模拟电子技术基础课程设计说明书函数信号发生器设计

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目：正弦波－三角波－方波函数发生器 初始条件： 具备模拟电子电路的理论知识；具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。 要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、频率范围三段：10～100Hz，100 Hz～1KHz，1 KHz～10 KHz； 2、正弦波U≈3V，三角波U≈5V，方波U≈14V； 3、幅度连续可调，线性失真小； 4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书 概述 这一学期刚学习了模电课程，为进一步掌握模电的基本理论及实验调试技术，本小组进行了这次课程设计，主要说明采用运算放大器与独立的模拟器件共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法与调试。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。 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；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。本课设采用先产生正弦波，再将正弦波变换成方波，然后由积分电路把方波变成三角波。 关键字：模拟电子技术基础，正弦波，方波，三角波 II 1 课程设计的目标与设计任务 1.1 设计的目标 1) 培养综合应用所学知识来指导实践的能力； 2) 了解集成电路和集成运放的基本知识； 3) 学会使用仿真软件对电路进行仿真； 4) 理解函数信号发生器的组成框图及工作流程； 5) 会制作函数信号发生器； 6) 能用仪器、仪表调试、测量函数信号发生器的主要指标。 1.2 设计的要求 1) 设计电路原理图并画出； 2) 能同时输出一定频率一定幅度的3种波形：正弦波、和三角波； 3) 输出正弦波时，输出电压峰峰值为3V，输出波形频率为10Hz～10KHz可调； 4) 输出方波时，输出波形峰峰值14V，输出波形频率为10Hz～10KHz可调； 5) 输出三角波时，输出波形峰峰值5V，输出波形频率为10Hz～10KHz可调。 6) 对电路进行仿真和调试； 7) 在制作过程中发现问题并能解决问题 2 单元电路的设计与调试 2.1 正弦波产生电路 2.1.1正弦波振荡器的基本结构与工作原理 正弦波振荡器是一个没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波输出信号的电路，它由一个基本放大器和一个带有选频功能的正反馈网络组成。 电路接通电源的一瞬间，由于电路中电流从零突变到某一值，它包含着很多的交流谐波，经选频网络选出频率为fo的信号，一方面由输出端输出，另一方面经正反馈网络传送回到输入端，经放大和选频，这样周而复始，不断地反复，只要反馈信号大于初始信号，振荡逐渐变强起来。 2.1.2产生振荡的条件 (1)振荡平衡条件 要使振荡器输出信号维持稳定的输出，必须使再次反馈回输入端信号和原来输入端的信号相等，即: 又有 得 由于 所以振荡平衡条件为: 设, 则 即： ……………………………………………………幅度平衡条件 …）…………………………………………相位平衡条件 一个振荡器只有同时满足这两个条件，才能振荡。 (2)振荡起振条件 振荡器满足平衡条件时，输出信号幅度保持不变。但在振荡器刚开始振荡时，信号非常微弱，如仅是振荡器将不能起振。必须使每次反馈回来的信号大于原来的输入信号，即。振荡才能由弱到强建立起来。所以振荡起振条件应为>1。 2.1.3 RC文氏电桥振荡器的制作 由于RC文氏电桥振荡器具有电路简单、易起振、频率可调等特点被大量应用与低频振荡电路，所以我们采用RC文氏电桥振荡器产生正弦波。电子电路图如图2-1所示： 图2-1 RC正弦波振荡器电路 如图所示，根据设计要求可选择电阻R1，R2均为15kW，R4为100kW的可调电位器。电容C1和C2为0.22mF，D1，D2为1N4001，采用的集成运放为MC4558。R1、C1、R2、C2组成RC串并联网络形成正反馈，运放、R4、R5、D1、D2组成同相比例放大器，D1，D2具有稳幅作用。 在此电路中，由RC串、并联网络组成正反馈支路和选频网络，这部分电路决定了电路的振荡频率；由R4、D1、D2和R5组成负反馈支路和稳幅环节。负反馈电路控制运算放大器的增益。反馈过深，不易起振，反馈过小，容易造成波形失真。调节R4为适当值，电路即能起振，输出正弦波，并利用D1、D2的非线性实现稳幅。并联电阻R5有改善二极管非线形引起波形失真的作用。 在实际应用中，常选取文氏电桥两个支路中的R、C相同，当R选用同轴双连电位器，即可以实现振荡频率的连续可调，输出正弦波的频率为: 2.1.4 RC正弦波振荡器的调试 按上述电路图接好电路图在仿真仿真软件中仿真，仿真步骤如下： 1）调节电位器R4，用示波器观察输出波形UO直到出现正弦波，记录波形，并测量输出电压UO的最大不失真电压幅度，波形的周期T。 2）调节电位器RP，观察其对输出波形的影响。 3）测量频率。将输出UO接示波器Y轴输入端，标准信号源（正弦波）输出端接示波器X轴输入端，将示波器改为“X-Y”显示方式，这时读出标准信号源的频率即是振荡器的输出频率f。 用Multisim10.0对电路进行仿真得到图2-2仿真波形 图2-2 从图中可得出产生的正弦波最大值Umax=1.5V; T=5ms×4.2=21ms. F0=1/T=48Hz. 仿真得出的数据与理论计算一样，电路正确。 2.2 方波产生电路 2.2.1 方波发生器的基本结构与工作原理 如图2-3所示的方波发生器电路，其中R2与Rf组成负反馈支路，运放同相端的电压为：电阻R1、Rp和电容C组成运放的正反馈支路。当电容C的端电压VC（等于运放的反向端电压V-）大于V+时，输出电压VO＝VZ（双向稳压管VD的限幅电压），则电容C经电阻R1、Rp放电，VC下降。当VC下降到比V+小时，比较器的输出电压VO=+VZ，电容C又经过电阻R1、Rp充电，电容的端电压VC又开始上升，如此反复，则输出电压VO为周期性方波。方波的频率为 调节电路中的Rp可以改变频率。 图2-3方波发生器 2.2.2 方波发生器的制作 电子电路如图2-3所示，根据设计要求运算放大器为LM324，R1、R2、Rf为10kW的电阻， RP为100kW的电位器，C的容量为1uF。D1,D1为1N750。 2.2.3 方波发生器的调试 按上述电子电路图接好电路在仿真软件中仿真，仿真步骤如下： 1）UREF=2V(参考电压)的直流电压； 2）在电路中接人ui=3V的直流电压，用万用表测量输出直流电压的大小并记录； 3）ui改为1V的直流电压，用万用表测量输出直流电压的大小，并记录； 4）微调ui，使ui在1V~3V之间变化，用万用表测量并观察输出直流电压的变化 情况，并记录：恰好出现高电平向低电平翻转或低电向平高电平翻转时的ui，确 定此值与UREF值结果表明该电路能不能实现电压比较的作用； 5）改变电位器RP，观测是否可以改变输出信号频率。将电位器RP调至最小时，观测电路的输出波形，此时输出信号的周期T1,器RP调至最大时，观测电路的输出波形，此时输出信号的周期为T2；观察在这个过程中，输出信号的电压变化； 6）改变电容容量，观测是否可以改变输出信号频率。将电路中的电C改为0.022mF，观测输出信号波形，C增大时，输出信号频率会怎样变化； 用Multisim10.0对其进行仿真得到如下2-4波形图： 图2-4 从波形中可以得到方波电压约为±7V,与理论一样，可得出电路是正确的。 2.3 三角波产生电路 2.3.1三角波发生器的结构与基本工作原理 图2-5三角波发生器电路 其工作原理如下： 当运算放大器开环电压增益足够大时，可认为,其中又由虚短和虚断，得： 式中，τ＝RC，称为积分器的时间常数。 2.3.2 三角波发生器的制作 电子电路如图2-4所示，积分电路和迟滞比较器相连可组成三角波发生器。根据设计要求电阻R1为2.5K，电容C为220nf，采用的集成运放为LM324。 2.3.3 三角波发生器的测试 根据电子电路图接好线路，在仿真软件中仿真，仿真步骤如下： 1）用双踪示波器DC输入方式观察U波形。并将波形记录下来。 2）改变电阻R1或电容C，观察输出电压波形的变化。 当输入信号为方波时，其输出信号为三角波，电路波形图2-5如下： 图2-5 电仿真中信号源为方波，f0=1Kz,Umax=3.5V 电路中R1=2.5K，C=220nF, 3. 函数信号发生器总电路图与电路仿真 3.1 函数信号发生器总电路图 根据上述独立单元电路的设计，可以设计总的电路图如图3-1所示 图3-1 函数信号发生器总原理图 通过看示波器波形，可得出正弦波发生器中电位器调到R4调到50K时开始起振，调大R4则不能起振，而调到40K时波形出现失真，起振是由弱变强的。总电路的频率有R1，C1，R2，C2决定，令R1=R2，C1=C2， 如图R为15K，C为0.22uF，可算出频率为50Hz,所有可通过减小电容值来增大频率，如C为0.001uF时，频率为10.6kHz，满足要求。 3.2 函数信号发生器的仿真 对总原理图进行仿真，得到正弦波，方波和三角波的波形如下图： 图3-2 100HZ正弦波 图3-3 1KHZ正弦波 图3-4 100 HZ方波 图3-5 1KHZ方波 图3-6 100HZ三角波 图3-7 1KHZ三角波 4 电路的安装与调试结果 4.1电路的安装 4.1.1 元器件的选用规格 标 号 元器件名称 规格与型号 D1 整流二极管 1N4001 D2 整流二极管 1N4001 D3 稳压二极管 1N4734 D4 稳压二极管 1N4734 A1 集成运算放大器 MC4558 A2 集成运算放大器 MC4558 A3 集成运算放大器 LM324 R1 电阻 15kW1/8W R2 电阻 15kW1/8W R3 电阻 330W1/8W R4 电阻 100kW1/8W R5 电阻 10kW1/8W R6 电阻 10kW1/8W R7 电阻 330W1/8W R8 电阻 5.6kW1/8W R9 电阻 10kW1/8W R10 电阻 330W1/8W R11 电阻 5.6kW1/8W