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1、杜旭 3204090101长 安 大 学电子技术课程设计课题名称 函数信号发生器 班 级 3 2 0 4 0 9 0 1 姓 名 杜 旭 指导教师 田 莉 娟 日 期 2011年6月30日 前 言在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路称为函数信号发生器，又名信号源或振荡器。函数信号发生器与正弦波信号发生器相比具有体积小、功耗少、价格低等优点, 最主要的是函数信号发生器的输出波形较为灵活, 有三种波形（方波、三角波和正弦波）可供选择，在生产实践，电路实验，设备
2、检测和科技领域中有着广泛的应用。在本次课程设计中，我们利用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进行波形设计，并对核心元件参数选择作了经验分析和调整。并用Multisim软件画出电路图及仿真。主要内容包括直流稳压电源，信号产生电路，频率显示电路和电压幅值显示电路三大部分。信号发生器产生的三种信号经过适当的整形变为脉冲，输入频率显示电路，从而达到了数字显示频率的要求。而幅值显示部分我们从图书馆和网络中找到了芯片CC7107来实现幅值数字显示。目 录摘要3关键字3设计要求3第一章 系统概述41.1 系统设计思路41.2 设计方案及可行性41.3 系统功能块划分41.4
3、 系统框图51.5 总体工作过程5第二章 单元电路设计与分析1.信号产生电路61.1 函数发生器的总方案61.2 各组成部分的工作原理71.3 计算元器件参数111.4 信号发生总电路图及仿真122.频率显示电路2.1频率测量的方法132.2整形电路162.3时基电路172.4控制电路192.5用到的芯片193.电压幅值显示电路3.1峰值检测电路243.2数字电路24第三章 系统综述、总体电路图28第四章 结束语28参考文献28元件明细表29鸣谢29心得体会30附图（总电路图）31函数信号发生器摘要该函数信号发生器可产生三种波形，方波，三角波，正弦波，具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能，其
4、产生频率信号范围1HZ100kHZ，输出信号幅值范围010V，信号产生电路由比较器，积分器，差动放大器构成，频率计部分由时基电路、计数显示电路等构成。幅值输出部分由峰值检测电路和芯片7107等构成。关键词: 信号发生器、比较器、积分器、555芯片、显示器 设计要求: 1. 信号频率范围 1Hz100kHz；2. 输出波形应有： 方波、三角波、正弦波；3. 输出信号幅值范围010V；4. 具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能。第一章 系统概述1.1系统设计思路函数信号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，其电路中使用的器件可以是分离器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体
5、管），也可以是集成器件（如单片集成电路函数信号发生器ICL8038）。产生方波、正弦波、三角波的方案也有多种，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。1.2设计方案及可行性方案一：采用传统的直接频率合成器。首先产生方波三角波，再将三角波变成正弦波。方案二：采用单片机编程的方法来实现（如89C51单片机和D/A转换器，再滤波放大），通过编程的方法控制波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率变换。方案三：是利用ICL803
6、8芯片构成8038集成函数发生器，其振荡频率可通过外加直流电压进行调节。经小组讨论，方案选择为：方案一外接元件多，方案二超出学习范围，最初选择为方案三。但是方案三中的ICL8038芯片不存在于Multisim软件中，而8038内部结构较为复杂，在软件中组合芯片不易，故舍去，选择方案一。1.3 系统功能块的划分该系统应主要包括直流稳压电源，信号产生电路，频率显示电路和电压幅值显示电路四大部分。直流稳压电源将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压，信号产生电路产生的信号，经过适当的整形，作为频率显示电路的输入，从而达到了数字显示频率的要求；产生的信号经过幅频显示部分（峰值检测电路和数模转换），
7、便实现了幅值数字显示。1.4 系统框图方波三角波差 分 放 大 器正弦波电压显示器频率显示器比较器积分器 图11方案一系统框图正弦波方波三角波电压显示器频率显示器单片集成函数信号发生器ICL8038 图12方案二系统框图1.5 总体工作过程先由反相输入的滞回比较器和RC电路组成方波发生电路，然后方波经积分器得到三角波，由差分放大器来完成三角波到正弦波的变换电路。频率计部分由时基电路、计数显示电路等构成，整形好的三角波或正弦波脉冲输入该电路，与时基电路产生的闸门信号对比送入计数器，最后由数码管可显示被测脉冲的频率。产生的3种波经过一个可调幅电路，由于波形不断变化，不能直接测出其幅值，得通过峰值检
8、测电路测出峰值（稳定的信号幅值保持不变），然后经过数字电压表（由AD转换芯片CC7107和数码管等组成），可以数字显示幅值。第二章 单元电路设计与分析1.信号产生电路1.1函数发生器总方案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（如单片集成电路函数信号发生器ICL8038）。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，如图
9、21。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。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。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。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，因此可将频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。图21 函数发
10、生器组成框1.2 各组成部分电路的工作原理 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=+ ,则同相输入端电位 =+ 。通过R3对电容C正向充电，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，趋于+ ；但是，一旦 =+ ,再稍增大，从+ 跃变为- ,与此同时从 跃变为- 。随后，又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，趋于- ；但是，一旦 =- ,再减小，就从- 跃变为+ ，从- 跃变为+ ，
11、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。 方波三角波转换电路的工作原理 图22 方波三角波转换电路图22所示的电路能自动产生方波三角波。工作原理如下：若R2左断开，运算发大器A1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。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压，R1称为平衡电阻。比较器的输出的高电平等于正电源电压+ ，低电平等于负电源电压- （|+ |=|- |）, 当比较器的U+=U- =0时，比较器翻转，输出从高电平跳到低电平- ,或者从低电平跳到高电平。设 =+ 则 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位为若 = -,则
12、比较器翻转的上门限电位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23所示 图23 比较电压传输特性 图24 方波、三角波的转化R2左端断开后，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，其波形关系如图24所示。R2左端闭合，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-三角波的频率f为由以上两式可以得到以下结论：a) 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。b) 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。三角波正弦波转化电路的工作原理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，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频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
