1、扬州大学能源与动力工程学院本科生课程设计题 目： 函数发生器的设计 课 程： 模拟电子技术基础 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2017-1-6 模拟电子技术课程设计1第 一 部 分任务及指导书（含课程设计计划安排）模拟电子技术课程设计模拟电子技术课程设计任务指导书课题：函数发生器的设计一个电子产品的设计、制作过程所涉及的知识面很广；加上电子技术的发展异常迅速，新的电子器件的功能在不断提升，新的设计方法不断发展，新的工艺手段层出不穷，它们对传统的设计、制作方法提出了新的挑战。但对于初次涉足电子产品的设计、制作来说，了解并实践一下电子产品的设计
2、、制作的基本过程是很有必要的。由于所涉及的知识面很广，相应的具体内容请参考本文中提示的模拟电子技术基础实验与课程设计 、 电子技术实验等书的有关章节。一、函数发生器的简介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 (如单片函数发生器模块8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题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
3、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。本课题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，一、函数发生器的工作原理本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：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
4、性曲线的非线性。模拟电子技术课程设计2333二、设计目的1掌握电子系统的一般设计方法2掌握模拟 IC 器件的应用3培养综合应用所学知识来指导实践的能力三、设计要求及技术指标1设计、组装、调试函数发生器2输出波形：正弦波、方波、三角波；3频率范围 ：在 1010000Hz 范围内可调 ；4输出电压：方波 U 24V，三角波 U 8V，正弦波 U 1V；四、设计所用仪器及器件1直流稳压电源2双踪示波器3万用表4运放 7415电阻、电容若干6三极管7面包板模拟电子技术课程设计五、日程安排1布置任务、查阅资料，方案设计 （一天）根据设计要求，查阅参考资料，进行方案设计及可行性论证，确定设计方案，画出详
5、细的原理图。2上机在 EDB（或 EDA）对设计电路进行模拟仿真调试、画电路原理接线图 （半天）要求在虚拟仪器上观测到正确的波形并达到规定的技术指标。3电路的装配及调试 （两天半）在面包板上对电路进行装配调试，使其全面达到规定的技术指标，最终通过验收。4总结报告 （一天）六、课程设计报告内容：总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：1课程设计的目和设计的任务2课程设计的要求及技术指标3总方案的确定并画出原理框图。4各组成单元电路设计，及电路的原理、工作特性(结合设计图写) 5总原理图，工作原理、工作特性（结合框图及电路图讲解） 。6电路安装、调试步骤及方法，调试中遇到的问题，及分
6、析解决方法。7实验结果分析，改进意见及收获。8体会。七、电子电路设计的一般方法：1仔细分析产品的功能要求，利用互连网、图书、杂志查阅资料，从中提取相关和最有价值的信息、方法。（1）设计总体方案。（2）设计单元电路、选择元器件、根据需要调整总体方案（3）计算电路（元件）参数。（4）绘制总体电路初稿（5）上机在 EDB（或 EDA）电路实验仿真。模拟电子技术课程设计（6）绘制总体电路。2明确电路图设计的基本要求进行电路设计。并上机在 EDB（或 EDA）上进行电路实验仿真，电路图设计已有不少的计算机辅助设计软件，利用这些软件可显著减轻了人工绘图的压力，电路实验仿真大大减少人工重复劳动，并可帮助工程
7、技术人员调整电路的整体布局，减少电路不同部分的相互干扰等等。3掌握常用元器件的识别和测试。电子元器件种类繁多，并且不断有新的功能、性能更好的元器件出现。需要通过互连网、图书、杂志查阅它们的识别和测试方法。对于常用元器件，不少手册有所介绍。4、熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。通过排除电路故障，提高电路性能的过程，巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。5、独立书写课程设计报告。模拟电子技术课程设计第 二 部 分课程设计报告模拟电子技术课程设计目 录1 设计的目的及任务（1）1.1 课程设计的目的（1）1.2 课程设计的任务与要求（1）1.3 课程设计的技术指标（1）2 电路设计总方案及原理框
8、图（2）2.1 电路设计原理框图（2）2.2 电路设计方案设计（2）3 各部分电路设计（3）3.1 方波发生电路的工作原理（3）3.2 方波-三角波转换电路的工作原理（3）3.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理（6） 3.4 电路的参数选择及计算（8）3.5 总电路图（9）4 电路仿真（10）4.1 方波-三角波发生电路的仿真（10）4.2 三角波-正弦波转换电路的仿真（11）5 电路的安装与调试（12）5.1 方波-三角波发生电路的安装与调试（12）5.2 三角波-正弦波转换电路的安装与调试（12）5.3 总电路的安装与调试（12）5.4 电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法（12）6
9、 电路的实验结果（14）6.1 方波-三角波发生电路的实验结果（14）6.2 三角波-正弦波转换电路的实验结果（15）6.3 实测电路波形、误差分析及改进方法（16）7 收获与体会（17）8 仪器仪表明细清单（18）参考文献（19）模拟电子技术课程设计一 设计的目的及任务1.1 课程设计的目的1掌握电子系统的一般设计方法2掌握模拟 IC 器件的应用3培养综合应用所学知识来指导实践的能力4掌握常用元器件的识别和测试5熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法1.2 课程设计的任务与要求设计方波三角波正弦波函数信号发生器1.3 课程设计的要求及技术指标1设计、组装、调试函数发生器2输出波形：正弦波、方波
10、、三角波；3频率范围 ：在 1010000Hz 范围内可调 ；4输出电压：方波 U 24V，三角波 U 8V，正弦波 U 1V；二 函数发生器总方案及原理框图模拟电子技术课程设计2.1 电路设计原理框图图 2-1 设计原理框图2.2 电路设计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(如单片函数发生器模块 8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放
11、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。本课题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，本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：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
12、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 各组成部分的工作原理模拟电子技术课程设计3.1 方波发生电路的工作原理此电路由反相输入的滞回比较器和 RC 电路组成。RC 回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过 RC 充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压 Uo=+Uz,则同相输入端电位 Up=+UT。Uo 通过 R3 对电容 C 正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位 n 随时间 t 的增长而逐渐增高，当 t 趋于无穷时，Un 趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo 从+Uz 跃变为-Uz,与此同时 Up 从+Ut 跃变为-Ut。随
13、后，Uo 又通过R3 对电容 C 反向充电，如图中虚线箭头所示。Un 随时间逐渐增长而减低，当 t 趋于无穷大时，Un 趋于-Uz；但是，一旦 Un=-Ut,再减小，Uo 就从-Uz 跃变为+Uz，Up 从-Ut 跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。3.2 方波-三角波转换电路的工作原理图 3-1 方波三角波产生电路mopURU2132T 13242)(pRCT模拟电子技术课程设计图 3-2 比较器的电压传输特性 图 3-3 方波-三角波变换工作原理如下：若 a 点断开，运算发大器 A1 与 R1、R2 及 R3、RP1 组成电压比较器，C1 为加速电容，可
14、加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即 U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1 称为平衡电阻。比较器的输出 Uo1 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 U+=U-=0 时，比较器翻转，输出 Uo1 从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平 Vee 跳到高电平 Vcc。设 Uo1=+Vcc,则 312312()0CiaRPRUVUP 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位 Uia-为223131()CCiaRRUVPP 若 Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位 Uia+为223131()ECiaRR比较器的门限宽
15、度 231HCiaiUIRP由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图 3-71 所示。a 点断开后，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，则积分器的输出 Uo2 为 2142()OOUUdtRPC模拟电子技术课程设计时，1OCUV24242()()CCOVttRPRP时，1E24242()()Ett可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下图所示。a 点闭合，既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 2231OmCRUVP方波-三角波的频率 f 为31242()fR由以
16、上两式可以得到以下结论：1. 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。若要求输出频率的范围较宽，可用 C2 改变频率的范围，PR2 实现频率微调。2. 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。电位器 RP1 可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。3.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理模拟电子技术课程设计图 3-4 三角波正弦波变换电路三角波正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。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，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
17、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： 022/1idTCEUaIIe01/idTCEUaIIe式中 /aI差分放大器的恒定电流；0温度的电压当量，当室温为 25oc 时，UT26mV。T如果 Uid 为三角波，设表达式为43midUtT02Ttt模拟电子技术课程设计式中 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。（3） 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
18、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 3-5 三角波-正弦波变换3.4 电路的参数选择及计算1.方波-三角波中电容 C1 变化（关键性变化之一）模拟电子技术课程设计实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将 C2 从 10uf（理论时可出来波形）换成 0.1uf 时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当 C2=10uf 时，频率很低，不容易在实际电路中实现。2.三角波-正弦波部分比较器 A1 与积分器 A2 的元件计算如下。得 2231OmCRUVP即 223143OmC取 ，则 ，取
19、，RP1 为 47K 的点位器。区平衡电20RK10RPK320R阻 131/()由式（3-62） 31242()fC即 31412RP当 时，取 ，则 ，取 ，为0ZHf20F42(75.)RPk45.1Rk100K 电位器。当 时 ，取 以实现频率波段的转换，R4 及 RP21ZHf1CF的取值不变。取平衡电阻 。5k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 要取得较大，因为输出频率很低，取 ，滤波电容 视输出的波形而定，若含高次斜波34570CF6C成分较多， 可取得较小， 一般为几十皮法至 0.1 微法。RE2=100 欧与 RP4=100 欧姆66相并联，以减
20、小差分放大器的线性区。差分放大器的几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。3.5 总电路图模拟电子技术课程设计图 3-6 总设计图四 电路仿真4.1 方波-三角波发生电路的仿真图 4-1 方波模拟电子技术课程设计图 4-2 三角波图 4-3 方波三角波发生电路仿真模拟电子技术课程设计4.2 三角波-正弦波转换电路的仿真图 4-4 三角波正弦波发生电路仿真五 电路的安装与调试5.1 方波-三角波发生电路的安装与调试1.按装方波三角波产生电路1. 把两块 741 集成块插入面包板，注意布局；2. 分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；3. 按图接线，注意直流源的
21、正负及接地端。2.调试方波三角波产生电路模拟电子技术课程设计1. 接入电源后，用示波器进行双踪观察；2. 调节 RP1，使三角波的幅值满足指标要求；3. 调节 RP2，微调波形的频率；4. 观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装。5.2 三角波-正弦波转换电路的安装与调试1.安装三角波正弦波变换电路1. 在面包板上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线；2. 搭生成直流源电路，注意 R*的阻值选取；3. 接入各电容及电位器，注意 C6 的选取；4. 按图接线，注意直流源的正负及接地端。2.调试三角波正弦波变换电路1. 接入直流源后，把 C4 接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点
22、；2. 测试 V1、V2 的电容值，当不相等时调节 RP4 使其相等；3. 测试 V3、V4 的电容值，使其满足实验要求；4. 在 C4 端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压；5.3 总电路的安装与调试1. 把两部分的电路接好，进行整体测试、观察2. 针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值大于 1V。5.4 调试中遇到的问题及解决的方法方波-三角波-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
23、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,R P2取（2.5-70）K 内的任一值,否则电路可能会不起振。只要电路接线正确，上电后，U O1的输出为方波，U O2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有，调节 RP2，则输出频率模拟电子技术课程设计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 375 所示电路，装调三角波正弦波变换电路，其中差分发大电路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
24、C4 输入差摸信号电压 Uid=50v，Fi =100Hz 正弦波。调节 Rp4 及电阻 R*,是传输特性曲线对称。在逐渐增大 Uid。直到传输特性曲线形状入图 373 所示，记 下次时对应的 Uid 即 Uidm 值。移去信号源，再将 C4 左段接地，测量差份放大器的 静态工作点 I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.(2) Rp3 与 C4 连接，调节 Rp3 使三角波俄 输出幅度经 Rp3 等于 Uidm 值，这时 Uo3的 输出波形应 接近 正弦波，调节 C6 大小可改善输出波形。如果 Uo3 的 波形出现如图 376 所示的 几种正弦波失真，则应调节和改善参数，产生是真的 原因及采
25、取的措施有；1）钟形失真 如图（a ）所示，传输特性曲线的 线性区太宽，应减小 Re2。2）半波圆定或平顶失真 如图（b）所示，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*.3）非线性失真 如图（ C）所示，三角波传输特性区线性度 差引起的失真，主要是受到运放的影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形。(3) 性能指标测量与误差分析1）放波输出电压 Upp=2Vcc 是因为运放输出极有 PNP 型两种晶体组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饮和导通，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 T，主要受预算放大器的限制。如果输出频率的
26、限制。可接俄加速电容 C1，一般取 C1 为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量 T 六 电路的实验结果6.1 方波-三角波发生电路的实验结果Multisim 仿真结果：模拟电子技术课程设计C=0.01uf fmin=625HZ fmax=5.1 KHZC=0.1uf fmin=67HZ fmax=1.01KHZC=1uf Fmin=6.7HZ fmax=114HZC=10uf Fmin=0.67HZ fmax=15HZ实际电路结果：C=0.01uf fmin=1.5KHZ fmax=17.8KHZC=0.1uf fmin=158HZ fmax=3.1KHZC=1uf fmin=53HZ fma
27、x=370HZC=10uf fmax=29HZ最大不失真电压 U=2.43V6.2 三角波-正弦波转换电路的实验结果实际电路结果：(1)静态工作点：R13=15KVc1=5.47 V Vc2=5.01VVb1=-0.012V Vb2=-0.014VVe1=-0.617V Ve2=-0.622V模拟电子技术课程设计Ve3=-10.559 Ve4=-10.561Ic1=0.3265 Ic2=0.3459Ie3=0.7205(2).最后波形：Uo3（正弦波） Uo2（三角波）测量值 Uo3=0.43V Uo2=0.072V峰峰值 Uo3=1.2162V Uo2=0.2036V6.3 实测电路波形、误
28、差分析及改进方法图 6-1 失真波形将 C6 替换为由两个.1uF 串联或直接拿掉, C1=0.1uF U=54mv Uo=2.7v 1vC1=0.01uF U=54mv Uo=2.8v1vXc=1/W*C,当输出波形为高频时，若电容 C6 较大，则 Xc 很小，高频信号完全被吞并，无法显示出来。模拟电子技术课程设计七 收获与体会经过几天的课程设计的学习，我成功地制作出自己的函数发生器，内心感到十分的愉悦。首先在做电路仿真时，用我们已经画好了电路原理图，修改好参数后，结果总是出现问题无论我怎样修改都不行。但我没有放弃，最终调试出来。接下来，开始了电路焊接阶段。之前的电工实习让我简单的接触到了焊
29、接实物，我觉得自己很在行很专业，一定又快又好，但实际焊接起来才觉得难度还是不小的，要自己对焊板上元件进行布置和焊接电路元件连线，而且线多焊点多，增加了很大的难度。为了使布置美观、简洁，还真是费了我们不少精力，最终电路的视觉效果还比较另人满意的。最后调试的一天，我们小组很快就完成了，很开心，可能是唯一一组调试出来的。模电的知识又再一次加深了印象，通过这次课程设计，我明白了一个好搭档的重要性，因为从头到尾，都是我和我的搭档共同完成，来解决中间出现的各种问题。从原理图的最终确定，到波形的仿真，到焊接与调试都是我们共同完成的，是因为我们的默契，每项工作都完成得很快很好，才使我们率先完成了任务。尽管现在只是初步学会了函数发生器设计，但课程设计的这段日子还是令我收益匪浅的，还让我明白学过的知识不能扔，这是我们走向职业道路的本钱。 八 仪器仪表明细清单设计所用仪器及器件R1=R2=R5=10k、R 3=20k、R 4=5.1k、RP 1= RP3=47k、RP 2= RP4=100k；RC1=RC2=20k RB1=RB2=6.8k RE3=RE4=2k R7=R13=100C2=C3=C4= 470F、C 5=0.1F、C 1 为可调电容，视波形频率而定。运放 741 3 个参考文献 ：童诗白模拟电子技术基础模拟电子技术课程设计第 三 部 分实际电路接线图调试成功电路实物照片
