函数信号发生器课程设计.doc-资料库

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华北科技学院课程设计目录一、设计的任务和要求............................................................................2 二、设计的方案选择与论证...................................................................3 三、函数发生器的具体方案...................................................................5 1 总的原理框图及总方案..............................................................5 2 各组成部分工作原理..................................................................6 3 总电路图........................................................................................10 四、电路的参数选择与仿真.................................................................11 五、实验结果分析.....................................................................15 六、实验总结............................................................................................16 七、参考文献..............................................................................................17 附录:元器件列表..........................................................................................18 第 - 1 - 页共 18 页

华北科技学院课程设计一．设计的任务和要求 1.设计任务设计方波—三角波—正弦波函数信号发生器 2.设计目的（1）巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。（2）培养根据课题需要选学参考书籍,查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。（3）通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件；初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。（4）了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。（5）培养严肃、认真的工作作风和科学态度。 3. 性能指标要求（1）输出波形：正弦波、方波、三角波等；（2）频率范围：1～10Hz、10～100Hz；（3）输出电压：方波 Up-p=24V,三角波 Up-p=6V,正弦波 U>1V；（4）波形特征：方波 tr<10s（1kHz，最大输出时），三角波失真系数 THD<2%，正弦波失真系数 THD<5%。第 - 2 - 页共 18 页

华北科技学院课程设计二、设计的方案选择与论证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)。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。 1. 方案一采用分立器件实现电路组成，主要的部件有双运放 uA741 运算放大器、电压比较器、积分运算电路、差分放大电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案由三级单元电路组成的，第一级单元可以产生方波，第二级可以产生三角波，第三极可以产生正弦波，通过第二级的选择开关可以实现频率波段的转换，通过对差分放大电路部分元器件的调节来改善正弦波产生的波形。 2. 方案二采用集成电路实现，主要部件有高速运算放大器 LM318、单片函数发生器模块 5G8038、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案通过调节不同电位器可调节函数发生器输出振荡频率大小、占空比、正弦波信号的失真，可产生精度较高的方波、三角波、正弦波，且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。第 - 3 - 页共 18 页

华北科技学院课程设计 3 方案比较与选择方案二采用芯片虽然精度较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，而它们只能产生300kHz 以下的中低频正弦波、矩形波和三角波，且频率与占空比不能单独调节，从而给使用带来很大不便，也无法满足高频精密信号源的要求。 uA741是美国仙童公司较为早期的产品,由于其性能完善,如差模电压范围和共模电压范围宽,增益高,不需外加补偿,功耗低,负载能力强,有输出保护等,因此具有较广泛的应用。uA741这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作，可以方便的输出精度较高的方波、三角波、正弦波，且可以通过调节差分放大电路的各个参数调节正弦波的失真。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，可将频率很低的三角波变换成正弦波。综上所述，本课题选用方案一。. 第 - 4 - 页共 18 页

华北科技学院课程设计三、函数发生器的具体方案 1. 总的原理框图及总方案图 1 函数信号发生器原理图多波形信号发生器方框图如图 1 所示。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。并采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法：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。设计差分放大器时，传输特性曲线要对称、线性区要窄，输入的三角波的的幅度 Um 应正好使晶体管接近饱和区或截止区。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。第 - 5 - 页共 18 页

华北科技学院课程设计 2. 各组成部分的工作原理 2.1 方波---三角波转换电路的工作原理图 2 方波-三角波转换电路图 2 为方波-三角波转换电路，其中运算放大器用双运放 uA741。工作原理如下：若 a 点断开，运算发大器 A1（左）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 A2（右）与 R4、RP2、C2 及 R5 组成反相积分器，其输入信号为方波 Uo1,则积分器的输出电压 Uo2 为 U O 2  ( R 4  1  RP C ) 2  2 U dt O 1 当 1O U 当 1O U V  时， 2 O U CC V  时， 2 O U EE  ( ) V   CC ) R RP C  4 2 2 ( t  V  CC ) RP C  2 2 t ( R 4  ( ) V   EE ) R RP C  4 2 2 ( t  V CC ) RP C  2 2 t ( R 4 第 - 6 - 页共 18 页

华北科技学院课程设计由此可见积分器在输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如下图 3 所示图 3 方波--三角波波形关系若 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。三角波的幅度为： U O m 2  R 2 RP  1 R 3 V CC 方波-三角波的频率 f 为： f  R 3 ( R R 2 4   RP 1 ) RP C 2 2 4 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。第 - 7 - 页共 18 页

华北科技学院课程设计 2.2 三角波—正弦波转换电路工作原理图 4 三角波—正弦波转换电路图（4）为实现三角波—正弦波变换的电路。其中 Rp3 调节三角波的幅度，Rp4 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 C3,C4,C5 为隔直电容，C6 为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。三角波-正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。差分放大器采用单入单出方式。三角波-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。第 - 8 - 页共 18 页

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