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1、毕业设计课 题 名 称： 带电源的函数发生器的设计与制作 专 业 班 级： 应用电子技术 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 二O一 一 年 三 月 毕业设计任务书系 部： 自动化系 专 业 班 级 应用电子技术 学 生 姓 名： 二O一一 年 三 月目录 1 函数发生器的总方案及原理框图5 1.1 电路设计原理框图5 1.2 电路设计方案设计5 2. 各部分电路设计.6 2.1 方波发生电路的工作原理6 2.2 方波-三角波转换电路的工作原理7 2.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理10 2.4电路的参数选择及计算.132.5 总电路.15 3. 电路仿真.16 3.1 方波-三角波发生电
2、路的仿真16 3.2三角波-正弦波转换电路的仿真.174.实验总结185. 仪器仪表明细清单.196. 参考文献.20 引言函数发生器是研究及工程实践中重要的仪表之一，在电子工程，通信工程，自动控制，测量仪器，仪表和计算机等技术领域系统设计及调试过程中，用不同频率的正弦波，三角波和方波作为信号源，应用十分方便，过去常由分立元件及集成运放构成振荡器，分立元件体积大，相对耗能高，故障频率也高，随着集成电路的迅速发展，用集成电路很快，很方便的构成各种信号的波形发生器，用集成电路的信号波形发生器雨其他信号波形发生器相比，其波形质量，幅度和频率稳定性等性能指标，都有很多的提高。发生器根据用途不同有产生三
3、种和多种波形的发生器，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，三角波的方案有三种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波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，通过积分电路后将其变为三角波，也可以产生三角波-方波，再将三角波方波转化为正弦波，随着电子技术的迅速发展，新材料新器件层出不穷，器件的可选择性大幅度增加，就是技术上很成熟的可产生方波，正弦波，三角波的主芯片精密函数发生器采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽，我稳定度高，精度高易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生的方波，正弦波，三角波，其函数波形
4、的频率内部和外部电压控制，可被应用于压控振荡等波形发生器。本系统以ICL8038集成块为核心器件，制作一种函数信号发生器，制作成本较低。适合学生学习电子技术测量使用。一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz30KHz的低失真正弦波、1函数发生器总方案及原理框图1.1 函数发生器的总方案 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(如单片函数发生器模块8038)。为进一
5、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，1.2电路设计原理框本课题中函数发生器电路组成框图如图1所示：三角波、方波产生电路三角波正弦波转换电路+ -功放输出阻抗600输出阻抗50+15V-15V数字显示频率计（四位）占空比可调方波 图1通过波形选择开关，
6、可输出对称方波、占空比可调的方波、三角波和正弦波几种信号输出频率分五档连续可调，频率调节范围几十赫兹到几十万赫兹。输出信号的电压幅值连续可调，通过精密的衰减器，使输出幅值可由几十毫伏调到十几伏，输出频率通过数字频率计显示其信号频率大小.该电路由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，三角波正弦波转换，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。2、各部分电路设计
7、2.1 方波发生电路的工作原理迟滞比较器和RC负反馈回路构成方波发生器方波发生器如图5.3-34所示，其电路是由一个迟滞比较器和一个RC负反馈回路构成。比较器输出电压UO被两个特性相同的稳压管限幅，在比较过程中，输出电压被稳定在正负UZ（UZ为稳压管VDZ的稳定电压、下同）而保持恒定。R1、R2为限流电阻，一般为10100千欧。电路的工作过程是：电源接通时刻（T=0），设C两端电压HC=0比较器输出电压UO=+，此时运放同相端电压为（请将此自己打印出来）当UO=+UZ时，+UZ通过R向C充电，UC随时间按正指数规律上升，当UC上升到略高于FUZ时，UO从+UZ跳变为UZ。此后，C经R放电UC按
8、负指数规律下降。在C放电期间，U0=-UZ，运放同相端电压为-FUZ。当UC下降到略低于-FUZ时，UO又立刻跳到+UZ，回到初始状态如此周而复始，便有方波输出。UO及UC的波形见图5.3-34B。图中（请将此自己打印出来）所以方波的周期为T0为（请将此自己打印出来）由上可以看出，改变R、R3、R4或C，均可改变振荡频率。实用中，R常用电位器代替实现对频率的调节2.2 方波-三角波转换电路的工作原理 方波三角波产生电路工作原理如下：若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，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Vi
9、a，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-=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
10、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。2.3 三角波-正弦波转换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。将电路图用protel99画后粘贴进来
11、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性曲线的非线性。分析表明，传输特性曲线的表达式为：式中差分放大器的恒定电流；温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mV。如果为Uid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，由图可见：（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或截止区。（3） 图为实现三角波正弦波变换的电路。其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路的对
12、称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。 三角波正弦波变换电路将电路图用protel99画后粘贴进来还有三部分没有设计功放部分、数字频率计部分和电路中需要的15V的直流电源。请把它补上！因为输出信号功率小，带不了负载，需增加功率放大器；产生的信号频率大小有频率计显示；电路需要直流电源。2.4电路的参数选择及计算1.方波-三角波中电容C1变化实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2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C2=10uf时，频率很低，不容易
13、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。由式（3-61）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：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。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R*确定。2.5总电路电路图中的电阻，用我们常
