函數(shù)信號(hào)發(fā)生器課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　《電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　題 目 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 </p><p>　　學(xué)院（部） 汽車(chē)學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān) 業(yè) 汽車(chē)運(yùn)用工程 </p><p><b>　　一、任務(wù)和要求</b></p><p>　　

2、1、設(shè)計(jì)并制作能產(chǎn)生正弦波、矩形波（占空比可調(diào)）和鋸齒波等多種信號(hào)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。 </p><p>　　2、主要技術(shù)指標(biāo)和要求</p><p>　?。?）輸出的各種信號(hào)波形工作頻率范圍10Hz~10kHz，連續(xù)可調(diào)。</p><p>　?。?）輸出的各種信號(hào)波形幅值0~10V，連續(xù)可調(diào)。</p><p><b>　　二、摘要&l

3、t;/b></p><p>　　信號(hào)發(fā)生器一般能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等波形的儀器，故可在設(shè)計(jì)時(shí)先在電路中產(chǎn)生一種信號(hào)，然后再通過(guò)波形變換使電路能輸出其它波形，故能設(shè)計(jì)許多電路來(lái)實(shí)現(xiàn)目的。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮多種情況（如外界干擾、內(nèi)部因素）設(shè)計(jì)一種在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中性能良好，又廉價(jià)實(shí)用的方案。 </p><p>　　采用555定時(shí)器，由555產(chǎn)生方波信號(hào)，方

4、波經(jīng)RC積分電路積分后即可得到三角波，再由三角波通過(guò)RC積分電路得到正弦波，該方案集成度高，同時(shí)產(chǎn)生正弦波的方法簡(jiǎn)單、易調(diào)。</p><p>　　555定時(shí)器是一種集模擬、數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電路，其應(yīng)用極為廣泛。它不僅可用于信號(hào)的產(chǎn)生和變換，還常用于控制與檢測(cè)電路中；在本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用555定時(shí)器的信號(hào)產(chǎn)生功能。</p><p>　　本方案就是利用這種思想設(shè)計(jì)出的一個(gè)低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。&

5、lt;/p><p>　　三、總體設(shè)計(jì)方案選擇及論證</p><p><b>　　1．信號(hào)產(chǎn)生電路</b></p><p><b>　　〖方案一〗</b></p><p>　　由文氏電橋產(chǎn)生正弦振蕩，然后通過(guò)比較器得到方波，方波積分可得三角波。</p><p>　　這一方案為一開(kāi)環(huán)

6、電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的正弦波和方波的波形失真較小。但是對(duì)于三角波的產(chǎn)生則有一定的麻煩，因?yàn)轭}目要求有10倍的頻率覆蓋系數(shù)，然而對(duì)于積分器的輸入輸出關(guān)系為：</p><p>　　顯然對(duì)于10倍的頻率變化會(huì)有積分時(shí)間dt的10倍變化從而導(dǎo)致輸出電壓振幅的10倍變化。而這是電路所不希望的。幅度穩(wěn)定性難以達(dá)到要求。而且通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)積分器極易產(chǎn)生失調(diào)。 </p><p><b>　　

7、〖方案二〗</b></p><p>　　由矩形波產(chǎn)生電路產(chǎn)生矩形波，在通過(guò)積分電路把矩形波轉(zhuǎn)換為鋸齒波，再經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大電路將鋸齒波轉(zhuǎn)換為正弦波。 </p><p>　　該電路的優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的：</p><p>　　線性良好、穩(wěn)定性好；</p><p>　　頻率易調(diào)，在幾個(gè)數(shù)量級(jí)的頻帶范圍內(nèi)，可以方便地

8、連續(xù)地改變頻率，而且頻率改變時(shí)，幅度恒定不變；</p><p>　　不存在如文氏電橋那樣的過(guò)渡過(guò)程，接通電源后會(huì)立即產(chǎn)生穩(wěn)定的波形；</p><p>　　三角波和方波在半周期內(nèi)是時(shí)間的線性函數(shù)，易于變換其他波形。</p><p>　　綜合上述分析，我們采用了第二種方案來(lái)產(chǎn)生信號(hào)。下面將分析討論對(duì)生成的三角波和方波變換為正弦波的方法。</p><p

9、><b>　　2．信號(hào)變換電路</b></p><p>　　三角波變?yōu)檎也ǖ姆椒ㄓ卸喾N，但總的看來(lái)可以分為兩類(lèi)：一種是通過(guò)濾波器進(jìn)行“頻域” 處理，另一種則是通過(guò)非線性元件或電路作折線近似變換“時(shí)域”處理。具體有以下幾種方案：</p><p><b>　　〖方案一〗</b></p><p>　　采用米勒積分法。設(shè)三

10、角波的峰值為，三角波的傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)：</p><p><b>　　通過(guò)線性積分后：</b></p><p>　　顯見(jiàn)濾波式的優(yōu)點(diǎn)是不太受輸入三角波電平變動(dòng)的影響，其缺點(diǎn)是輸出正弦波幅度會(huì)隨頻率一起變化（隨頻率的升高而衰減），這對(duì)于我們要求的10倍的頻率覆蓋系數(shù)是不合適的。另外我們?cè)诜抡鏁r(shí)還發(fā)現(xiàn)，這種積分濾波電路存在這較明顯的失調(diào)，這種失調(diào)使輸出信號(hào)的直流電平不斷向某

11、一方向變化。</p><p>　　積分濾波法的失調(diào)圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　而且輸出存在直流分量。 </p><p><b>　　〖方案二〗</b></p><p>　　用正弦波振蕩電路的自激振蕩。正弦波振蕩電路是用來(lái)產(chǎn)生一定頻率和幅度的交流信號(hào)。它的頻率范圍很廣，輸出的功率可以

12、從幾毫瓦到幾十千瓦。常用的正弦振蕩電路有LC振蕩電路和RC振蕩電路兩種，其中RC振蕩電路多用于小功率和底頻率，工業(yè)生產(chǎn)上常采用LC振蕩電路來(lái)輸出較大功率和較高頻率</p><p>　　輸出電壓u0經(jīng)RC串并聯(lián)電路分壓后在RC并聯(lián)電路上得出反饋電壓uf,加在運(yùn)放的同向輸入端，作為他的輸入電壓，由此得</p><p><b>　　〖方案三〗</b></p>

13、<p>　　利用差分放大器的差模傳輸特性。設(shè)差放的集電極電流分別為和，輸入差模電壓為 ,發(fā)射極電流為,則晶體三極管工作在放大區(qū)時(shí)有：</p><p>　　由下圖的傳輸特性曲線我們可以想象當(dāng)輸入為三角波時(shí)輸出會(huì)得到近似的正弦波。</p><p>　　差放差模傳輸特性曲線圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　這種轉(zhuǎn)換方式比較簡(jiǎn)單

14、，而且頻帶很寬。</p><p>　　綜合上述分析，我們采用了第二種方案來(lái)產(chǎn)生信號(hào)。下面將分析討論對(duì)生成的三角波和方波變換為正弦波的方法。</p><p>　　四、設(shè)計(jì)方案的原理框圖、總體電路圖、接線圖及說(shuō)明</p><p>　　單元電路設(shè)計(jì)、主要元器件選擇與電路參數(shù)計(jì)算</p><p><b>　　1．單元電路設(shè)計(jì)</b&g

15、t;</p><p>　?。?）矩形波發(fā)生電路</p><p>　　如圖所示，利用二極管的單向?qū)щ娦允闺娙莸某潆娕c放電回路不同，使電容的充電與放電時(shí)間常數(shù)不相等，從而使矩形波的高電平持續(xù)時(shí)間與低電平持續(xù)時(shí)間不相等，調(diào)節(jié)可變電阻RP來(lái)改變占空比，而頻率和周期不變。同時(shí)利用可變電容Cp，使電容的充電與放電時(shí)間常數(shù)同時(shí)改變，從而實(shí)現(xiàn)在占空比不變的條件下調(diào)節(jié)頻率和周期。</p>&l

16、t;p>　　接通電源后，它經(jīng)R1 RP R2充電，當(dāng)uc大于2／3Ucc時(shí)，U0為Uol。這時(shí)晶體管T導(dǎo)通電容C通過(guò)R2和T放電，Ucc下降。當(dāng)Ucc小于1／3Ucc時(shí)，U0變?yōu)閁oh，這時(shí)T截止，Ucc又對(duì)電容充電，如此重復(fù)過(guò)程，U0即為連續(xù)的矩形波。</p><p>　　充電電路： Ucc→R1→Rp→D1→地</p><p>　　放電電路： Ucc→D2→Rp→R2→T→地&l

17、t;/p><p>　　充放電時(shí)間分別是：TP1=0.7R1'C TP2=0.7R2'C</p><p>　　占空比為：D=TP1／TPI+TP2=R1'／R1'+R2'</p><p>　　周期和頻率:T=0.7(R1+R2+Rp)C f=1／T</p><p>　　計(jì)算：設(shè)定R1=1K R2=1

18、K Rp=4k R總=6k R3=2K Rf=5K</p><p>　　由于設(shè)計(jì)要求輸出的信號(hào)波形頻率為10Hz~10KHz,波形幅值0~10V連續(xù)可調(diào)。</p><p>　　通過(guò)計(jì)算確定變阻器Rf的值為5V，占空比可調(diào)范圍17%~85%</p><p>　　（2）三角波發(fā)生電路</p><p>　　如圖所示，若t=0，uc=0，uo

19、1=Uoh，則電容C2充電；同時(shí)uo按線性逐漸下降，最終從Uol跳變?yōu)閁oh。</p><p>　　在uo1=Uol后，電容C2開(kāi)始放電，uo按線性上升，最終從Uol跳變?yōu)閁oh，電容C2開(kāi)始充電，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。</p><p>　　積分器的輸出Uo2為 Uo2=1/(R4+Rw1)C2∫Uo1dt </p><p>　　Uo1

20、=12V時(shí)， Uo2=12t/(R4+Rw1)C2 </p><p>　　Uo1=0時(shí)， Uo2=0 </p><p>　　可見(jiàn)積分器的輸入為矩形波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速率與下降速率相等的鋸齒波。</p><p>　　頻率 f=R2/4R1(R4+Rw1)C2

21、</p><p>　　計(jì)算：R4=1K、C2=0.1uF</p><p>　　通過(guò)計(jì)算可得Rw1無(wú)的阻值變化范圍應(yīng)為0~30K可變</p><p>　?。?）正弦波發(fā)生電路</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　如圖3所示，鋸齒波到正弦波的變換電路主要由差動(dòng)放大電路來(lái)完成。

22、差動(dòng)放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻值高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移。波形變換的原理是利用差動(dòng)放大傳輸特性曲線的非線性。</p><p>　　分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為</p><p>　　Ic1=αIe1=αIo/(1+e</p><p>　　Ic2=αIe2=αIo/(1+e</p><p>　

23、　式中 α=Ic/Ie≈1；</p><p>　　Io——差動(dòng)放大器的恒定電流；</p><p>　　Ut——溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25℃時(shí)，Ut≈26mA。</p><p>　　又因?yàn)閁id為三角波，設(shè)表達(dá)式為</p><p>　　Uid=4Um(t-T/4)/T, 0≤t≤T/2</p><p>　　U

24、id=-4Um(t-3T/4)/T, T/2≤t≤T</p><p>　　式中 Um——三角波幅度；</p><p>　　T——三角波的周期。</p><p><b>　　則 </b></p><p>　　Ic1=αIo/(1+e 0≤t≤T/2</p&g

25、t;<p>　　Ic2=αIo/(1+e T/2≤t≤T</p><p>　　2.設(shè)計(jì)方案的原理框圖</p><p>　　矩形波發(fā) 積分電路 差動(dòng)放大電路</p><p><b>　　生電路</b><

26、;/p><p><b>　　總體電路圖 </b></p><p><b>　　總體波形如下：</b></p><p>　　4.主要元器件的選擇</p><p>　　該電路主要包括LM301集成運(yùn)算放大器和555定時(shí)器構(gòu)成的多謝振蕩器，同時(shí)還有若干電容，二極管等。</p><p>

27、　　五、收獲與體會(huì)、存在的問(wèn)題</p><p><b>　　1．收獲與體會(huì)</b></p><p>　　通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我對(duì)所需的三部分電路有了進(jìn)一步的了解和認(rèn)識(shí)，并且清楚了每一部分工作時(shí)所需要的條件，也對(duì)集成芯片有了初步的認(rèn)識(shí)，雖然在設(shè)計(jì)中沒(méi)有使用復(fù)雜的芯片，不過(guò)還是了解到了像555、8038等芯片的基本知識(shí)。本次繪圖用了CAD,期間花費(fèi)了很長(zhǎng)時(shí)間，學(xué)到了好多繪圖

28、方面的知識(shí)，這是第一次靠自己去查資料完成的任務(wù)，充分的利用了圖書(shū)館的資源，并且為以后更復(fù)雜的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。</p><p><b>　　2．存在的問(wèn)題</b></p><p>　　在設(shè)計(jì)中，對(duì)各元器件型號(hào)的選擇還很陌生，無(wú)法很順利地把書(shū)中所學(xué)電路知識(shí)靈活的運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，尤其是在繪圖部分，設(shè)計(jì)進(jìn)展的很緩慢。另外，在完成設(shè)計(jì)電路時(shí)，無(wú)法處理由于元器件參數(shù)與實(shí)際選擇之間的

29、關(guān)系。對(duì)于參數(shù)大小及相互之間的關(guān)系掌握不夠完整，不夠全面。</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1．《電路與模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).》 林濤 林薇 顧櫻華 編 2004年6月 科學(xué)出版社</p><p>　　2.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例》 戈素貞 杜群羊 吳海青 等編著 2007年2月 北京航空航天大學(xué)出版社&l

30、t;/p><p>　　3.《電子技術(shù)試驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)模擬電路分冊(cè)》 郭永貞 劉勤編 2004年10月 東南大學(xué)出版社</p><p>　　4.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 設(shè)計(jì) 仿真 編程與實(shí)踐》 李萬(wàn)臣主編 2005年5月 哈爾濱工程大學(xué)出版社</p><p>　　5.《電子電路計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)》 周常森編著 2001年9月 山東科學(xué)技術(shù)出版社</p><p

31、>　　6.《電子元器件選用·使用·檢測(cè)一本通》 孟貴華編著 2006年2月 中國(guó)電力出社 </p><p>　　7．梁恩主 梁恩維 著《Protel 99SE電路設(shè)計(jì)于仿真應(yīng)用》2000年11月 清華大學(xué)出版社</p><p>　　最后我們還要特別感謝李三財(cái)老師在電路設(shè)計(jì)階段給予我們的答疑指導(dǎo)幫助!</p><p><b>　　七