UTH2时，

16、比较器A1的输出U01状态发生翻转，即U01由高电平+Vcc变为低电平-VEE，于是电容C2放电，电容电压UC2下降，而即U02线性上升。当U02（即Ui）下降到U02=UTH1时，比较器A1的输出U01状态发生翻转，即U01由低电平+ VEE变为低电平+Vcc，电容C2又被充电，周而复始，震荡不停。 图（3）电压传输特性 图（4）方波三角波U01输出是方波，U02输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形关系如图（4）所示。由图（4）可知，三角波的幅值U02m为 ,从而可知方波三角波的频率为 由f和U02m的表达式可以得出以下结论：使用电位器RP2调整方波三角波的输出频率时，一般不影响

17、波形的幅度。若要求输出信号频率范围较宽，可用C2改变频率的范围，用RP2实现频率微调。方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc，三角波的输出幅度不超过电源电压+Vcc。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波三角波的频率。 实际设计中，A1和A2可选择双运算放大集成电路uA741(也可选其它合适的运放)，采用双电源供电，因为方波的幅度接近电源电压，所以电源电压取+Vcc=12V，-VEE=12V。3.2电路的参数选择及计算由 得 取,则，选择，RP1为的电位器。取平衡电阻 ，由输出频率 得 。当1Hzf10 Hz时，取，RP2为的电位器。当10Hzf100Hz时，取以实现频率波段的转换（实际电路当

18、中需要用波段开关进行转换）,R4以及RP2的取值不变，平衡电阻。C1为加速电容，选择电容值为100pF的瓷片电容。3.3比较器在图（5）所示的比较器中：当V+V-时，输出为高电位Voh,当V+V-时，输出为高电位Vol。输出翻转时的输入上、下门限为图（5）比较器电路 ，比较器是集成运放非线性应用电路，他常用于各种电子设备中，那么什么是电压比较器呢？下面我给大家介绍一下，它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。常用的电压比较器有过零电压比较器、具有滞回特性的

19、过零比较器、滞回电压比较器，窗口（双限）电压比较器。集成电压比较器简介：作用：可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。应用：作为模拟电路和数字电路的接口电路。特点：比集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小；但其响应速度快，传输延迟时间短，而且不需外加限幅电路就可直接驱动TTL、CMOS和ECL等集成数字电路；有些芯片带负载能力很强，还可直接驱动继电器和指示灯。3.4积分器积分电路方程为：(R=R1,R=R1/R3)图（6）积分电路积分电路的形式可以根据实际要求来确定。若要进行两个信号的求和积分运算，应选择求和积分电路。若只要求对某个信号进行一般的波形变换，可

20、选用基本积分电路。积分电路可以应用于延迟、定时、时钟、低通滤波、改变相角等。确定时间常数=RC的大小决定了积分速度的快慢。由于运算放大器的最大输出电压Uomax为有限值（通常Uomax=10V左右），因此，若的值太小，则还未达到预定的积分时间t之前，运放已经饱和，输出电压波形会严重失真。所以的值必须满足： 当Ui为阶跃信号时，的值必须满足： （E为阶跃信号的幅值） 另外，选择值时，还应考虑信号频率的高低，对于正弦波信号Ui=Uimsint，积分电路的输出电压为： 由于的最大值为1，所以要求： 即： 因此，当输入信号为正弦波时，的值不仅受运算放大器最大输出电压的限制，而且与输入信号的频率有关，对

21、于一定幅度的正弦信号，频率越低的值应该越大。四 三角波正弦波转换电路的工作原理4.1 三角波正弦波产生电路及工作原理（1）电路的组成。在这里为了熟悉多几放大电路的调试技术，我选用差分放大电路作为三角波正弦波的变换电路。差分放大器工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强，可以有效的抑制零点漂移。如图（7）所示，差分放大电路采用单端输入单端输出的电路形式，4只晶体管选。电源电压同上，取+Vcc=12V，-VEE=-12V。电阻R1与电位器RP3用于调节电路的对称性，并联电阻RE1用来减小差分放大器传输特性曲线的线性区。电容C3、C4、C5为隔值电容，以消除谐波分量，改善输出波形。100uF图（7）三

22、角波正弦波产生电路（2）波形变换的原理。利用差分对分管的饱和与截止特性进行变换。分析表明，差分放大器的传输特性曲线ic1(ic2)的表达式为 （式中Uid为差分放大电路的输入信号）式中，Io为差分放大器的恒定电流；UT为温度的电压当量，当室温为25时,UT26mA。 图（8）三角波正弦波变换原理根据理论分析，如果差分电路的差模输入U02为三角波，则ic1与ic2波形近似为正弦波。因此，单端输出电压U03也近似于正弦波，从而实现了三角波正弦波的变换。图（8）是差分电路实现三角波正弦波转换的原理图，由图（8）可知，差动放大电路传输特性曲线的线形区越窄，其输出波形越接近于正弦波。4.2 电路的参数选

23、择及计算 三角波经电容C3和分压电阻R1、RP3给差分电路输入差模电压Uid26mA，因三角波幅值为8V，故取、。因三角波频率不太高，所以隔值电容C3、C4、C5要取得大一些，这里取。滤波电容C6是输出的波形而定，若含高次谐波成分较多，C6可取的小些，一般为几十皮法至几百皮法。与相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大电路的静态工作点主要由恒流源IO决定，故一般先设定IO。IO取值不能太大，IO越小，恒流源月恒定，温漂越小，放大器的输入阻抗越高。但IO也不能太小，一般为几毫安左右。这里取差动放大的恒流源电流IO=1mA,则IC1=IC2=0.5mA,从而可求得晶体管的输入电阻。 为保证差分放

24、大电路有足够的输入电阻Ri,，根据Ri=2(rbe+RB1)得,故取。因为要输出的正弦波峰峰值大于1V,所以应使差动放大电路的电压放大倍数Au40。根据Au的表达式可求得电阻RL，可选取。发射极电阻一般取几欧姆，可选取，根据，可得。R2在实际当中可用一个的电位器和一个的电阻来代替。差分放大器的静态工作点可根据观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R2来确定。4.3差动放大电路 电路介绍如图（9）所示为差动放大电路。它由两个原件参数相同的基本共射放大电路组成，依靠增加一个对称的三极管和电路的对称性抑制零漂。调零电位器RP用来调节V1、V2管的静态工作点，即使输入信号ui=0时，双端输出电压uo=0。

25、当开关拨向左边是，构成典型的差动放大器。发射极电阻RE对差模信号无负反馈作用，但对公模信号有较强的负反馈作用，可以有效的减小每管的零漂，提高电路的公模抑制比。当开关拨向右边时，构成具有恒流源的差动放大器。它用晶体管恒流源代替RC，由于恒流源动态电阻大，因此可以进一步提高了差动放大电路抑制公模信号的能力。 图（9）差动放大电路差动放大电路有四种工作方式：单端输入，单端输出；单端输入，双端输出；双端输入，单端输出；双端输入，双端输出。而本设计中，选择使用的是恒流源差动放大器，这里主要介绍典型差动放大器和恒流源差动放大器，进行性能比较。 差动放大器的分析（1）静态工作点计算。A. 典型差动放大器 B

26、. 恒流源差动放大器 (2)动态参数计算。A.差模放大倍数Aud。（典型差动放大器和恒流源差动放大器差模电压放大倍数计算相同。）双端输出： 单端输出： B.共模放大倍数Auc。双端输出： 单端输出： 理想情况下，双端输出Auc为零，实际上是由于电路不可能完全对称，Auc不可能为零。C.共模抑制比KCMR KCMR越大，差动放大电路性能越好。五 方波三角波正弦波函数发生器电路图（10）函数发生器电路图六 电路仿真6.1方波三角波发生电路的仿真本次设计是利用EDA技术中的Multisim2001画图并进行仿真分析的。（1）方波仿真电路图：方波发生电路的仿真结果：（2）方波三角波的仿真电路图：方波三

27、角波的仿真结果：6.2方波三角波正弦波转换电路的仿真（1） 差动放大电路仿真电路图：差动放大电路仿真结果：（2）方波三角波正弦波转换电路的仿真电路图方波三角波正弦波转换电路的仿真结果：七 仪器仪表明细清单及元器件简介以下是这次函数发生器设计所需的电子元器件的明细清单，是本次设计是从许许多多元器件中挑选的一部分，还有很多，这是本次设计所用的。图（16）函数发生器仪器仪表明细清单结论在本次设计中，通过方案论证，所选的方波三角波正弦波达到了最理想的效果。设计出的函数发生器可以输出正弦波、方波、三角波。输出的波形稳定清晰，信号质量好，精度高。并且利用了Multisim软件进行仿真，仿真结果清晰，虽然总

28、体有部分失真，但是达到了本次设计的目的，频率频率范围在1-10Hz或10-100Hz的任务要求中。输出电压方波电压峰值小于24V,三角波电压峰值小于8V，正弦波电压峰值小于1V。达到了设计任务书的要求。参考文献1.杨利军.电子技术实验与实训教程.中南大学出版社,20072.郝波.电子技术基础模拟电子技术.西安电子科技大学出版社,20043.郭勇.EDA技术基础.机械工业出版社,20084.王行.EDA技术入门与提高.西安电子科技大学出版社,20055.蒋卓勤.Multisim2001及其在电子设计中的应用.安电子科技大学出版社,20046.陈振源.电子技术基础.高等教育出版社,20057.康华

29、光.电子技术基础.高等教育出版社,20058.谢自美.电子线路设计、实验、测试.华中科技大学出版社,2000致谢词通过对函数信号发生器的设计，我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。我就是以此心态对待

30、此次毕业设计的，所谓“态度决定一切”，于是偶然又必然地收获了诸多，概而言之，大约以下几点：一、温故而知新。课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。 二、思路即出路。当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“条条大路通罗马”。顿悟，没有思路便无出路，

31、原来思路即出路。 三、实践出真知。时至今日，毕业设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”，才明晓实践出真知。因为在教材上，函数发生器只不过是一个集成块，并不能熟悉其内部结构和波转换生原理。只有通过此次的设计之后才明白函数发生器的原理。四、过而能改，善莫大焉。至善至美，是人类永恒的追求。但是，不从忘却“金无足赤，人无完人”，我们换种思维方式，去恶亦是至善，改错亦为至美。在此次设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。本次设计过程中得到我的导师史春霞老师的悉心指导。史老师多次询问设计进程，并为我指点迷津

32、，帮助我理顺写作思路，精心点拨、热忱鼓励。史老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，并将积极影响我今后的学习和工作。在此诚挚地向史老师致谢，祝愿史老师身体健康，全家幸福。 同时，感谢大专两年半来所有的老师，是你们为我解惑受业，不仅教授我专业知识，更教会我做人的道理。还要感谢应电0701班所有的同学们，感谢你们长期以来的支持和鼓励，让我快乐的度过大专匆匆的两年半生活。最后感谢生我养我的父母，他们给了我无私的爱，我深知他们为我求学所付出的巨大牺牲和努力，而我至今仍无以为报。祝福他们，以及那些给予我关爱的长辈，祝他们幸福、安康！ 2009.12.10宝鸡职业技术学院毕业设计成绩评定表指导教师评语： 在本次设计中，该生能够独立的提出合理的设计方案，并且符合设计要求，设计思路清晰、层次分明。能够综合运用理论与专业知识，有相关的框图、原理图、仿真结果图及必要的运算公式。有比较丰富的文献材料和较充足的理论依据。但是在仿真时参数设置不够精确，有明显的失真现象。设计中的不合理之处也有几处。总之，这次实习，该生按时完成任务，能经常与老师沟通交流，虚心接受指导，尊敬老师。设计结果符合设计任务书。 评分： 指导教师签名： 年 月 日