1、1函数信号发生器一、设计任务与要求1. 要求设计制作一个方波三角波正弦波发生器；2频率范围 10100，1001KHz，1 KHz10 KHz；3正弦波 Upp3v，三角波 Upp5v，方波 Upp14v，幅度连续可调，线性失真小。二、方案设计与论证函数信号发生器是需要产生方波、三角波、正弦波这些基本波形。设计需简洁清晰，保证失真小，成本控制低。方案一：采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节
2、，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率 相信都很难控制。方案二：采用传统的直接频率合成器。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。 方案三: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
3、将频率很低的三角波变换成正弦波。本电路可以很好的结合已学的知识与实践，且输出波形幅度及频率均可通2过改变元件参数进行调整，方便且成本较低。综合以上对各个方案优劣势的分析，最终选择了方案三做为本次模拟电子技术课程设计的总设计方案。三、单元电路设计与参数计算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
4、 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 1 方波三角波产生电路3公式（1） 公式（2）图 2 迟滞电压传输特性图 3 三角波发生器工作波形工作原理：若 a 点断开，运算发
5、大器 A1 与 R1、R2 及 R3、RP1 组成电压比较器，C1 为加速电容，可加速比较器的翻转。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mopURU2132T13242)(pC4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 公式（3）312312()0CiaRPRUVUP 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位 Uia-为
6、公式（4）223131()CCiaRRUVPP 若 Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位 Uia+为公式（5）223131()ECiaRR比较器的门限宽度 公式（6）231HCiaiUIRP由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图所示。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公式（7）时， 公式（8）1OCUV24242()()CCOVttRP时， 公式（9）1E24242()()EttRP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
7、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 公式2231OmCRUVP（10）5方波-三角波的频率 f 为公式31242()RPfC（11）由以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图 4 三角波产生电路三角波正弦波的
8、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6表明，传输特性曲线的表达式为：公式（12）022/1idTCEUaIIe公式（13）01/idTEII式中 1CEaI差分放大器的恒定电流；0I温度的电压当量，当室温为 25oc 时，UT26mV。TU如果 Uid 为三角波，设表达式为公式43midTtUt02Ttt（14）式中 Um三角波的幅度；T三角波的周期。1）为使输出波形更接近正弦波，由图可见：2）传输
9、特性曲线越对称，线性区越窄越好；3）三角波的幅度 Um 应正好使晶体管接近饱和区或截止区。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。7C4-12VVCCR5 R6R7R8R9 R11-12VVCCR1250%R13C5C2R14IO2图 5 三角波正弦波变换电路图 6 正弦波分析图3.4 电路的参数选择及计算8（1）方波-三角波中电容 C1 变化（关键性变化之一）实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将 C2 从
10、 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。由式（3-61）得 （15）2231OmCRUVP即 （16）22314CRPV取 ，则 ，取 ，RP1 为 47K 的点20K310RPK320R位器。区平衡电阻 12/()由式（3-62） (17）31242()fC即 （18）31412RP当 时，取 ，则 ，取0ZHf210F42(75.)RPk，为 100K 电位器。当 时 ，取 以实现45.1Rk10ZHf21CF频率波段的
11、转换，R4 及 RP2 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34570CF6形而定，若含高次斜波成分较多， 可取得较小， 一般为几十皮法至 0.1 微66C法。RE2=100 欧与 RP4=100 欧姆相并联，以减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。93.5 总电路图1050%R10C3R112354U1R2 R350%Rp1R450%Rp212354U2C1R17C412VVCCR5 R6R7R8R9 R11-1
12、2VVCC1R1250%R13C5C2R14图 7 函数发生器总图图 8 Multisim 接线图四、总原理图及元器件清单111.总原理图2.元件清单五、调试与安装121.方波三角波发生器的装调由于比较器 A1 和积分器 A2 组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，所以这两个单元可以同时安装。需要注意的是，在安装电位器 RP1 与 RP2之前，要先将其调整到设计值，否则电路可能会不起振。若电路接线正确，则在接通电源后 A1 输出为方波，A2 输出为三角波。微调 RP1，使三角波的输出幅度满足设计要求，调节 RP2 则使输出频率连续可变。2.三角波正弦波变换电路的装调如图连接电路。(1)按装
13、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；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；六、性能测试与分析仿真结果模拟仿真（R*= 13 K
14、 ）Vc1=Vc2=4.358VVc3=-0.831VVc4=-9.028VIc1=Ic2=0.5368mA131415七、结论与心得大三上学期即将结束，我也迎来了第一次课程设计模拟课程设计课程设计。回顾整个设计过程，发现自己真的有很多不足，真是书到用时方恨少。在课程设计过程中，温故而新，学到了很多有关模拟电子技术理论和实际方面的知识，从理论中得出结论，才能真正的提高自己的实际动手能力和独立能力，从中获得经验和知识。这是我第一次做课程设计，而且对于放任了一个学期的模电，再拿起来，真是有点力不从心。对以前所学过的知识理解不够深，不够透，掌握不够牢固。在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的指
15、导和组员的努力下顺利完成了，这不仅让我们更好的理解专业知识，而且培养了大家的团队合作精神。在这次课程设计中，我们 3 个组员采用了共同设计，顾名思义，就是我们3 个组员都一起设计自己的电路，谁的能正常工作，就采用谁的方案。通过我们 3 个人不屑努力，终于确定了最终方案，这都我们知识的综合。在这次设计活动中，我们还有更多细的的分工，这也体现了我们的团队。由于课本上的知识太多，而我们的这个成果也只能体现的知识一部分的知识，这也体现出我们的空缺，设计中出现的很多元件的功能都不能很好的理解，而我们能做的，只有去理解它们，摸清它们的原理，这也丰富我我们的知识。在该如何设计电路，并且使之能实现我们需要的功能的过程中，培养了我们的设计思维，增加了实际操作能力。这次让我体会到了设计电路的艰辛与成功之后的喜悦。八、参考文献1.谢自美电子线路设计 实验 测试：华中科技大学出版社2.康华光电子技术基础 模拟部分：高等教育出版社3.蒋黎红 朱维婷 黄培根模电数电基础实验及 multisim 仿真：浙江大学出版社4.谢沅清.拟电子线路M.成都电子科大学出版社5.张肃文.频电子线路第三版）M.高教出版社
