1、 课程设计（论文）题目： 多种波形发生器 院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间： 大学课程设计说明书（论文）目 录第 1 章 多种波形发生器设计方案论证 11.1 多种波形发生器的应用意义 .11.2 多种波形发生器设计的要求及技术指标 11.3 设计方案论证 21.4 总体设计方案框图及分析 3第 2 章 多种波形发生器各单元电路设计 42.1 直流稳压电源电路设计 42.2 方波-三角波电路设计 62.3 三角波-正弦波电路设计 8第 3 章 多种波形发生器整体电路设计 93.1 整体电路图及工作原理 93.2 电路参数计算 103.3 整机电路性
2、能分析 12第 4 章 设计总结 12参考文献 12附录：器件清单 13大学课程设计说明书（论文）第 1 章 多种波形发生器设计方案论证1.1 多种波形发生器的应用意义多种波形发生器可以说室电子领域最为实际，最为基础，最为广泛的器材，这次设计的发生器需要发出正弦波、方波、三角波。函数发生器作为一种常用的信号源，是现代信号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，都需要有信号源，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，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
3、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，因而广泛应用于通信、雷达、导航、宇航等领域。所以各种波形发生器的设计是一个与实际应用最密切，最重要的任务1.2 多种波形发生器设计的要求及技术指标（一）设计要求：大学课程设计说明书（论文）1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个
4、设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。（二）功能要求：1.输出的各种波形工作频率范围 0.02Hz1kHz 连续可调。2.正弦波幅值10V，失真度小于 1.5。3.方波幅值10V。4.三角波峰峰值 20V；各种输出波形幅值均连续可调。1.3 设计方案论证（一）波形产生电路方案构思与论证：方案 1：可以用正弦振荡器产生正弦波输出，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再用积分电路将方波变换成三角波输出。大学课程设计说明书（论文）原理框图： 文氏桥振荡器产生正弦波 方波产生电路 三角波产生电路 直流电源 图 1.1 方案
5、1 原理框图该方案结构简单，具有较好的正弦波和方波信号，要通过积分器电路产生同步的三角波，存在一定的困难。原因是积分电路的积分常数通常是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出三角波幅度将同时改变。若要保持三角波输出幅度不变，则须同时改变积分时间常数的大小。方案 2：可以先用比较器产生方波输出，方波经积分电路可得到三角波输出，利用折线近似法三角波变换为正弦波输出。原理框图： 方波产生电路 三角波产生电路 正弦波产生电路 直流电源图 1.2 方案 2 原理框图该电路方波三角波产生电路视为一体，因为比较器 A1 与积分器 A2 组成正反馈闭电路。集成运放构成电压比较器，输出方波信号，运放构成
6、积分器，将方波变换成三角波输出。三角波正弦波电路的转换可以通过折线法来实现，而且实际效果要优于理论。方案 3：随着集成制造技术的不断发展，信号发生器已被制造成集成专用集成电路。利用单片函数发生器 5G8038、集成振荡 555 等。可灵活地组成各种波形产生电路。考虑到该方案的器件来源，舍弃该方案。因此，考虑题目选择了方案 2大学课程设计说明书（论文）（二）直流稳压电源原理方框图图 1.3 自流稳压电压源原理方框图本实验直流电源部分选择串联型直流稳压电源，整个电路包括：变压器将 220v 电压降到我们试验所需的电压，然后经过整流电路，整流电路通常用单相桥式整流电路、滤波电路常采用无源元件 R、L
7、、C 构成的不同类型滤波电路。由于本电路为小功率可用电容输入式滤波电路。稳压电路采用串联型稳压电路，比较放大单元采用分立三极管组成的差动放大器或者集成运算放大器，整流器 滤波器 稳压器电源变压器大学课程设计说明书（论文）可提高电路的稳定性。1.4 总体设计方案框图及分析经过比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，最终选择方案 2。总体设计方案框图：输出方波 输出三角波产生方波 产生三角波 产生正弦波输出正弦波电 源图 1.4 总体设计方案框图及分析该电路方波三角波产生电路视为一体，因为比较器 A1 与积分器 A2 组成正反馈闭电路。集成运放构
8、成电压比较器，输出方波信号，运放构成积分器，将方波变换成三角波输出。本电路的不足可以通过分多个频率波段选多个电容的方法来弥补。三角波正弦波电路的转换可以通过折线法来实现，而且实际效果要优于理论。第 2 章 多种波形发生器各单元电路设计2.1 直流稳压电源电路设计大学课程设计说明书（论文）直流稳压电源是提供直流电压的电源设备,由电源变压器,整流,滤波,和稳压电路四部分组成,图示为由分立元件组成的串联型稳压电源的电路图,其整流部分为单相桥式整流电路,滤波部分为电容滤波电路,稳压部分为串联稳压电路. 对输入电压的要求,输入电压的选取原则是,在最坏的条件下仍能保证调整管处于放大状态,不能饱和. 对调整
9、管的要求,晶体管的额定电流Icm应大于输出电流.晶体管的耐压应高于输入电压,晶体管的最大允许耗散功率应大于调整管集电极最大功率.（1） 电源变压器：将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压 u2 较小。（2） 整流电路：将变压器次级交流电压 u2 变成单向的直流电压 u3，它包含直流成份和许多谐波分量。（3） 滤波电路：滤除脉动电压 u3 中的谐波分量，输出比较平滑的直流电压 u4。该电压往往随电网电压和负载电流的变化而变化。（4） 稳压电路：它能在电网电压和负载电流的变化时，保持输出直流电压的稳定。它是直流稳压电源的重要组成部分，决定着直流电源的重要性能指标。直流稳压电源如下图
10、所示，则 .240.12.,.1VVVII 电路中 T1、R1、Dz1 为稳压电源的启动电路，当输入电压为一定时，且高于Dz2 的稳定电压 Vz2 时，稳压管两端电压 Vz2 使 T1 导通，整个电路进入正常工作状态。大学课程设计说明书（论文）输出电压的最大电压和最小电压分别为 VVRVZPOP960431831minax 因此，输出电压的调节范围为 9 至 18V，符合本实验要求。图 2.1 直流稳压电源图2.2 方波-三角波电路设计大学课程设计说明书（论文）如下图所示，电路能自动产生方波三角波。电路工作原理如下：若 a点断开，整个电路成开环态。运算放大器 A1 与 R1，R2 及 R3，R
11、p1 组成电压比较器，R1 称为平衡电阻，C1 称为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即 V-=0，同相端接输入电压 Via。比较器的输出 Vo1 的高电平近似等于平电源电压+Vcc，低电平近似等于负电源电压-Vee，当比较器的V+=V-=0 时，比较器翻转，输出 Uo1 从高电平+Vcc 跳到低电平-Vee，或从低电平-Vee 跳到高电平+Vcc。设 Vo1=+Vcc，其中 Rp1 指电位器的调整值。将式子整理可得比较器翻转的下门限电位 Via-，同样的，Vo1=-Vee 时得比较器的上门限电位 Via+。计算公式如下所示：大学课程设计说明书（论文）VcRpVeRpVia
12、ciapRpR132)(132 013)(132 图 2.2 方波-三角波工作原理图所以，比较器的门限宽度 Vh 为VcRpViah132大学课程设计说明书（论文）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 Vo1，则积分器的输出dtVoCRPVo1242当 Vo1=+Vcc 时和 Vo1=-Vee 时 Vo2 分别为如下值：tCRPVeoc242可见，当积分器输入为方波时，输入的是一个上升速率与下降速率相等的三角波。a 点闭合，即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 VcRPmVo132方波-三角波的频率
13、 24213CRPf由上两式可得以下结论：（1）电位器 Rp2 在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出的幅度。若要求输出频率范围较宽，可用 C2 改变频率的范围，Rp2 实现频率微调。（2）方波的输出幅值应近似等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅值应不超过电源电压+Vcc。电位器 Rp1 可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。大学课程设计说明书（论文）2.3 三角波-正弦波电路设计三角波-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
14、原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。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。利用差分对管的饱和与截止特性进行变换。分析表明差分放大器的传输特性曲线 ic1 的表达式为 VtvideIoic/1如果 Vid 为三角波，设表达式)2(430TttTVmttid式中，Vm 为三角波幅度；T 为三角波周期。将它代入 ic1 得：)2(1)0()(434TteIotIticTtVmTtV用计算机进行计算出来的曲线近似于正弦波，则差分放大器的输出电压近似
15、于正弦波，为使输出波形更接近正弦波，要求：大学课程设计说明书（论文）1. 传输特性曲线尽可能的对称，线性区尽可能的窄。2. 三角波的幅值 Vm 应接近晶体管的截止电压值。3.图 2.3 三角波-正弦波工作原理图第 3 章 多种波形发生器整体电路设计3.1 整体电路图及工作原理大学课程设计说明书（论文）工作原理：串联型稳压电源为运算放大器提供 10v 稳定电压。运算放大器A1 与 R1、R2 及 R3、Rp1 组成电压比较器，比较器翻转，输出 Vo1 从高电平+Vcc 跳到低电平-Vcc，或从低电平-Vcc 跳到高电平+Vcc，产生方波。运放 A2 与 R4、Rp2、C 及 R5 组成反相积分器
16、，其输入信号为方波 Vo1，则积分器的输出 。由分析可得：积分器的输入为方波dtVoRPVo1242时，输出的是一个上升速率与下降速率相等的三角波。三角波经过差分放大器完成了三角波正弦波的转换。由于电子器件非理想性，使各段折线交界处产生了钝化效果，实际效果优于理论分析.图 3.1 整体电路图3.2 电路参数计算大学课程设计说明书（论文）（一）方波三角波转换电路的参数选择：1.比较器 A1 与积分器 A2 的元件参数计算：即VcRPmVo1320cop取 R2=10k 欧，则 R3+Rp1=10k 欧，取 R3=5k 欧，Rp1 为 5k 欧的电位器。取平衡电阻 R1=R2（R3+Rp1）5k
17、欧。由此方波和三角波的幅值均为10V。2.由输出频率表达式得：即24213CRPffp本实验选有 4 个频率波段：0.021Hz，1Hz10Hz，10Hz100Hz，100Hz1KHz各波段所选电容不同。（1）当 0.02Hzf1Hz 时，取 C1=100uF，R4+Rp2=125k 欧2.5k 欧，取 R4=2.5k 欧取 Rp2=150k 欧的电位器（2）当 1Hzf10Hz 时，取 C1=10uF，R4+Rp2=125k 欧2.5k 欧，取 R4=2.5k 欧取 Rp2=150k 欧的电位器大学课程设计说明书（论文）（3）当 10Hzf100Hz 时，取 C2=1uF，R4+Rp2=12
18、5k 欧2.5k 欧，取 R4=2.5k 欧取 Rp2=150k 欧的电位器（4）当 100Hzf1kHz 时，取 C2=0.1uF，R4+Rp2=125k 欧2.5k 欧，取 R4=2.5k 欧取 Rp2=150k 欧的电位器以此实现频率波段的转换，R4 及 Rp2 的取值不变。取平衡电阻 R5=10k 欧。（二）三角波正弦波变换电路的参数选择：隔直电容 C3，C4，C5 要取得较大，因为输出频率很低，取C3=C4=C5=470uF，滤波电容 C6 视输出的波形而定，若含高次谐波成分较多，则C6 一般为几十皮法至 0.1uF。Re2=100 欧与 RP4=100 欧相并联，以减小差分放大器的
19、线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整 RP4及 R*来确定。经过适当的调节后可使正弦波的失真度小于 1.5。3.3 整机电路性能分析1、方波的上升时间 t，主要受运算放大器转换速率的限制。如果输出频率较高，可 R3 与 Rp1 两端并接入加速电容 C，一般取 C为几十皮法。用示波器测量t。2、在产生方波三角波的电路中，由于比较器 A1 与积分器 A2 组成正反馈闭电路，同时输出，这两个电路可同时安装。在安装电位器 Rp1 与 Rp2 之前，要先将其调整到设计值。3、在三角波正弦波电路中，由于产生正弦波是三角波折线法得到的，输出电压要小于 10v，在输出端可以加一个简单的放
20、大装置，以达课题要求。4、调试稳压电源的负载特性，稳压电源的好坏可通过测量空载与满载时输出电大学课程设计说明书（论文）压有没有显著变化来鉴定。在空载时将输出电压调整为 10v，接上负载，观察输出电压是否下跌，跌幅越小，稳压电源稳压特性越高，如果下跌电压大于1v，要考虑增大 C1 的容量，加大电源变压器的容量。第 4 章 设计总结经过近一周的时间，基本完成了本次的课程设计。在这个过程中我遇到了很多困难。在这短短的一周内，从遇到困难到克服困难我增涨了许多知识也学到了很多东西。我的实践能力增强了许多，许多以前不会，不懂的知识通过课设有了完善，而且在理论上也有了更深的认识。在课程设计中我充分的应用了课
21、本的基础知识，把所学的知识应用到实践中，补充了一些知识的不足。在设计的过程中遇到的问题，能通过图书馆查找资料，扩展了知识面，提高了自我学习的能力。尤其是对波形方面的知识的学习。也通过此次课设，对所学知识有了更深的理解，也提高了解决实际问题的能力，活学活用。参考文献：1 康华光.电子技术基础，第五版，北京：高等教育出版社出版，2006：498-500。2 黑田 彻.晶体管电路设计与制作，北京：科学出版社，2007：228-236。3 张伯尧，应用电子学，浙江大学出版社出版。4 黄益源，林俊昌，电子线路基础，汕头大学出版社 1996。5 叶淬主，电工电子技术实验教程，化学工业出版社，2003。 6
22、 韩广兴.电子元器件与实用电路基础，电子工业出版社，2005。附录：器件清单序 号 器件标号 型 号 参 数 数 量大学课程设计说明书（论文）1R1，R2，R5,Rc1,Rc210K 52 R4 5.1K 13 Rb2 6.8K 14 R* 8K 15 Re3,Re4 2K 26 R3 5K 17 Rb1 1K 18 Re2,Rp4 100 29 Rp1，Rp3 47K 210 Rp2 100K 111 C1 100F 112 C1 10F 113 C2 1F 114 C2，C6* 0.1F 215 C3，C4，C5 470F 316 VT1,VT2,VT3,VT4 3DD01 417 A1,A2 A741 2大学课程设计说明书（论文）
