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1、多波形函数信号发生器设计任务书1.设计目的通过该设计学生进一步理解正弦波振荡电路、比较器和积分电路的工作原理：学会电子电路的一般设计方法、电路参数计算和元器件选择及调试方法。2.设计任务（1）输出波形：正弦波、方波和三角波。（2）频率范围100 Hz1 KHz（3）输出电压：正弦波峰-峰值Up-p12V，方波峰-峰值Up-p=16V，三角波峰-峰值Up-p=16v 3.设计要求（1）根据要求画出原理框图，进行单元电路设计，最终设计出总体硬件电路，说明工作原理；（2）计算参数、选择元器件并进行必要的仿真；（3）撰写课程设计说明书（B5纸，15页左右），画出电路原理图（A3图纸1张）。 4.参考资
2、料1 吴建强主编.电工学新技术实践.北京：机械工业出版社，2009 2 彭介华主编.电子技术课程设计指导.北京：高等教育出版社，2005 3 周常森编.电子电路计算机仿真技术.山东：山东科学技术出版社，2001 4 张秀娟，陈新华主编.EDA设计与仿真实践.北京：机械工业出版社，2003多波形函数型号发生器的设计报告目录一设计要求1二设计的作用、目的1三设计的具体实现11系统概述12单元电路设计、仿真与分析3四心得体会级及建议19 五附录20六参考文献21多波形函数型号发生器的设计报告一.设计要求(1) 输出波形：正弦波、方波和三角波。(2) 频率范围100Hz1KHz。(3) 输出电压：正弦
3、波峰-峰值Up-p 12V，方波峰-峰值Up-p=16V,三角波峰-峰值Up-p=16V。二.设计的作用、目的通过该设计学生进一步理解正弦波振荡电路、比较器和积分电路的工作原理；学会电子电路的一般设计方法、电路参数的计算和元器件选择及调试方法。三.设计的具体实现 1.系统概述多波形信号发生器是工业生产、产品开发、科学研究等领域必备的工具，它产生的锯齿波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本测试信号。它根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的
4、函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。本设计要求实现一个信号发生器，能够产生正弦波，三角波和方波,且要求输出波形的频率，幅度均可调。函数信号发生器的实现方法通常有以下几种：用分立元件组成的函数发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定；可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生；利用单片集成芯片的函数发生器；利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器。本次课程设计是针对低频的，故采用模拟电路实现方案。方案一，正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方
5、波，再经过积分电路产生三角波，其电路框图如下图3-1所示。图3-1 方案一电路原理框图方案二，由三角波，方波发生器产生三角波和方波信号，然后通过转换电路（差分放大器），将三角波换成正弦波信号，其电路框图3-2如下所示：图3-2 方案二电路原理框图 由于根据老师给出的设计要求为：通过该设计学生进一步理解正弦波振荡电路、比较器和积分电路的工作原理。且方案一为开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小，而方案二采用差分电路比较复杂。故本设计采用方案一。总体工作过程：首先采用一个RC桥式振荡电路发出一个正弦波，然后经过一个过零比较器把正弦波变为方波，最后通过一个积分电路把方波变为三角波。 2
6、. 单元电路设计、仿真与分析1) RC桥式振荡电路（1）电路工作原理RC桥式正弦振荡电路：RC桥式正弦振荡电路如图3-3所示。其中R1、C1和R2、C2为串、并联选频网络，并由它决定振荡频率fo，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。R3、RW及R4组成负反馈网络，由它决定起振的幅值条件和调节波形的失真程度与稳幅控制。图3-3 RC桥式正弦振荡电路在满足R1=R2=R,C1=C2=C的条件下，该电路的振荡频率fo=12RC起振条件Aufl=R3+Rw+R4R33调整电阻Rw，使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大Rw，如波形失真严重
7、，则应适当减少Rw。改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C作频率量程切换（粗调），而调节R作量程内的频率细调。（2）仿真 RC桥式正弦振荡电路Multisim仿真图，如图3-4所示。图3-4 RC桥式正弦振荡电路Multisim仿真图 RC桥式正弦振荡电路Multisim仿真图输出波形图，如图3-5所示。图3-5 RC桥式正弦振荡电路输出波形图峰峰值Vp-p=24.446v，周期T=3.48ms，频率fo=288.27Hz（3）有关参数的计算 频率 在满足R1=R2=25k，C1=C2=0.022f的条件下，该电路的振荡频率 fo=12RC=12*25*22=289.5
8、 Hz。由图3-6所示，电路中频率计实际测量fo=288.27Hz，与理论计算相差不大。 图3-6 RC电路中频率计 幅值 根据我在实际电路测试得出，调节R3，Rw，R4，和负反馈网络中的两个二极管类型都可以起到调节幅值的作用。但必须满足起振条件 Aufl=R3+Rw+R4R33。本设计主要采用调节R3，来改变输出的幅值，满足设计要求正弦波峰峰值Up-p 12v。（4）元器件参数的选择选频网络R C的选择 根据设计任务，频率范围为100Hz1KHz。由频率公式fo=12RC，可以看出改变频率可以通过改变R或C来实现。本设计采用固定C，改变R的方式来改变振荡频率。 根据频率公式 fo=12RC
9、和C=0.022f可以算出R1和R2在7K72K变化就可获得频率在100Hz1KHz的正弦波。（注意：R1，R2 在变化时必须阻值保持一致，否则不能产生正弦波。） 集成运算放大器的选择 振荡电路中使用的集成运算放大器除要求输入电阻高、输出电阻低外，最主要的是运算放大器的增益-带宽积GBW3fo。因为本设计要求的振荡频率fo较低，可选用任意型号的运算放大器。 阻容元件的选择 选择阻容元件时，应注意选用稳定性较好的电阻和电容（特别是串并联回路的R、C），否则将影响频率的稳定性。此外，还应对RC串并联网络的元件进行选配，使电路中的电阻、电容分别相等。2） 过零比较器（1）电路工作原理电压比较器是将一
10、个模拟输入信号ui与一个固定的参考电压UR进行比较和鉴别的电路。参考电压为零的比较器称为过零比较器。按输入方式的不同可分为反相输入和同相输入两种过零比较器，如图3-7（a）3-7（b）所示。图3-7 过零比较器 （a）反相输入 （b）同相输入通常用阈值电压和传输特性来描述比较器的工作特性。阈值电压(又称门槛电平)是使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值，简称为阈值，用符号UT表示。算阈值主要应抓住输入信号使输出电压发生跳变时的临界条件。这个临界条件是集成运放两个输入端的电位相等(两个输入端的电流也视为零)，即U+=U。对于图3-7(a)电路，U=Ui, U+=0, UT=0。本设计采用带有接有
11、稳压管反馈通路的比较器，如图3-8所示。可以限制输出Uo的幅度，即Uo=Uz。可见，虽然图示电路中引入了负反馈，但它仍具有电压比较器的基本特性。图3-8电路有如下两个优点：一是由于集成运放的净输入电压和净输入电流均近似为零，从而保护了输入级；二是由于集成运放并没有工作到非线性去，因而在输入电压过零时，其内部的晶体管不需要从截止区逐渐进入饱和区，或从饱和区逐渐进入截止区，所以提高了输出电压的变化速度。图3-8 可限幅的过零比较器（2）仿真 过零比较器Multisim仿真图，如图3-9所示。图3-9 过零比较器Multisim仿真图 过零比较器Multisim仿真图输入输出波形图，如图3-10所示
12、。图3-10 过零比较器Multisim仿真图输入输出波形图正弦波，峰峰值Vp-p=16v，周期T=3.47ms，频率fo=288 Hz。方波，峰峰值Vp-p=24v，周期T=3.47ms，频率fo=287 Hz（3）有关参数计算 输出方波频率 因为过零比较器没有改变输入信号频率的功能，所以输出信号频率应与输入信号频率相同，即f=fo=288Hz。 幅值 因本设计采用的是限幅的过零比较器，所以输出信号的幅值应与所采用稳压管的型号有关，本设计采用1N4462型稳压管，根据资料如图3-11所示和输出波形图（图3-10）来看。输出信号幅值为8v。图3-11 稳压管参数资料（4）元器件参数的选择 稳压
13、管的选择 根据设计任务，要求方波峰-峰值Up-p=16 V，所以要求稳压管Uz=8V，所以参考图3-11，经过我在实际试验当中测得的数据，选用1N4462型稳压管，限幅最接近8V。 电阻元件的选择 因为考虑到实际制版当中的发热问题，应选用较大电阻用来减小实际电路中因电流流动所产生的发热问题，所以本设计中过零比较器中R1、R2选用阻值为10K的电阻。3）积分电路（1）电路工作原理 积分电路主要用于波形变换、放大电路失调电压的消除及反馈控制中的积分补偿等场合。图3-12所示是一个典型的积分电路图。图3-12 反相积分电路由图可以看出，输入信号经过了一个电阻后经过反馈流到电容上，但此时认为电容的初始
14、电量为零，故此时给电容充电。由于集成运放的同相输入端通过R2接地，Up=Un=0，为“虚地”。电路中，电容Cf中电流等于电阻R1中的电流 ic=ir=UiR1，输出电压与电容上电压的关系为 Uo=Uc，而电容上电压等于其电流的积分，故 Uo=-1Cic dt=-1RC Ui dt （2）仿真 积分电路Multisim仿真图，如图3-13所示。图3-13 积分电路Multisim仿真图 积分电路Multisim仿真图输入输出波形图，如图3-14所示。图3-14 积分电路Multisim仿真图输入输出波形图方波，峰峰值Vp-p=16v，周期T=3.48ms，频率fo=288 Hz。三角波，峰峰值Vp-p=16.2v，周期T=3.48ms，频率fo=288 Hz（3）有关参数计算 输出三角波频率 因为积分电路也没有改变输入信号频率的功能，所以输出信号频率应与输入信号频率相同，即f=fo=288Hz。（4）选择电路元件 当时间常数=RC确定后，就可以选择R和C的值，由于反相积分电路的输入电阻Ri=R1，因此往往希望R1的值大一些。在R1的值满足输入电阻要求的条件下，一般选择较大的C1值，而且C1的值不能大于1F。 确定R2
