模电函数发生器课程设计报告.doc

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1、本科生课程设计题 目： 函数发生器的设计 课 程： 模拟电子技术基础 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 09电气四班 学 号： 姓 名： 王琨 指导教师： 王枫 完成日期： 2010.1.1 第 一 部 分任务及指导书（含课程设计计划安排）模拟电子技术课程设计任务指导书课题：函数发生器的设计一个电子产品的设计、制作过程所涉及的知识面很广；加上电子技术的发展异常迅速，新的电子器件的功能在不断提升，新的设计方法不断发展，新的工艺手段层出不穷，它们对传统的设计、制作方法提出了新的挑战。但对于初次涉足电子产品的设计、制作来说，了解并实践一下电子产品的设计、制作的基本过程是很有必要的。由于所涉及的

2、知识面很广，相应的具体内容请参考本文中提示的模拟电子技术基础实验与课程设计、电子技术实验等书的有关章节。函数发生器的简介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)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，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。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

3、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。本课题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，一、函数发生器的工作原理本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：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同样由积分环节来完成。电压比较器实现方波的发生，方波通过积分环节可以将方波变换成三角波，同样将三角波通过积分环节可将三角波变换成正弦波。 三角波 正弦波 方波图1-1 函数发生器电路组成框图二、设计目的1掌握电子系统的一般设计方法。2掌握模拟IC器件的应用。3培

4、养综合应用所学知识来指导实践的能力。三、设计要求及技术指标1设计、组装、调试函数发生器2输出波形：正弦波、方波、三角波；3频率范围 ：在1010000Hz范围内可调 ；4输出电压：方波U24V，三角波U8V，正弦波U1V；四、设计所用仪器及器件1直流稳压电源2双踪示波器3万用表4运放7415电阻、电容若干五、日程安排1布置任务、查阅资料，方案设计。（一天）根据设计要求，查阅参考资料，进行方案设计及可行性论证，确定设计方案，画出详细的原理图。2上机在EDB（或EDA）对设计电路进行模拟仿真调试、画电路原理接线图。（半天）要求在虚拟仪器上观测到正确的波形并达到规定的技术指标。3电路的装配及调试。（

5、两天半）在面包板上对电路进行装配调试，使其全面达到规定的技术指标，最终通过验收。4总结报告。（一天）六、课程设计报告内容：总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：1课程设计的目和设计的任务2课程设计的要求及技术指标3总方案的确定并画出原理框图。4各组成单元电路设计，及电路的原理、工作特性(结合设计图写) 5总原理图，工作原理、工作特性（结合框图及电路图讲解）。6电路安装、调试步骤及方法，调试中遇到的问题，及分析解决方法。7实验结果分析，改进意见及收获。8体会。七、电子电路设计的一般方法：1仔细分析产品的功能要求，利用互连网、图书、杂志查阅资料，从中提取相关和最有价值的信息、方法。

6、（1）设计总体方案。（2）设计单元电路、选择元器件、根据需要调整总体方案。（3）计算电路（元件）参数。（4）绘制总体电路初稿。（5）上机在Mulitisim（或EDA）电路实验仿真。（6）绘制总体电路。2明确电路图设计的基本要求进行电路设计。并上机在Mulitisim（或EDA）上进行电路实验仿真，电路图设计已有不少的计算机辅助设计软件，利用这些软件可显著减轻了人工绘图的压力，电路实验仿真大大减少人工重复劳动，并可帮助工程技术人员调整电路的整体布局，减少电路不同部分的相互干扰等等。3掌握常用元器件的识别和测试。电子元器件种类繁多，并且不断有新的功能、性能更好的元器件出现。需要通过互连网、图书、

7、杂志查阅它们的识别和测试方法。对于常用元器件，不少手册有所介绍。4、熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。通过排除电路故障，提高电路性能的过程，巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。5、独立书写课程设计报告。第 二 部 分课程设计报告目 录1设计的目的及任务（1）1.1 课程设计的目的 （1）1.2 课程设计的任务与要求 （1）1.3 课程设计的技术指标 （1）2 电路设计总方案及原理框图 （2） 2.1 电路设计原理框图（2） 2.2 电路设计方案设计（2）3 各部分电路设计 （3）3.1 方波发生电路的工作原理 （3）3.2 方波-三角波转换电路的工作原理（3）3.3 三角波-正弦波转换电

8、路的工作原理（6） 3.3电路的参数选择及计算（8）3.5 总电路图 （8）4 电路仿真（10）4.1 方波-三角波发生电路的仿真（10）4.2 三角波-正弦波转换电路的仿真（12）5 电路的安装与调试（15）5.1 方波-三角波发生电路的安装与调试（15）5.2 三角波-正弦波转换电路的安装与调试（15）5.3 总电路的安装与调试（15）5.4 电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法（16）6电路的实验结果（17）6.1 方波-三角波发生电路的实验结果（17）6.2 三角波-正弦波转换电路的实验结果（17）6.3 实测电路波形、误差分析及改进方法（18）7 收获与体会（19）8 仪器仪表明

9、细清单（20）参考文献（21）一设计的目的及任务（一） 课程设计的目的1掌握电子系统的一般设计方法。2掌握模拟IC器件的应用。3培养综合应用所学知识来指导实践的能力。（二）课程设计的任务与要求1仔细分析产品的功能要求，利用互连网、图书、杂志查阅资料，从中提取相关和最有价值的信息、方法。（1）设计总体方案。（2）设计单元电路、选择元器件、根据需要调整总体方案。（3）计算电路（元件）参数。（4）绘制总体电路初稿。（5）上机在Mulitisim（或EDA）电路实验仿真。（6）绘制总体电路。2明确电路图设计的基本要求进行电路设计。并上机在Mulitisim（或EDA）上进行电路实验仿真，电路图设计已有

10、不少的计算机辅助设计软件，利用这些软件可显著减轻了人工绘图的压力，电路实验仿真大大减少人工重复劳动，并可帮助工程技术人员调整电路的整体布局，减少电路不同部分的相互干扰等等。3掌握常用元器件的识别和测试。电子元器件种类繁多，并且不断有新的功能、性能更好的元器件出现。需要通过互连网、图书、杂志查阅它们的识别和测试方法。对于常用元器件，不少手册有所介绍。4熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。通过排除电路故障，提高电路性能的过程，巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。5独立书写课程设计报告。（三）课程设计的技术指标1.设计、组装、调试函数发生器；2.输出波形：正弦波、方波、三角波；3.频率范围 ：在

11、1010000Hz范围内可调 ；4.输出电压：方波U24V，三角波U8V，正弦波U1V；二电路设计总方案及原理框图（一） 电路设计原理框图函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器。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。现在我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证经济、方便、优化的设计策略。按照设计

12、的方案选择具体的原件，焊接出具体的实物图，并在实验室对焊接好的实物图进行调试，观察效果并与最初的设计要求的性能指标作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。 积分器图2-1 函数发生器电路组成框图（二） 电路设计方案设计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同样通过积分环节。三各部分电路设计（一） 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

13、，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。图3-1 方波发生电路U-=UcU+= (R3/ (R3+R4+Rp2) (+Uz)Ut = (R3/ (R3+R4+Rp2) (+Uz)Uc (t

14、) =Uc (oo) + Uc (0)-Uc (oo) e -t/Ut+=Uz+ Ut_-Uz T=2/ln (1+2R3/（R4+Rp2)（二） 方波-三角波转换电路的工作原理图3-2 方波-三角波产生电路图 图3-3 比较器的电压传输特性 图3-4 方波-三角波变换工作原理如下：若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C2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|）, 当比较器的U+=U

15、-=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 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 比较器的门限宽度由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-71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为时，时，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。三角波的幅度为方波-三角波的

16、频率f为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。（三）三角波-正弦波转换电路的工作原理图3-5 三角波-正弦波产生电路三角波正弦波的变换电路主要积分环节完成的。将三角波变成正弦波是经过一个非线性的变换网络（正弦波变换器）而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波点位向两端顶点摆动时，网络提供的电流同路阻抗会变小，这样就使三角波

17、的两端变为平滑的正弦波输出。 图3-6 三角波-正弦波变换（四）电路的参数选择及计算1.方波-三角波中电容C01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C02从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C02=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。得即取 ，则，取 ，RP1为47K的点位器。区平衡电阻由式（3-62）即当时，取，则，取，为100K电位器。当时 ，取以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻。三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：

18、根据不同频率段的输入的三角波变更换第二个积分环节的电容大小，根据需要控制反向放大器的放大倍数以得到符合要求的幅值。（五）总电路图 图3-7 函数发生器总电路图 四电路仿真（一） 方波-三角波发生电路的仿真仿真条件：先调节R4的电阻，即按动a键，使得输出三角波的峰峰值为8V,然后改变电容的值，让它分别为0.01uF、0.1uF、1uF、10uF,对应电阻R6的范围（即改变b的大小）得出不同的图形。 图4-1 C1=0.01uF 1% 图4-2 C1=0.01uF 99% 图4-3 C1=0.1uF 1% 图4-4 C1=0.1uF 99% 图4-5 C1=1uF 1% 图4-6 C1=1uF 9

19、9% 图4-7 C1=10uF 1% 图4-8 C1=10uF 99%（二）三角波-正弦波转换电路的仿真仿真条件： 观察方波三角波波形是否正常 图4-10 C1=0.01uF 1% 图4-11 C1=0.01uF 99% 图4-12 C1=0.1uF 1% 图4-13 C1=0.1uF 99% 图4-14 C1=1uF 1% 图4-15 C1=1uF 99% 图4-16 C1=10uF 1% 图4-17 C1=10uF 99%五电路的实验结果（一）方波-三角波发生电路的实验结果Multisim仿真结果：表6-1 multisim仿真结果C=0.01uffmin=625HZfmax=1.09KH

20、ZC=0.1uffmin=66.2HZfmax=1KHZC=1ufFmin=6.69HZfmax=113HZC=10ufFmin=0.672HZfmax=11.429HZ实际电路结果：表6-2实际电路结果C=0.01uffmin=833HZfmax=10KHZC=0.1uffmin=78.125HZfmax=2.08KHZC=1uffmax=217HZC=10uffmax=12.5HZ最大不失真电压U=1.9306V（二）三角波-正弦波转换电路的实验结果实际电路结果：(2).最后波形：Uo3（正弦波） Uo2（三角波）测量值Uo3=1.9306V峰峰值Uo2=100mV（三）实测电路波形、误差

21、分析及改进方法图6-1 失真波形 当C2（第一个积分环节的电容）变小时，正弦波形出现失真。实验证实可将电容C3(第二个积分部分有关的电容)适当变大是其输出正确的波形. 当C2取0.01uf时，c3取2uf,当C2取0.1uf时，C3取40uf，当C2取0.1uf时，C3取100uf。七收获与体会为期一个星期的课程设计已经结束了，最后完成了电路仿真，调试成功，得出一系列的实验结果，我们还是很高兴的。刚开始的时候，面对已经画好的图时，仿真怎么都出不来结果的时候，我很是着急，无论电路怎么修改时都不能得出结果，后来我们互相讨论，仔细研究了之前老师讲解的内容，总算是得出了正确的波形，很高兴，接下来就比较

22、容易了，根据不同结果的电容得出对应的波形。 接下来的日子里我继续对我的课程设计进行改造，尽量讲所有需要输出的波形调到任务的要求。我觉得这似乎是这部分设计最麻烦的地方，同时也是计算最多的地方。根据方波、三角波和正弦波所需要输出的波形的幅值的要求，我换了许多次电容和电阻，比较头痛的是三角波的幅值变换和正弦波的变化。每次调整三角波幅值的变化时，都会改天其频率，最后不得不讲电容C2变成可变电容器，使得其能改变输出波的频率而未改变其幅值的大小。这样如果要换三角波的幅值的话可以先变换幅值，在调整其频率，这样虽然解决了办法，但是方法显得很笨拙，这也是我在本次课程设计的过程中比较遗憾的地方。正弦波遇到的问题最

23、为苦恼。首先是波形的成型。在第一天下午忙完了一天的我，在学长的帮助下终于出现了索要的波形。但后来发现，方波和三角波的图形稳定，而正弦波的幅值再不断上升。在反复改变与其有关的电容和电阻后仍然出现这样的状况，而且输出幅值非常低，最终放弃了用差分式放大电路，换用积分电路替换，输出波形果然稳定了，可是同样出现了幅值不够的问题。起初认为是电路参数的问题，可是在换了许多次参数后发现当幅值超过一定值后波形出现失真，最终选择了反向比例放大器，使输出幅值放大。这次课程设计给了我们动手自己操作的机会，我学会了很多。课程设计给了我们一次实际掌握知识的机会，离开了课堂严谨的环境，接触到真正的电路元件，实际的动手操作，

24、解决问题。对于我们而言，最缺少的就是实习动手能力了，在课堂上，我们可以学到许多知识，但是当我们自己操作的时候就会遇到好多困难，就会觉得实践真的是我们在平时很需要的。只凭着自己单独的思考是不能完成实际的工作的。只有在拥有扎实的知识基础上，通过不断的实践，机械操作和经验的积累，然后才能把所学的知识有效的运用到实际工作中。所以这半个星期的课程设计对我们而言是必不可少的，不仅是给我们锻炼自己实践能力的机会，也是检验我们在课堂上所学的知识是否扎实的时机。通过我们自己的观察才能对课上所学器件进行实际化，更能让我们记得更深更牢。当然也会对我们所掌握的知识进行补充，填补其中的空白，弥补其中的盲点。这一个星期的

25、实习，让我学到了很多，当然也有许多感触。在学校，如果我们不能学到一点技能的话，出了校门我们能够去干什么样的工作呢。而且对于以后自己是从事技术开发工作还是其他的车间操作还是其他的等等都有了一些了解，能够为自己的将来做个正确的决定。而且有个好的搭档对我们的操作也起到了一个事半功倍的效果，我们整个过程中都是通过互相讨论来一起解决遇到的种种难题，所以说以后的学习和工作中，与搭档的好好相处与互相协助也是必不可少的一件事情。八仪器仪表明细清单表8-1仪器仪表明细清单1直流稳压电源1台2双踪示波器1台3万 用 表1台4运 放7413片5电位器50K2只电位器100K1只电位器1002只6电 容470F3只电

26、 容10F1只电 容1F1只电 容0.1F2只电 容0.01F1只7电 阻1001只电 阻2K2只电 阻6.8K2只电 阻10K3只电 阻15K1只电 阻20K3只电 阻51K1只参考文献李万臣、模拟电子技术基础实验与课程设计、2001、哈尔滨工程大学出版社华成英、模拟电子技术基础、2005、高等教育出版社董 平、电子技术实验、2003、电子工业出版社童诗白、模拟电子技术基础（第四版）、2006、高等教育出版社于 卫、模拟电子技术实验及综合实训教程、2008、华中科技大学出版社谢自美、电子线路设计实验测试（第三版）、华中科技大学出版社李万臣、模拟电子技术基础 设计 仿真 编程与实践、哈尔滨工程大学出版社