鄭州科技學(xué)院《模擬電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì) 題目簡(jiǎn)易函數(shù)信號(hào)發(fā)生器學(xué)生姓名王鋒專業(yè)班級(jí)12級(jí)通信工程3班學(xué)號(hào)201251011院（系）信息工程學(xué)院指導(dǎo)教師李瑞賢完成時(shí)間2014年5月10日目錄TOC\o"1-3"\h\u1函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 11.1信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用領(lǐng)域 11.2函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展趨勢(shì) 22課程設(shè)計(jì)的目的 23課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求 33.1設(shè)計(jì)任務(wù) 33.2設(shè)計(jì)要求 34函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案與論證 34.1方案選擇與論證 34.2函數(shù)信號(hào)發(fā)生器原理電路圖 74.2.1正弦波發(fā)生電路的工作原理 74.2.2正弦波—方波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 84.2.3方波—三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 104.2.4電路參數(shù)的計(jì)算及選擇 115總原理圖 126電路的仿真 136.1正弦波發(fā)生電路的仿真 136.2方波——三角波轉(zhuǎn)換電路的仿真 147電路的安裝與調(diào)試 147.1正弦波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試 147.2正弦波—方波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試 157.3方波—三角波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試 157.4總電路的調(diào)試 158元器件列表 169課設(shè)小結(jié) 1610參考文獻(xiàn) 181函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1.1信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用領(lǐng)域 信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用廣泛，種類繁多，性能各異，分類也不盡一致。按照頻率范圍分類可以分為：超低頻信號(hào)發(fā)生器、低頻信號(hào)發(fā)生器、視頻信號(hào)發(fā)生器、高頻波形發(fā)生器、甚高頻波形發(fā)生器和超高頻信號(hào)發(fā)生器。按照輸出波形分類可以分為：正弦信號(hào)發(fā)生器和非正弦信號(hào)發(fā)生器，非正弦信號(hào)發(fā)生器又包括：脈沖信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器、掃頻信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字序列波形發(fā)生器、圖形信號(hào)發(fā)生器、噪聲信號(hào)發(fā)生器等。按照信號(hào)發(fā)生器性能指標(biāo)可以分為一般信號(hào)發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器。前者指對(duì)輸出信號(hào)的頻率、幅度的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度以及波形失真等要求不高的一類信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)的儀器。按信號(hào)波形可分為正弦信號(hào)、函數(shù)（波形）信號(hào)、脈沖信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類。信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來(lái)表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來(lái)表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器1.2函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)在各高校理工科都涉及相關(guān)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。我國(guó)信號(hào)發(fā)生器行業(yè)運(yùn)行目前發(fā)展形勢(shì)良好，該行業(yè)企業(yè)正逐步向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展，隨著我國(guó)信號(hào)發(fā)生器行業(yè)運(yùn)行需求市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大以及出口增長(zhǎng)，我國(guó)信號(hào)發(fā)生器行業(yè)運(yùn)行將會(huì)迎來(lái)一個(gè)新的發(fā)展機(jī)遇,同時(shí)伴隨著我國(guó)信號(hào)發(fā)生器市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，與之相關(guān)的核心生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用與研發(fā)必將成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。了解國(guó)內(nèi)外信號(hào)發(fā)生器生產(chǎn)核心技術(shù)的研發(fā)動(dòng)向、工藝設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用及趨勢(shì)對(duì)于企業(yè)提升產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力十分關(guān)鍵。2課程設(shè)計(jì)的目的通過(guò)對(duì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)過(guò)程、設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)方法，能根據(jù)用戶的要求及工藝需要進(jìn)行電子芯片設(shè)計(jì)并制定有關(guān)技術(shù)文件。培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用已學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題的能力、查閱圖書(shū)資料和各種工具書(shū)的能力、工程繪圖能力、撰寫(xiě)技術(shù)報(bào)告和編制技術(shù)資料的能力，受到一次電子課程設(shè)計(jì)方面的基本訓(xùn)練。培養(yǎng)學(xué)生利用模電技術(shù)知識(shí)，解決電子設(shè)計(jì)中常見(jiàn)實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生積累實(shí)際模電技術(shù)。通過(guò)本課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，學(xué)生將復(fù)習(xí)所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，使課堂學(xué)習(xí)的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，通過(guò)本課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐使學(xué)生具有一定的實(shí)踐操作能力。掌握常用模擬電路的一般設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，為以后從事電子電路設(shè)計(jì)、研發(fā)電子產(chǎn)品打下良好的基礎(chǔ)。1.熟悉集成運(yùn)放的工作原理及接法；2.掌握振蕩電路工作原理；3.掌握三極管的開(kāi)關(guān)作用；4.掌握穩(wěn)壓管的作用；5.函數(shù)信號(hào)發(fā)生器可以很方便的解決需要多種波形的電路的設(shè)計(jì)，有助于了解到電路從設(shè)計(jì)到焊接調(diào)試等過(guò)程，加強(qiáng)對(duì)電路的了解，熟悉各個(gè)元件的操作及其的資料，并學(xué)會(huì)應(yīng)用。3課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求3.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,并測(cè)出波形。3.2設(shè)計(jì)要求頻率范圍三段：10～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz；2、正弦波Uopp≈3V，三角波Uopp≈5V，方波Uopp≈14V；3、幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真?。贿_(dá)到測(cè)試效果。供電電源執(zhí)行電路供電電源執(zhí)行電路4函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案與論證4.1方案選擇與論證方案一：先產(chǎn)生正弦波，再由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。三角波方波三角波方波正弦波正弦波RC正弦波振蕩電路積分電路電壓比較器RC正弦波振蕩電路積分電路電壓比較器圖4-1-1正弦波變方波三角波RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波—方波—三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，電路框圖如上。先通過(guò)RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過(guò)電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過(guò)積分電路形成三角波。此電路具有良好的正弦波和方波信號(hào)。但經(jīng)過(guò)積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號(hào)，存在難度。原因是積分器電路的積分時(shí)間常數(shù)是不變的，而隨著方波信號(hào)頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時(shí)改變。若要保持三角波幅度不變，需同時(shí)改變積分時(shí)間常數(shù)的大小。方案二：先產(chǎn)生方波，再將方波變成三角波，再將三角波通過(guò)差分放大器產(chǎn)生正弦波。 正弦波三角波方波正弦波三角波方波555多諧振蕩器555多諧振蕩器積分電路低通濾波器圖4-1-2方波變?nèi)遣ㄕ也? 圖4-1-3方波發(fā)生電路原理：首先由555定時(shí)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?yàn)樨?fù)載的變動(dòng)將拉動(dòng)波形的崎變。利用555與外圍元件構(gòu)成多諧振蕩器，來(lái)產(chǎn)生方波的原理。用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖3所示。接通電源后，電容C2被充電，當(dāng)電容C2上端電壓Vc升到2Vcc/3時(shí)使555第3腳V0為低電平，同時(shí)555內(nèi)放電三極管T導(dǎo)通，此時(shí)電容C2通過(guò)R3、Rp放電，Vc下降。當(dāng)Vc下降到Vcc/3時(shí)，V0翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C2放電所需的時(shí)間為tpL=(R3+Rp)C2ln2(3-1)當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，T截止，Vcc將通過(guò)R1、R3、Rp向電容器C2充電，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的時(shí)間為tpH=(R1+R3+Rp)C2ln2=0.7(R1+R3+Rp)C2(3-2)當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就得到一個(gè)周期性的矩形波。電路的工作波形如圖4，其震蕩頻率為f=1/（tpL+tpH）=1.43/(R1+2R3+2Rp)C2圖4-1-4由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器工作波形三角波--正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理圖4-1-5三角波產(chǎn)生正弦波原理原理：采用低通濾波的方法將三角波變換為正弦波。本次設(shè)計(jì)采用方案一，即由集成運(yùn)算放大器組成的正弦波—方波—三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。4.2函數(shù)信號(hào)發(fā)生器原理電路圖4.2.1正弦波發(fā)生電路的工作原理圖4-2-1正弦波發(fā)生電路 原理如下：如圖2所示，正弦波電路由放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻率網(wǎng)絡(luò)組成。RC串聯(lián)臂阻抗為Z1，RC并聯(lián)臂阻抗為Z2，通常要滿足R1=R2，C1=C2，其頻率特性分析如下：，反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)因s=jw，令w0=1/RC，則反饋系數(shù)為幅頻特性表達(dá)式為當(dāng)w=w0=1/RC時(shí)，幅頻響應(yīng)有最大值Fvmax=1/3。此時(shí)相頻響應(yīng)為。這樣RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)送到運(yùn)算放大器同相輸入端的信號(hào)電壓與輸出電壓同相，即，RC反饋為正反饋，滿足相位平衡，可能產(chǎn)生振蕩。調(diào)節(jié)RC的參數(shù)時(shí)可實(shí)現(xiàn)頻率諧振，在頻率諧振過(guò)程中，電路不會(huì)停止振蕩，也不會(huì)使輸出幅度改變。因此該選頻網(wǎng)絡(luò)決定信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率。本次采用RC正弦波振蕩器，可產(chǎn)生7Hz至16KHz的低頻信號(hào)，滿足設(shè)計(jì)要求。4.2.2正弦波—方波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 圖4-2-2正弦波—方波轉(zhuǎn)換電路原理如下R6、D3、D4為輸入保護(hù)電路，R6為限流電阻，防止R6過(guò)大時(shí)損壞運(yùn)放器；D3、D4為輸入保護(hù)二極管，限制輸入電壓幅度。輸出回路R7為限流電阻，D6D7穩(wěn)壓二極管，完成輸出電壓雙向限幅，當(dāng)輸入電壓Vi為正弦波信號(hào)時(shí)，經(jīng)比較器變換，輸出Vo為方波信號(hào)，如圖所示圖4-2-3方波信號(hào)坐標(biāo)系4.2.3方波—三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理積分電路圖4-2-4方波—三角波轉(zhuǎn)換電路原理如下：如圖5，利用虛短和虛斷兩條法則求Vo和Vi的關(guān)系，有：（R為R8C為C3）有節(jié)點(diǎn)電流法可知，表明v0與vi為積分關(guān)系。因此，若積分器輸入為方波，其輸出波形即為三角波，如圖所示圖4-2-5三角波坐標(biāo)系但在實(shí)際電路中，通常在積分電容C3L兩端并聯(lián)反饋電阻Rf即積分電路中的R10用作直流負(fù)反饋，目的是減少集成運(yùn)算放大器輸出端的直流漂移。但是RfC＞＞R8C.C太小，會(huì)加劇積分漂移，若C增大，電容漏電也隨之增大。通常取Rf＞10R8,C≤1uF(滌綸電容或聚苯乙烯電容)。4.2.4電路參數(shù)的計(jì)算及選擇（1）對(duì)正弦波發(fā)生電路：振蕩頻率，10Hz<f0<10KHz,取C=1uF，則R取值為15.9至15.9K，R可取20K電位器。起振幅值條件,即，R8取6k，仿真時(shí)實(shí)際取R4=3.3kΩ穩(wěn)幅部分采用常見(jiàn)的1N4001反向并聯(lián)連接，輸出端用1kΩ電阻限流。（2）對(duì)正弦波—方波轉(zhuǎn)換電路：輸入端保護(hù)限流電阻R3選擇1K，限制電壓輸入幅度同樣采用二極管1N4001反向并接，輸出端限流電阻選用20K電位器，Dz選用RD15穩(wěn)壓管反向串聯(lián)，電壓幅度限制在±Vz。（3）對(duì)方波--三角波轉(zhuǎn)換電路：C3采用1uF，R10采用1KΩ，=900Ω5總原理圖圖5-1總原理圖6電路的仿真本次設(shè)計(jì)采用Multisim軟件進(jìn)行仿真，在Multisim中按照設(shè)計(jì)原理圖畫(huà)出仿真圖后，查看輸出曲線。6.1正弦波發(fā)生電路的仿真圖6-1正弦波發(fā)生電路6.2方波——三角波轉(zhuǎn)換電路的仿真圖6-2產(chǎn)生的方波—三角波曲線7電路的安裝與調(diào)試7.1正弦波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試（1）安裝正弦波產(chǎn)生電路首先將運(yùn)放芯片LM324插入通用電路板；再分別把各電阻、電容放入適當(dāng)位置，電位器管腳不要接錯(cuò)；最后按設(shè)計(jì)原理圖接線。（2）調(diào)試正弦波產(chǎn)生電路首先接入正負(fù)直流電源后，用示波器進(jìn)行正弦波單蹤觀察；然后調(diào)節(jié)R11、R12使正弦波的幅值及頻率滿足指標(biāo)要求；根據(jù)示波器的顯示，各指標(biāo)達(dá)到要求后進(jìn)行下一步安裝。7.2正弦波—方波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試（1）安裝正弦波—方波變換電路首先將LM324插入電路板；再分別把電阻放入適當(dāng)位置；按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。（2）調(diào)試正弦波—方波變換電路首先接入正負(fù)直流電源后，用示波器進(jìn)行正弦波—方波雙蹤觀察；然后調(diào)節(jié)波的幅值及頻率滿足指標(biāo)要求；根據(jù)示波器的顯示，指標(biāo)符合要求后進(jìn)行下一步安裝。7.3方波—三角波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試首先將LM324放入電路板，再分別把電容、電阻放入適當(dāng)位置；按圖接線，注意正負(fù)極。接入正負(fù)直流電源后，用示波器進(jìn)行方波—三角波雙蹤觀察。7.4總電路的調(diào)試把三部分的電路接好，進(jìn)行整體測(cè)試、觀察示波器波形。針對(duì)各部分出現(xiàn)的問(wèn)題，逐各排查校驗(yàn)，使其滿足實(shí)驗(yàn)要求。（1）電路仿真時(shí)，最初用PSpice軟件進(jìn)行，測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，相同的參數(shù)在Multisim中能產(chǎn)生波形，在PSpice中卻不能滿足，但實(shí)物電路也驗(yàn)證了該參數(shù)下波形的產(chǎn)生，為取得最佳仿真效果，改用Multisim仿真。（2）實(shí)物電路中方波及三角波調(diào)幅不能很好的實(shí)現(xiàn)。可能是前后電路時(shí)間常數(shù)配合有誤差，導(dǎo)致積分器飽和。（3）實(shí)際電路中增加了幾個(gè)開(kāi)關(guān)，便于測(cè)量輸出不同的波形。8元器件列表 表4元器件清單元器件數(shù)量多孔通用板1塊導(dǎo)線及排插若干LM3243個(gè)1K歐電阻3個(gè)1000歐電阻1個(gè)3.3K歐電阻1個(gè)6K歐電阻1個(gè)100K歐電位器3個(gè)1uF電容3個(gè)1N4001二極管4個(gè)穩(wěn)壓二極管RD152個(gè)示波器1臺(tái)直流穩(wěn)壓源1臺(tái)萬(wàn)用表1塊9課設(shè)小結(jié)剛開(kāi)始上手我感覺(jué)好陌生，對(duì)于電路圖的焊接，總感覺(jué)心有余而力不足。經(jīng)過(guò)這段時(shí)間的不懈努力，完成了信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我了解了信號(hào)發(fā)生器的用途及工作原理，熟悉了信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)步驟，鍛煉了自己實(shí)踐能力，培養(yǎng)了獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。同時(shí)，學(xué)會(huì)了查找相關(guān)資料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的繪圖能力，磨煉了自己的心理素質(zhì)。此業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我專業(yè)知識(shí)和專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)一次實(shí)際檢驗(yàn)和鞏固，同時(shí)也是走向工作崗位前的一次熱身。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，這畢竟第一次做的，所以出現(xiàn)不知該做什么，該怎樣做的問(wèn)題，對(duì)于論文格式的書(shū)寫(xiě)不了解，對(duì)于所設(shè)計(jì)的東西不太理解其工作原理，因此出現(xiàn)了很多問(wèn)題，自己也覺(jué)得很苦惱，通過(guò)不斷的查資料，詢問(wèn)老師，一步一步將問(wèn)題解決，過(guò)程很辛苦，但是很欣慰。十天的課程設(shè)計(jì)時(shí)間結(jié)束了，我已經(jīng)成功完成課程設(shè)計(jì)，制作出一個(gè)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，此次課程設(shè)計(jì)讓我收獲到其中的制作調(diào)試的艱辛以及制作成功后的愉悅心情。首先進(jìn)行電路圖的選擇，確定好想制作一個(gè)什么東西，于是便在網(wǎng)上搜索和去圖書(shū)館查詢，最終確定出總電路原理圖，原理圖確定后，用Multisim軟件進(jìn)行仿真，