函数信号发生器课程设计.docx

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1、湘潭高校课程设计说明书题目：函数信号发生器课程名称，电子技术综合设计学院：信息工程学院专业，自动化学号：姓名:指导老师：完成日期，20曰年6月课程设计任务书设计题目函数信号发生器设计时间2016年6月1号一2016年6月21号学生姓名学号班级设计任务及要求：设计任务：设计、组装、调试函数信号发生.器，性能如下:(1)能输出波形包括：正弦波、三角波、方波：(2)输出电压幅值要求：方波峰峰值1.wv20V,一：角波峰峰值V2pp=6V,正弦波峰峰值Vjpp1V;频率范闱：10HZ-IoAHZ范围内可调。基本要求：(I)系统总体方案的设计，分析比较各种设计方案的优缺点，画出系统框图，并进行经济决策分

2、析：(2)单元电路设计、参数计算和器件选择:要有电路参数设计的具体分析过程，要供应各种参数的选择依据，绐出主要参数计算公式：(3)应用Mu1.tisim软件进行仿真，仿真不同参数下的电路仿真结果，并分析系统性能；(4)要求进行系统硬件设计及制作：(5)硬件调试及分析：要得到实际电路的测试结果(记录波形)，并对结果进行分析，并给出误差产生缘由：(6)按要求撰写设计说明书。摘要，I1 .设计背景11.1 任务阐述11.2 任务分析11.3 课题项目管理安排进度表12 .设计方案32.1 系统方案设计321.1.方案一32.1.2.方案二32.1.3.方案三42. 1.4.方案比较42.2单元电路设

3、计及器件参数选择52.2.1.方波产生电路52.2.2.三角波产生电路62.2.3.正弦波产生电路82.3完整电路设计93.方案实施103.1系统仿真及性能分析103.1.1.方波一三角波产生电路103.1.2.正弦波产生电路113. 2硬件制作与调试123.2. 1.运用的主要仪器和仪表123.2.2.调试电路的方法和技巧123.2.3.测试的数据及误差分析、波形133 .2.4.调试中出现的故障、缘由及解除方法144 .结果与结论154.1. 设计电路和方案的优缺点及建议154.2.课题核心及好用价值155.收我与致谢166.考姬177.tf11设计题目函数信号发生器摘要：函数信号发生器作

4、为一种常用的信号源,它可以产生多种波形信号,如正弦波,三力波,方波等。因而此次试验旨在运用模拟电子技术学问来制作一个能同时输出正弦波、方波、三角波的函数信号发生器。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。本课题则采纳先产生方波一三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。关健询：滞回比较Sh积分电路；差分放大电路；波形；叛率1 .设计背景1.1 任务修述函数信号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。它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而此次试验旨在运用模拟电了技

5、术学问，并利用试验室所供应的集成运放741、三极管9031、若干可调电阻、定值电阻以及电容等器件自行设计电路图，完成仿其及实物制作，最终设计完成一个能同时输出正弦波、方波、三角波的函数信号发生器。1.2 任务分析函数发生器一般是指能臼动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。因此本次课题设计的关键是设计能够分别产生方波、三角波、正弦波的三个电路“在对任务进行初步分析之后，回顾所学模拟电子技术学问发觉带正反馈的迟滞比较器可以产生方波，积分电路在方波的输入下可以生成三角波，而射极耦合式差分放大电路可以在以：角波为输入的状况下输出正弦波.又结合试验室所给器材及器材数量，以及杳

6、阅相关资料，最终可以将这三大电路模块串联构成函数信号发生器。确定好电路初形后，在仿真软件上进行仿真调试，最终去试验室进行实物打算。1.3 课题项目管理安排进度表序号各阶段完成的内容完成时间1查阅相关文献资料、课题调研2016.6.12驾驭设计软件、制订进度安排2016.6.13系统方案的比较和选定，经济决策分析2016.6.24单元电路设计、参数计算及元器件选择2016.6.2-2016.6.45系统仿真及性能分析2016.6.4-2016.6.56仿真结果检查2016.6.67系统硬件制作及调试2016.6.6-2016.6.138硬件制作结果检查2016.6.149撰写课程设计说明书201

7、6.6.17-2016.6.212 .设计方案2.1 系统方案设计产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路籽正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成：角波：也可以首先产生角波一方波，再将方波变成正弦波或先将三角波变成正弦波，再将正弦波变成方波等。以下就三种试验方案进行比较分析。2.1.1. 方案一由555定时器组成的多谐振荡器在接通电源后产生方波，再通过积分电路将方波转化成三角波，最终用低通滤波罂将方波转化成正弦波。该方案系统框图如下：555多谐振荡涔I卜积分电路IIS图2-1方案一系统框图2.1.2. 方案二采纳先产生方波一三角波，再将三角波变换成正弦波的电路

8、设计方法。即先通过电压比较器产生方波，然后通过积分电路形成：角波,最终由差分放大电路形成正弦波。该方案系统框图如下:图22方案二系统框图2.13方案三该方案首先通过文氏电桥产生正弦波，然后通过过零比较器调出方波，最终通过RC枳分电路产生三角波，三种信号频率相同。该方案系统框图如下：文氏电桥2.1.4. 方案比较在性能方面，方案的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的畸变：方案三应用集成运放5324,其芯片的内部结构是由4个集成运放所组成的，其特点是振幅和频率稳定且便利调整能够产生频率很低的正弦信号，电路虽具有良好的正弦波和方波信号，但经过积分电路产生的同步三角波信号，存

9、在难度,缘由是积分电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的变更，积分电路输出的三角波幅度同时变更，而且通过仿或发觉枳分器极易产生失调：方案二电路则具有良好的正弦波和方波信号，稳定性好，且UA741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,负载实力强,有输出爱护等.在价格方面，方案一中的555定时器每个售价也许须要2元，价格相对海一点，一个面包板须要5元，可调电位器两只须要1元，各类电阻、电容、导线等须要0.5元，共计也许须要9元；方案二中运用的UA7M芯片价格低廉，每个传价仅在1元左右，共用了三个UA741芯片,面包板5元，各类可调电位罂、电阻、电容、导线

10、等也许须要2元左右，总计10元左右；方案三中用到芯片1.M324,每个也许0.4元,可调电位器两只须要I元，各类电阻、电容、导线等也许须要I元，加上面包板、各类电阻共计须要10元左右。经过以上对各方案在性能和价格方面的比较，发觉：个方案所用器件的价格差别不大，但是结合性能分析可得方案二更适合木次课程设计。因此本次课程设计运用方2.2 单元电路设计及器件）数选择2.2.1. 方波产生电路图2-1方波产生电路方波产生电路如图2-4所示，它由反相迟滞比较器组成，在反向输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络。由于正反馈的作用，其门限电压会随着输出电压“的变更而变更。它的灵敏度低-点，但是抗干扰实

11、力较好。设电路上门限电压为1+,下门限电压为。从於=0,w,=Mv,w=匕.起先探讨。当W由零向正方向增加接近w=匕.前，V。始终保持w,=h.不变。当V，增加到略大于a=%一则V-由Mr,下跳到Mr,同时使2下跳到a=%.-,W再增加，v保持v=Vcc-不变。若减小I,只要V，大于卯=%则V”将始终保持Vb=V-不变，只有当V，小于=匕一时，口才由后一跳变到V.设运放是志向的，可分别求得上门限电压弘1.、卜门限电压片-分别为:VREF+VccRa-R?+R+M则比较器的门限宽度Ri+Ra+Ra(Vcc-Vcc-)由以上公式可得到卜.图所示口的传输特性曲线:人UoIzCC-Vcc图25V的传输

12、特件曲线2.2.2. 三角波产生电路在本设计中，三角波信号的产生是利用积分电路的原理进行设计的。迟滞比较器输出的方波信号作为积分电路傩入端，积分电路对输入的方波信号进行积分，输出三角波信号。电路图如下图所示：图2-6三角波产生电路该电路中运算放大器5与电阻Rs、电容C1.以及变阻器RX组成积分电路，输入电压为迟滞比较器产生的方波。该积分电路的输入电压是迟滞比较器的输出电压，设为vs，积分电路的输出电压为V。”利用虚短虚断的概念，电容C1.以电流R=I%6进行充电。则可得(2-4)上式表明，输出电压是输入电压的对时间的积分，负号表示它们在相位上是相反的。当期=VoC.时,(2-5)(2-6)-V

13、cc*V.2=ReCi当宣1=VOC-时，-Vcc-Vn2=ZfhC1.频率f的计算公式为(2-7)可见积分涔的输入为方波时，输出是一个上升速度与卜降速度相等的三角波。图中迟滞比较罂与积分器首尾相连，形成闭环电路，可自动产生方波三角波。该电路的留件参数选择：由式及仿真发觉，调整电阻心可变更波形的频率,调整电阻R,变更三角波的峰峰值，且当电阻RS在47Ka内变更时，三角波峰峰值可以满意设计要求达到6V,因此将&设置为较大的100KC的变阻器。另外，图中电容C大小为IuF,在仿真和实物调整时,波形频率都达不到要求的和kHz,因此,在实物焊接中，因调整频率须要，先符G接成IUF,后来改为两个0.5U

14、F和一个型号为223的电容串联。2.2.3. 正弦波产生电路三角波一正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成.差分放大罂具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰实力较强等优点。特殊是作为直流放大器时，可以有效的抑制零点漂移，因此可将领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。核电路的参数选择原则是：隔直电容G、G、&.要取得较大，因为输出频率很低，所以取C：=C,=C-470uF而为使正弦波具有良好的对称性，将可调变阻器RKI调到50%位置.2.3 完整电路设计完整的试验原理图如图2-8。图中运算放大器U1.是滞回比较器电路，产生幅值小于20V的电压；运匏放大器

15、U2是积分电路，通过调整可调电阻的阻值，将方波转换为幅值等于6V的三角波：差分放大电路则将积分器产生的三角波转化成正弦波，幅值大于IV。所用的器件大小如表21所示。发2-1器件大小器件RRiRyRi/6RiRaRQRo参数IOkQIOk20k47kQ5.Ik100k47kQIOk6.8kQ200器件R1.1.如uRSRt)CiCzCiCs参数IOkQIOkQ6.8k8kQ2k2kIuF470uF170uI470u1.图2-8函数发生器仿真电路3 .方案实施3.2 系统仿真及性能分析3.2.1. 方波一三角波产生电路方波一三角波产生电路系统仿其如图31所示。图3-1方波一三角波产生电路对于方波产

16、生电路,调整电S1.万，当电阻R4=30KQ,R6=68K时.系统仿真波形图如图3-2所示.视察图3-2波形可知，方波的峰峰值为19.805V,满意要求的VppA2.735VS.611V5.455V1047”双。画iffi三CDExt*:oEI单次王拿但闻无回8图3-2仿真方波一三角波3.2.2. 正弦波产生电路系统仿真正弦波产生电路如图33所示。VCCTPIZOV图3-3正弦波产生电路调整电阻用，当察=103Ka时,产生的正弦波仿真波形如图3-4所示。S.AISjB-Bw.DGNDMJC5.M5V5.483V11.028V反向ffffT1.4-4T2-T1时间120.02ms102.020m

17、-18.782ms3e8Ogg触发一选3：田工水平：o-8提t:；IOmSvX釉位蜂（格）：叵二AfiAV的设计要求,此时,R6=68k,R,=10.3kQ。3.3 硬件制作与调试3.3.1. 运用的主要仪器和仪表试验时运用的主要仪器有焊铁、示波器，运用焊铁时应留意,停止运用时拔掉电源，避开烫伤人和损坏物品，示波器则用来检测方波、三角波、正弦波能否正常产生.测量时运用的主要仪表有万用表，用来检测焊接电路是否短路或开路，以及测量可变电阻的限值。3.3.2. 调试电路的方法和技巧检杳所焊电路是否短路或开路时，聘万用表调到婶鸣档，将黑红箔头分别放在待测电路两端,假如电路导通,则万用表发出“嗡”的蜂鸣

18、声，假如万用表没有发出蜂鸣声，则说明电路开路：在检查通断时，可先在一条较长的电路两端测量,假如万用表蜂鸣，说明该长电路导通，假如万用表不响，再缩短电路长度，往中间缩短电路长度，更便于检查。在调试电路时，因可变电阻有多个，所以采纳限制变量法，即先变更其中一个变量，其他变量保持不变，依次增大或减小电阻值，视察并记录输出电压的幅值和频率的变更状况，再依次调整各个电阻，视察相应输出电压幅值和频率变更，总结规律.3.23潴试的数据及误差分析、波形方波实际频率范围10Hz-7kHz,要求范围IOHz-IOkHz实际幅值范困19.6V-21.IV,要求范困20V三角波实际频率范圉IOHZ7kHz,要求他隹I

19、IOHZ-IokHZ实际幅值范困6.00.2V,要求范围=6丫正弦波实际频率范用IoHZ-7kHz,要求更用IOHZTOkHZ实际幅值范围383mV-20.6Y,要求范围1V以上数据比较分析后易知，在误差允许范加内，方波和三角波的实际幅值大小基本满意要求幅值大小，而频率则始终达不到要求的IOkHz,并且在达到7kHz的时候波形已经严峻失真，并且正弦波的幅值也不再满意要求幅值,通过武验视察知，频率大小在IOHZ-2kHz范围内时，波形基本不失真。如图3-5、图小6、图3T所示.USB存储EDeEZ档案管理存储，三面图3-6示波器三角波存储,三面存储IEDGE/图3-7示波器正弦波档案管理3.2.

20、4.调试中出现的故障、缘由及解除方法在试验第一次调试时发觉三个波形均不能正常出现，首先检查电路，考虑到假如方波产生电路出现错误，那即使枳分电路和差分放大电路都正幽，三角波和正弦波也不能出现，所以先检查方波产生电路，即迟滞比较器，检查后发觉电阻&和的位身焊接错误，改正二者位置后，再次通电，发觉方波和：角波波形正常出现，但正弦波波形照旧不能正常出现，则差分放大电路出现错误，再次检杳焊接电路，发觉输出触头没有接进差分放大电路，示波器没仃输入信号，从而导致正弦波不能出现，将触头焊接进电路后，方波、：.角波、正弦波均能正常显示.所以，检查故障时主要是分段检修，高效且节约时间。4.结果与结论41设计电路和

21、方案的优缺点及建议设计电路具有良好的正弦波和方波信号，稳定性好，且UA741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，负栽实力强，有输出爱护等，并且价格低廉，便利经济。但也存:在肯定的缺陷，比如频率的可调范围较小，且难调，而且较难达到试验要求。对我自己而言，在仿真时调整频率相对比较简洁，而当电路焊接完成之后再通过变更电容值来调整频率就比较困难，方面忒验板的而积有限，另一方面，聘焊好的电容拆下来换新的电容上去，会对试验板上的焊盘有所损坏，从而可能导致焊接失败。所以，假如能筋在电容旁边加一个开关，可以限制接近电路的电容大小，试脸会相对简洁点。4.2. 课题核心及好用价

22、值本次课程设计的核心是如何产生方波、三角波、正弦波信号,并I1.调整波形的频率和幅值.这也是设计电路和方案的重中之重.函数信号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它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等。函数信号发生器在电路试验和设备检测中具有非常广泛的用途。函数信号发生器在现代社会中发展中是很有用的,因此,此次课程设计是很有价值的.附件3.设计图纸（仿真图）见图3.仿真图纸T1.皮三ImiiiiiiiiiiuOOOooooooooooooooooooooaoooooooooooooooooooooooooooooooooooOOOOOOQoooooo

23、oooooooooooooooOCqooooooooooooooo-*oooooooooooIIHIIiiii三t三uoff249.92%平均值1.chanoff峰-峰值tchanoff21.8U14-Jun15：2。TTgaC叩比WJ:HNRINH500us1CH2CH1.-500mUCH22U附图5-3.最小不失口正无波最小不失真正弦波峰峰值为10.8丫，频率为564.7Hz附图57.最大不失真方波最大不失真方波峰峰值为17.8V.频率为1.87kHz相图5-5.最大不失其三角波最大不失其三角波峰峰值为6.OOV,频率为2.07k1.1.z附图5f.设大不失真正弦波最大不失真正弦波峰峰值为103Y,频率为2.07kH附件6.波形图附图6-1G小不失火方波EDGEFf1.1.J6-3.她小不失真正弦波附图65.股大不失真三角波CH1.附图6-6.最大不失真正就波设计成果评定:序号考核内容评定权重系数评分1设计方案是否正确，是否有创新之处0.22仿真结果是否正确0.23硬件制作是否规范().14硬件运行结果是否正确0.25口头表述是否清晰0.16设计报告是否规范、组织表述是否精确、清晰0.2加权总分百分制成果与等绘制成果对应关系如卜：90分（含）以上一一优秀：80含-90之间良好：70（含）-80之间-一中等：60（含）-70之间-及格：60分以下不及格.总成绩：指导老师：年月日