1、模擬電子課程設計函數(shù)信號發(fā)生器設計1設計目的（1）掌握用分立元件或集成運放設計模擬電路的設計方法。（2）對設計的模擬電路進行仿真和調(diào)試。2設計任務函數(shù)信號發(fā)生器設計，要求如下：（1）輸出波形：正弦波、方波、三角波等；（2）頻率范圍：1Hz，z；（3) 輸出電壓：方波Up-p=24V，三角波Up-p=6V，正弦波U1V；（4) 波形特征：方波tr10s（1kHz，最大輸出時），三角波失真系數(shù)THD2%，正弦波失真系數(shù)THD1V；（4) 波形特征：方波tr10s（1kHz，最大輸出時），三角波失真系數(shù)THD2%，正弦波失真系數(shù)THD5%。其目的如下：（1）為了進一步掌握模擬電子技術的理論知識，培養(yǎng)

2、工程設計能力和綜合分析問題、解決問題的能力。（2）基本掌握常用電子電路的一般設計方法，提高電子電路的設計和實驗能力。（3）學會運用Multisim11仿真軟件對所作出的理論設計進行仿真測試，并能進一步完善設計。三 設計的具體實現(xiàn)3.1系統(tǒng)概述（1）函數(shù)發(fā)生器的總方案論證函數(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 (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)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調(diào)試技術，本課題采用由集成運算放大器組成的方

3、波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設計方法。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?；也可以采用先產(chǎn)生方波-三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法。（2）本系統(tǒng)的總體設計思路而本課題采用先產(chǎn)生方波-三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法。首先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采用低通濾波的方法?？傮w思路轉(zhuǎn)化成框圖如下圖所示：圖1總體框架圖3.2單元電路設計、仿真與分析 3.2.

4、1單元電路設計 （1）方波發(fā)生電路工作原理從一般原理來分析，可以在滯回比較器電路的基礎上，靠正反饋和RC充放電回路組成矩形波發(fā)生電路。由于滯回比較器的輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平，兩種不同的輸出電頻使RC電路進行充電或放電，于是電容上的電壓將升高或降低，而電容的電壓又作為滯回比較器的輸入電壓，控制其輸出端狀態(tài)發(fā)生跳變，從而使RC電路由充電過程變成放電過程或相反，如此循環(huán)往復，周而復始，最后在滯回比較器的輸出端即可得到一個高低電平變化周期性交替的方波信號。（2）方波-三角波發(fā)生轉(zhuǎn)換電路工作原理在產(chǎn)生方波信號后，利用此波形輸入到一個積分電路便可輸出一個三角波。由于三角波信號是在電容充放電

5、過程中形成的指數(shù)曲線，所以線性度差。為了能夠得到線性度較好的三角波，可以將運放和幾個電阻、電容構成積分電路。由于電路存在RC電路和積分電路兩個延遲環(huán)節(jié)，在實用電路中，將它們“合二為一”，即去掉方波發(fā)生電路中RC回路，使積分運算電路即作為延遲環(huán)節(jié)，又作為方波變?nèi)遣娐罚瑴乇容^器和積分運算電路的輸出互為另一個電路的輸入圖2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路方波-三角波轉(zhuǎn)換電路仿真圖如圖2所示，圖中運放U2接成積分電路形式，利用電路的自激振蕩由滯回比較電路輸出的方波信號，經(jīng)過積分電路后產(chǎn)生三角波信號，從輸出端輸出。在方波-三角波轉(zhuǎn)換電路中，根據(jù)疊加定理可知：UP1=R9+R6R9+R7+R6UO2+R7R9

6、+R7+R6UO1 （1）即： UP1=R9+R6R9+R7+R6UO2R7R9+R7+R6UZ （2）式中UP1為U1的同相輸入端電位，UZ為穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓12V, UO2為U2的輸出電壓，UO1為U1的輸出電壓。令UP1=UN1=0，則閾值電壓: UT=R7R9+R6UZ， （3）積分電路輸入電壓是滯回比較器，輸出電壓UO1，而且UO1不是+UZ， 就是-UZ，所以： UO2=-1R2+R3CXUZt1-t0+UO2t0 （4） 其中UO2t0為初態(tài)時輸出電壓， 圖3 滯回比較器初態(tài)時UO1正好從從-UZ變?yōu)?UZ。當積分電路反向積分，UO2隨時間增長線性下降，一旦UO2=-UT，再稍微

7、減小，UO1將從+UZ變?yōu)?UZ，式子變?yōu)椋篣O2=-1R2+R3CXUZt2-t1+UO2t1 （5）其中UO2t1為UO1產(chǎn)生躍變時的初態(tài)輸出電壓，當積分電路正向積分，UO2隨時間增長線性增大，一旦UO2=+UT，再稍微增大，UO1將從-UZ變?yōu)?UZ，回到初態(tài)。積分電路又開始反向積分，電路重復以上過程，因此產(chǎn)生自激振蕩。圖4 由波形可知，正向積分起始值始終為-UT，積分時間12周期，代入式子（5）中得出：+UT=UZR3+R2CXT2+-UT （6）其中UT=R7R9+R6UZ，經(jīng)計算 T=4R7CXR3+R2R9+R6, f= R9+R64R7CXR3+R2， （7） 其中R7R9+R

8、613。R1、R8都是補償電阻，保證集成運放輸入級差分放大電路對稱性。由于f= R9+R64R7CXR3+R2,故R3+R2=34fCX。R3+R2=75K 7.5K，R2=5.1K，R3=100K。1HZf10HZ， 取CX=10F；10HZf100HZ， 取CX=1F；100HZf1KHZ， 取CX=0.1F；1KHZf10KHZ， 取CX=0.01F；通過改變開關和電容連接位置，即可以調(diào)節(jié)方波和三角波的頻率。（3）三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路圖5三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路三角波轉(zhuǎn)換為正弦波，利用低通濾波器將三角波變換為正弦波。由RC串聯(lián)接一個同相比例運算電路組成一個一階有源低通濾波器，濾出一部分干

9、擾得到的想要的波形。 在電路中，當信號頻率趨于零時，同相輸入端電位UP=Ui,故電路的通帶放大倍數(shù)等于同相比例運算電路比例系數(shù)，即：Aup=UPUi=1+R10R9 （8）電路電壓放大倍數(shù)： Au=UOUi=1+RfR1UPUi=Aup1+jRC=Aup1+jffP （9） 其中fP=f0=12RC=f0=12RC，取C5=4.7F,R8=R9=500，R10取10 K。3.2.2單元電路仿真與分析（1）在方波-三角波發(fā)生電路中，當選擇CX=10F時，產(chǎn)生1HZf10HZ的方波，如圖所示：圖6 頻率為1HZ-10HZ方波-三角波圖在方波-三角波發(fā)生電路中，當選擇CX=1F時，產(chǎn)生10HZf10

10、0HZ的方波，如圖所示：圖7 頻率為10HZ-100HZ方波-三角波圖在方波-三角波發(fā)生電路中，當選擇CX=0.1F時，產(chǎn)生100HZf1KHZ的方波，如圖所示：圖8 頻率為100HZ-1KHZ方波-三角波圖在方波發(fā)生電路中，用兩個穩(wěn)壓管1N4741來使方波電路穩(wěn)定在12V左右，以達到要求方波Up-p=24V。兩個穩(wěn)壓管的對接，起到正、負向輸出的雙向限幅作用。通過調(diào)節(jié)R4電位器，來使三角波的Up-p=6V。（2）三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路中，當選擇CX=10F時，產(chǎn)生1HZf10HZ的正弦波，如圖所示：圖9 頻率為1HZ-10HZ正弦波圖在低頻中，正弦波出現(xiàn)了失真情況，在正弦波失真系數(shù)THD1V即

11、可。此時的峰峰值為3.34V滿足設計要求。通過調(diào)節(jié)電位器R10可以調(diào)節(jié)正弦波的峰峰值。圖12 3.2.3 PCB電路版制作 在制作PCB電路板時，我選用了Altium Designer 軟件，具體流程如下： (1)在PCB版制作前應先在SchematicDocument上繪制原理圖，并且將所有元件的封裝查出并標上，對于找不到的元件可選用相同管腳的元件進行代替。檢查整個電路是否有錯，并生成對應的網(wǎng)絡表格。 （2）手動更改網(wǎng)絡表，將一些原理圖和PCB封裝庫中引腳名稱不一致的器件引腳名稱改成和PCB封裝庫中一致。 （3）進入PCB系統(tǒng)先設置PCB設計環(huán)境，包括格點大小和類型，半層參數(shù)，布線參數(shù)（這里

12、選擇1mm）。點Place-Keepout-Track繪制電路版地邊框.后點Design-LoadNets-Browse-.NET-下方的OK-Execute （4）然后進行PCB自動布線（重點是網(wǎng)絡表），只有將網(wǎng)絡表裝入后才能進行電路版的布線。點擊AutoRoute-All，等待電腦進行自動布線。有時布線不全面需要進行人工手動布線。（5）制作PCB印刷圖點擊File-New-PCBPrinter,出現(xiàn)一個框圖，選擇需要制作印刷圖的電路圖后點擊OK，即可生成PCB印刷圖。圖13 函數(shù)信號發(fā)生器原理圖圖14 函數(shù)信號發(fā)生器PCB圖四 心得體會及建議這次的模擬電子技術課程設計是我們進入大學以來對基

13、礎和專業(yè)知識的首次應用。這次的課程設計讓我發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足，更讓我明白了只有從基本的電的知識學起，并不斷嘗試用基本電子電路制作一些小的電子作品，將理論與實踐相結合，才能真正掌握所學的知識，才能適應將來工作的要求。課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.隨著科學技術發(fā)展的日新日異，電路設計已經(jīng)成為當今計算機應用中空前活躍的領域， 在生活中可以說得是無處不在。因此作為二十一世紀的大學來說掌握簡單的電路技術是十分重要的。做了近三周的課程設計，有很多的心得體會，和在網(wǎng)上搜索課程設計的相關內(nèi)容，也到學校圖書

14、館借相關書籍，經(jīng)過不斷比較與討論，最終確定了函數(shù)信號發(fā)生器的電路原理圖。通過這次課程設計，我明白了不管是學習哪種軟件，如果以前從來沒有接觸，開始學得很費力，但到后來就好了。在每次的課程設計中，遇到問題，最好的辦法就是查閱相關資料，如果找不到就向老師和其他同學請教，因為每個人掌握情況不一樣，一個人不可能做到處處都懂，集合多個人的思想，復雜的事情就會變得很簡單。這一點我深有體會。盡管現(xiàn)在只是初步學會了聲控照明燈等電路的設計，但學習的這段日子確實令我收益匪淺，讓我又多掌握了一門新的技術，付出的過程中我也收獲了很多快樂！五 附錄元件名稱型號數(shù)目作用穩(wěn)壓二極管1N47412穩(wěn)壓運放LM7413比較器、積分放大電阻阻值見原理圖7分壓、反饋電位器阻值見原理圖3調(diào)節(jié)各點電位電容容值見原理圖5變?nèi)?，濾波開關SW-SPDT、SW DPDT2調(diào)節(jié)波形頻率接口Header 24電源接口