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1、湖南工学院课程设计 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.104、 电路的参数选择与仿真.115、 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 1 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）
2、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：110Hz、10100Hz；（3） 输出电压：方波Up-p=24V,三角波Up-p=6V,正弦波U1V；（4） 波形特征：方波tr10s（1kHz，最大输出时），三角波失真系数THD2%，正弦波失真系数THD5%。二、设计的
3、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
4、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。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
5、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
6、低的三角波变换成正弦波。综上所述，本课题选用方案一。.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
7、的非线性。 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 当时， 当时，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
8、波-三角波。三角波的幅度为：方波-三角波的频率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。 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，
9、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。 差分放大器传输特性曲线的非线性及三角波-正弦波变换原理如下图：图5 三角波-正弦波变换原理分析表明，传输特性曲线的表达式为： 上式中：；差分放大器的恒定电流；温度的电压当量，当室温为25时，UT26mV。如果Uid为三角波，设表达式为式中：Um三角波的幅度；T三角波的周期。 为使输出波形更接近正弦波，由图5可知：（1） 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；（2） 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区
10、或截止区。 3.总电路图整个设计电路如图6所示。图6 方波三角波正弦波函数信号发生器四、电路的参数选择与电路仿真本课题采用Multisim 10.1作为仿真软件。 Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。Multisim 10.1通过直观的电路图
11、捕捉环境, 轻松设计电路；通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为；借助高级电路分析, 理解基本设计特征；本课题使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。1.方波-三角波部分 参数选择：在电容C1、C2处放置了选择开关，可以满足课设要求的两个频率范围110Hz、10100Hz： 当需要110Hz时，开关选择C2=10F，取，RP2为100电位器； 当需要10100Hz时，取C2=1F，以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。平衡电阻。 方波-三角波电路的仿真： 在Multisim 10.1中按方波-三角波转换电路图（图2）接线。调节Rp1和Rp2到设定值，检查
12、无误后，在正确位置接上示波器观察输出波形，即可得到如图7所示的波形： 图7（a） 方波 图7（b） 三角波图8为双踪示波器显示的方波三角波波形图 图8 方波-三角波微调Rp1，使三角波的输出幅度满足设计要求，调节Rp2，则输出频率在对应波段内连续可变。2.三角波-正弦波部分 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，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微法。RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。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及电阻R7确定。 三角波-正弦波电路的仿真： 在Mu
