1、信号发生器课程设计报告专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 08 电气一班 姓 名： 孙丽娜 指导教师： 孟洁 2011 年 11 月 6 日1目录1.摘要 22.函数信号发生器的设计 32.1 设计目的 32.2 设计意义 32.3 设计任务及要点 32.4.课程设计报告内容 42.4.1 电路图设计 .42.4.2 电路仿真 42.4.3 总体设计思路和总体电路图 .4(1)函数信号发生器设计思路 .42.5 单元电路设计与原理说明 62.5.1 方波发生电路的工作原理 .62.5.2 方波转三角波电路 .62.53 三角波转正弦波电路 62.5.4 元器件选择和电路参数计算说明 .72
2、.6 电路仿真 72.6.1 测试要求 .72.6.2 仿真结果分析 .82.6.3 电路的误差分析与改进 .93总结 104.参考文献 .105 电路图如下 .1121.摘要在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。 信 号 发 生 器 又 称 信 号 源 或 振 荡 器 ， 在 生 产 实 践 和 科 技 领 域 中 有 着 广 泛 的 应
3、用 。 各 种 波 形 曲 线 均 可 以 用 三 角 函 数 方 程 式 来 表 示 。 能 够 产 生 多 种 波 形 ， 如三 角 波 、 锯 齿 波 、 矩 形 波 （ 含 方 波 ） 、 正 弦 波 的 电 路 被 称 为 函 数 信 号 发 生 器 。函 数 信 号 发 生 器 在 电 路 实 验 和 设 备 检 测 中 具 有 十 分 广 泛 的 用 途 。 例 如 在 通 信 、广 播 、 电 视 系 统 中 ， 都 需 要 射 频 （ 高 频 ） 发 射 ， 这 里 的 射 频 波 就 是 载 波 ， 把音 频 （ 低 频 ） 、 视 频 信 号 或 脉 冲 信 号 运 载
4、出 去 ， 就 需 要 能 够 产 生 高 频 的 振 荡器 。 在 工 业 、 农 业 、 生 物 医 学 等 领 域 内 ， 如 高 频 感 应 加 热 、 熔 炼 、 淬 火 、 超声 诊 断 、 核 磁 共 振 成 像 等 ， 都 需 要 功 或 大 或 小 、 频 率 或 高 或 低 的 振 荡 器 。 函数 信 号 发 生 器 的 实 现 方 法 通 常 有 以 下（1）用分立元件组成的函数发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试（2）可以由晶体管、运放 IC 等通用器件制作,它们的功能较少，精度不高，调节方式也不够灵活（3）利用单片集成芯片的函数发生器：能产
5、生多种波形，达到较高的频率，且易于调试. 32.函数信号发生器的设计2.1 设计目的（1） 学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。（2）掌握方波三角波正弦波函数发生器的原理及设计方法（3） 学会函数信号发生器的设计方法和性能指标测试方法。（4） 培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。2.2 设计意义函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、
6、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。2.3 设计任务及要点初始条件：可选元件：运算放大器，三极管，电阻、电位器、电容若干，直流电源 Vcc= +612V，VEE= -6-12V，或自选元器件。可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表等要求完成的主要任务: 正弦波 Upp6V，幅度连续可调，线性失真小。三角波 Upp5V，幅度连续可调，线性失真小。方波 Upp16V，幅度连续可调，线性失真小。频率范围：三段：10100Hz，10
7、0 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；4频率控制方式：压控频率（即 VCF） ；输出电量：电压； 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画总体电路原理图，阐述基本原理。 （用 Proteus 画电路原理图并实现仿真） 安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。2.4.课程设计报告内容2.4.1 电路图设计确定目标：整个系统是由三个模块组成，分别作为方波、三角波、正弦波的输出。系统分析：根据系统功能，选择各模块所用电路形式。参数选择：根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。总电路图：设计各模块电路，画出总电路图。2.4.2 电路仿真电路设计完成后，用
8、仿真软件 Multisim（或 Proteus）进行电路的仿真，记录仿真过程，分析仿真结果，对电路进行完善。 电路安装、调试买原件，进行电路的焊接。实物做成以后，给每个运放加上+12v 和-12v 偏置电压，调节滑动变阻器，测试2.4.3 总体设计思路和总体电路图(1)函数信号发生器设计思路输出端信号，以验证每个模块能否达到所规定的指标。要先产生方波，就必须先用过零比较器和稳压管组成方波产生电路，为调节幅值，则用专用的电压跟随器隔离方波产生端，再用电位器接在运放输出端调节电压输出幅值。产生的方波经 RC 积分电路后输出，得到三角波，为调节幅值，则用电压跟随5器隔离三角波输出端，再用电位器接在运
9、放输出端调节电压输出幅值。产生的三角波经二极管折线近似电路实现三角波到正弦波的转换，为调节幅值，电压跟随器隔离三角波输出端，电位器接在运放输出端调节电压输出幅值。通过调节时间常数中的实现频段间的转换，调节实现连续改变某一频段的频率(2)函数信号发生器原理函数信号发生器是一种用来产生特定需要波形信号的装置，比较常见的有方波、三角波、正弦波和锯齿波发生器。本实验用来产生方波-三角波-正弦波信号。 方波发生器:采用过零比较器与稳压管相结合，实现输出幅值为 7.4V 的方波。 方波转三角波电路：将 RC 积分电路与运放结合，实现方波转三角波三角波转正弦波电路：通过二极管折线电路实现三角波三角波转正弦波
10、幅值调节电路：通过电压跟随器实现阻抗变换，隔离输入级输出级，再利用电位器调节幅值6图 1 总体电路图2.5 单元电路设计与原理说明2.5.1 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，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
11、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。2.5.2 方波转三角波电路若 a 点断开，整个电路呈开环状态。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
12、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 Vcc2.53 三角波转正弦波电路电路中，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。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
13、72.5.4 元器件选择和电路参数计算说明参数计算：为了减少 R1 上通过的电流，R1 选择较大的阻值 75k，R3 作为限流电阻，为了给与积分电路和 R1 电阻适当电流而合理选择，在此选为4.7k。可列方程：所以 R2=75k 而：QUOTE 我们想让频率在 1k10kHz 内变化，所以 Tmin=0.1ms，Tmax=1ms。在元件库能找到的最大电阻阻值为 100k,当考虑 T=1ms 即 QUOTE =0.25TQUOTE QUOTE 因为元件库能找到的电阻只有 2.2nf，所以 C1 选为 2.2nf 同理可确定频率为 1001kHz 时需 C2=22nf，频率为 10100Hz 时需
14、C2=220nf。在三角波转正弦波电路中， （Vo1-vo2）R8 了获得较小的输入电流，选定 R5、R6、R7 为 39k 可得 Vo3=2.4VV4 和 V5 分别接+12V，-12V 偏置电压。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，滤波电容视输出的波形而定，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。2.6 电路仿真2.6.1 测试要求做的电路仿真要求能得出正确的方波，三角波及正弦波的图形，并且应尽量减少失真，调节合适的频率，振幅等，使最终能得到尽量完美的波形图。测量的几组频率值也应该和理论值有较小的误差。82.
15、6.2 仿真结果分析图 2 方波波形图 3 三角波波形9图 4 正弦波波形2.6.3 电路的误差分析与改进本实验有很多的误差存在，正弦波失真。调节 R100K 电位器 RW4，可以将正弦波的失真减小到 1%，若要求获得接近 0.5%失真度的正弦波时，在 6 脚和 11 脚之间接两个 100K 电位器就可以了。 输出方波不对称，改变 RW3 阻值来调节频率与占空比，可获得占空比为 50%的方波，电位器 RW3 与外接电容 C 一起决定了输出波形的频率，调节 RW3 可使波形对称。 没有振荡。是 10 脚与 11 脚短接了，断开就可以了 产生波形失真，有可能是电容管脚太长引起信号干扰，把管脚剪短就
16、可以解决此问题。也有可能是因为 2030 功率太大发热导致波形失真，加装上散热片就可以了。 本次实验的偏置电压为 12V，偏大，容易造成功放和电容的损坏，所以我们应该在设计电路时在加一个限流保护的负载来减小电流，保障电路得安全。103总结在老师的悉心指导下，通过对函数信号发生器的设计，我深刻认识到了“理论联系实际”这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。在设计过程中碰到许多不同的问题，与理论有所差距，明白理论和实践还是有差距的，我们不能只学理论而不实践，要多结合理论进行实践，这样才更加理解掌握知识，把理论应用于实践，从实践中得出结论。4.参考文献,华东师范大学物理系万嘉若,林康运等编著,高等教育出版社,华中工学院电子学教研室编,康华光主编,高等教育出版社。,(第二版)华中科技大学谢自美主编,华中科技大学出版社.模拟电子技术 ，程开明主编，重庆大学出版社，1992模拟电子电路分析、设计与仿真 ，劳五一、劳佳编著，西安电子科技大学出版社，2007 电子电路分析与设计 ，劳五一，劳佳编著，出版社：清华大学出版社，2007 月 115 电路图如下图 5 方波 -三角-正弦波函数发生器电路图
