PAGEPAGE1模擬電子技術(shù)課程設(shè)計說明書系：電氣與信息工程系年級：大二專業(yè)：通信工程指導(dǎo)教師姓名學(xué)生姓名課題名稱簡易函數(shù)信號發(fā)生器內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計任務(wù)和要求（1）電路能輸出正弦波、方波和三角波等三種波形；（2）輸出信號的頻率要求可調(diào)；（3）擬定測試方案和設(shè)計步驟；（4）根據(jù)性能指標，計算元件參數(shù)，選好元件，設(shè)計電路并畫出電路圖；（5）在面包板上或萬能板或PCB板上安裝電路；（6）測量輸出信號的幅度和頻率；（7）撰寫設(shè)計報告。二、設(shè)計內(nèi)容設(shè)計一個電路能夠產(chǎn)生正弦波、方波和三角波等三種波形。三、技術(shù)指標頻率范圍：100Hz~1KHz1KHz~10KHz；輸出電壓：方波VP-P≤24V，三角波VP-P=6V，正弦波VP-P=1V；方波tr小于1uS。主要參考資料1、康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)5版.北京：高等教育出版社，20062、胡宴如.模擬電子技術(shù)(第二版).高等教育出版社，20063、謝自美.電子線路設(shè)計.實驗.測試(第二版).華中科技大學(xué)出版社，20004、電子電路大全(合定本).中國計量出版社，19915、郝鴻安.常用模擬集成電路手冊.人民郵電出版社，1991答辯成績指導(dǎo)教師評閱意見目錄第一章緒論……………………1第二章函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖…22.1電路設(shè)計原理框圖…………22.2電路設(shè)計方案設(shè)計…………2第三章單元電路設(shè)計…………33.1方波發(fā)生電路的工作原理…………………33.2方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理……33.3三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理…43.4電路的參數(shù)選擇與計算…………………53.4.1方波-三角波部分3.4.2三角波—3.5總電路圖…………………6第四章電路仿真……………74.1方波波形…………………74.2三角波波形………………74.3正弦波波形………………84.4方波三角波發(fā)生電路的仿真…………84.5三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真………94.6仿真數(shù)據(jù)……………………9第五章電路的安裝與調(diào)試…………………105.1方波—三角波發(fā)生器的調(diào)試……………105.2三角波—正弦波變換的調(diào)試……………105.3調(diào)試數(shù)據(jù)…………………105.4誤差分析………………115.5PCB板圖：………………11結(jié)束語……………12參考文獻…………13附錄：元器件明細清單…………14緒論信號發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測試信號的儀器。按信號波形可分為正弦信號、函數(shù)（波形）信號、脈沖信號和隨機信號發(fā)生器等四大類。信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領(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)信號發(fā)生器。信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領(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)信號發(fā)生器。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。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）、視頻信號或脈沖信號運載出去，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。信號發(fā)生器的作用——信號調(diào)制功能:信號調(diào)制是指被調(diào)制信號中，幅度、相位或頻率變化把低頻信息嵌入到高頻的載波信號中，得到的信號可以傳送從語音、到數(shù)據(jù)、到視頻的任何信號。信號調(diào)制可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種，其中模擬調(diào)制，如幅度調(diào)制(AM)和頻率調(diào)制(FM)最常用于廣播通信中，而數(shù)字調(diào)制基于兩種狀態(tài)，允許信號表示二進制數(shù)據(jù)。20/21第二章函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖2.1電路設(shè)計原理框圖圖1-12.2電路方案設(shè)計（1）采用滯回比較器產(chǎn)生方波；（2）采用積分器將方波轉(zhuǎn)換成三角波；（3）采用差分放大器將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波。第三章單元電路設(shè)計3.1方波發(fā)生電路的工作原理：由集成運放構(gòu)成的方波發(fā)生器和三角波發(fā)生器，一般均包括比較器和RC積分器兩大部分。圖2-2所示為由滯回比較器及簡單RC積分電路組成的方波—三角波發(fā)生器。它的特點是線路簡單，但三角波的線性度較差。主要用于產(chǎn)生方波，或?qū)θ遣ㄒ蟛桓叩膱龊?。調(diào)節(jié)電位器RW（即改變R2／R1），可以改變振蕩頻率，但三角波的幅值也隨之變化。如要互不影響，則可通過改變Rf（或Cf）來實現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)節(jié)。圖2-1方波產(chǎn)生電路3.2方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理：圖2-2-方波三角波轉(zhuǎn)換電路圖圖所示的電路能自動產(chǎn)生方波—三角波。電路工作原理若下：若a點斷開，運放A1與R1、R2及R3、RP3組織成比較器，R1成為平衡電阻，運放的反相端接基準電壓，及U_=0，同相端接輸入電壓Uia；比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負電源電壓—VEE（|+Vcc|=|—VEE|）,當比較器的U+=U-=0時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出U01從高電平+Vcc跳到低電平—VEE，或從低電平—VEE跳到高電平+Vcc。設(shè)U01=+Vcc，則（3-2-1）式子中，RP1指的是電位器（以下同）。將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限電位（3-2-2）若Uo1=—VEE，則比較器翻轉(zhuǎn)的上門線電位（3-2-3）比較器的門限寬度由式子（3-2-1）～(3-2-4)可以得到比較器的電壓傳輸特性，如圖所示。比較器的電壓傳輸特性a點斷開后，運放A2與R4、RP3、C2、及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波U01，則積分器的輸出(3-2-5當U01=+Vcc時，(3-2-6)當U01=-Vcc時，(3-2-7)可見積分器輸入方波時，輸出是一個上升速率與下降速率相等的三角波，其波形如圖所示。方波—三角波波形當a點閉合，即比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為（3-2-8）方波—三角波的頻率（3-2-9）由式子（3-8）及（3-9）可以得出以下結(jié)論：1.電位器RP2在調(diào)整方波—三角波的輸出頻率時，一般不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍比較寬，則可用C2改變頻率的范圍，RP2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RP1可以實現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波—三角波的頻率3.3三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路圖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，可以有效的抑制零點漂移，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：（3-3-1） Ic1=aIE1=aIo/[1+e(-Uid/UT)]（3-3-2）式中——差分放大器的恒定電流；——溫度的電壓當量，當室溫為25oc時，UT≈26mV。如果Uid為三角波，設(shè)表達式為（3-3-3）式中Um——三角波的幅度；T——三角波的周期。將式（3-3-3）代入式（3-3-2），得4Um/T(t-T/4)(0<=t<=T/2)Uid= -4Um/T(t-3T/4)(T/2<=t<=T)（3-3-4）波形變換過程如下圖：三角波——正弦波變換為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：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)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。圖為實現(xiàn)三角波——正弦波變換的電路。其中Rp3調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp4調(diào)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C3,C4,C5為隔直電容，C6為濾波電容，以濾除諧波分波形量，改善輸出3.4電路的參數(shù)選擇與計算3.4.1方波-三角波部分運放A1與A2用741，因為方波的幅度接近電源電壓+VCC=+12V,-VEE=-12V.比較器A1與積分器A2的元件參數(shù)計算如下。由式（3-8）得取，則R3+RP1=40KΩ，取，RP1為47KΩ的電位器。平衡電阻R1=R2∥(R3+RP1)=8k，取R1=8.2KΩ由式（3-2-9）得即R4+RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2)當100Hz≤f≤1kHz時，取C2=0.1uF,則10KΩ<R4+RP2<100KΩ,取R4=1k,RP2=100k。當1kHz≤f≤10kH時，取C1=0.01uF以實現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻R5=10KΩ。3.4.2三角波—正弦波部分1、差分放大器元件參數(shù)確定取RC1=RC2=10KΩ,RB1=RB2=6.8KΩ,取I0=1.1mA,而I0=(RE4/RE3)IREF(3-4-1)IREF=VEE-UBE/(RE4+R)=12-0.7/RE4+R(3-4-2)取RE4=R=20KΩ,代入(3-4-2)，得IREF=0.28mA，將IREF=0.28mA代入(3-4-1)，得RE3=5KΩ2、三角波—>正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率不是很大，取C3=47uF，C4=C5=470uF，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。這里取C6=0.1Uf,RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R確定。3.5總電路圖：第四章電路仿真4.1方波波形上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時的情況，此時f≈208Hz，V≈22V。4.2三角波波形上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時的情況，此時f≈208Hz，V≈6V。4.3正弦波波形上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時的情況，此時f≈214Hz，V≈1.2V。4.4方波三角波轉(zhuǎn)換電路的仿真上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時的情況，此時f≈208Hz.4.5三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時的情況，此時f≈210Hz。4.6仿真數(shù)據(jù)VP-Pf方波22V208Hz三角波6V208Hz正弦波1.2V214Hz第五章電路的安裝與調(diào)試5.1方波—三角波發(fā)生器的調(diào)試由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時輸出方波和正弦波，所以這兩個單元電路可以同時安裝。但是需要注意的是，在安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計值，否則會導(dǎo)致電路不起振。如果電路接線正確。則在接通電源后，A1輸出為方波，A2輸出為三角波，微調(diào)RP1，使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計指標要求，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率連續(xù)可變。5.2三角波—正弦波變換的調(diào)試1、差分放大器傳輸傳輸特性曲線調(diào)試。將C4與RP3的連線斷開，經(jīng)電容C4輸入差模信號電壓uid=50mV，fi=10kHz的正弦波。調(diào)節(jié)RP4及電阻R，使傳輸特性曲線對稱。再逐漸增大uid，直到傳輸特曲線形狀如圖3-6所示，記下此時對應(yīng)的uid，即uidm值。移去信號源，再將C4左端接地，測量差分放大器的靜態(tài)工作點Io、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。2、三角波-正弦波變換電路的調(diào)試。將RP3與C4連接，調(diào)節(jié)RP3使三角波的輸出幅度經(jīng)由RP3后輸出等于uidm值，這時U03的輸出波形應(yīng)接近正弦波，調(diào)整C6大小可以改善輸出波形。如果U03的波形出現(xiàn)如圖5-2-2所示的幾種正弦波失真，則應(yīng)調(diào)整和修改電路參數(shù)，產(chǎn)生失真的原因及采取的相應(yīng)措施有：①鐘形失真 如圖（a）所示，傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬，應(yīng)減小RE2。②半波圓頂或平頂失真 如圖（b）如示，傳輸特性曲線對稱性差，工作點Q偏上或偏下，應(yīng)調(diào)整電阻R。③非線性失真 如圖（c）所示，三角波的線性度較差引起的失真，主要受運放性能的影響?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡(luò)（如C6=100pF）改善輸出波形。5.3調(diào)試數(shù)據(jù)VP-Pf方波21V206Hz三角波5.5V202Hz正弦波1.5V204Hz5.4誤差分析1.方波輸出電壓Vp-p≤2Vcc，因為運放輸出級是由NPN型或PNP型兩種晶體管組成的復(fù)合互補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飽和導(dǎo)通，導(dǎo)通時輸出電阻的影響，使方波輸出幅度小于電源電壓值。2.方波的上升時間Tr，主要受到運放轉(zhuǎn)換速度的限制。如果輸出頻率比較高，則可以接入加速器電容C（C一般為幾十皮法）?？梢杂檬静ㄆ鳎ɑ蛘呙}沖示波器）測量Tr。5.5PCB板圖：結(jié)束語該設(shè)計電路通過先產(chǎn)生方波-三角波，再將三角波變換成正弦波，最終把簡易信號發(fā)生器設(shè)計了出來。在這幾周的簡易信號發(fā)生器課程設(shè)計期間，我遇到了平時從未有過的困難。因為課程設(shè)計不是某一方面的知識就可以完成的，而是多個知識點的結(jié)合，再與平時所學(xué)的理論知識相銜接。又因為自己所學(xué)的知識有限，要設(shè)計出此電路需要花費大量的時間去查找資料，一個人真的很難完成，但經(jīng)過兩周的艱苦努力，團隊的默契配合，終于還是完成了課程設(shè)計的任務(wù)。通過對函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，我學(xué)到了很多的知識，一方面，我掌握了常用元件的識別和測試方法；熟悉了常用的儀器儀表；以及如何提高電路的性能等等。另一方面，我深刻認識到了“理論聯(lián)系實際”這句話的重要性與真