模電課程設(shè)計報告---函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與制作

1、<p>　　函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與制作</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　模擬電子電路中，常常需要何種波形信號，如正弦波、矩形波、三角波等，作為測試信號或控制信號等。為了采集的信號能夠用于測量、控制、驅(qū)動負載或送入計算機，常常需要將信號進行變換，如將電壓變換成電流、將電流變換成電壓、將電壓變換成頻率與之成正比的脈沖。而我要做的就

2、是設(shè)計一個能夠同時產(chǎn)生正弦波、矩形波、三角波的這樣一個電路。</p><p>　　矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平就是低電平，所以電壓比較器是他的重要組成部分，因為產(chǎn)生震蕩，就是要求輸出狀態(tài)應(yīng)該按一定的時間間隔交替變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)維持時間。我選用LM358這樣一種比較器。</p><p>　　在產(chǎn)生矩形波的電路后面接一個三角波發(fā)生器，矩形波輸入的前提條件下經(jīng)過積

3、分獲得三角波。</p><p>　　在三角波為固定頻率過頻率變化很小的情況下，采用低通濾波的方法將三角波變換為正弦波。</p><p><b>　　關(guān)鍵詞：</b></p><p>　　矩形波 三角波 正弦波 比較器 積分放大電路 低通濾波器 差分放大器</p><p><b>　　設(shè)計任務(wù)及要求</b&

4、gt;</p><p>　　任務(wù)設(shè)計一臺函數(shù)信號發(fā)生器，能夠發(fā)出方波信號、三角波信號和正弦波信號；</p><p>　　要求輸出波形的頻率范圍是10HZ~100HZ 100HZ~1KHZ 1KHZ~10KHZ，且連續(xù)可調(diào)；方波幅值是10V，失真較?。蝗遣ǚ逯?0V；正弦波幅值為10V；各種波形幅值均連續(xù)可調(diào)；</p><p><b>　　方案

5、設(shè)計與論證</b></p><p>　　方案一應(yīng)用運算放大器做出的比較器電路產(chǎn)生方波，方波通過積分電路產(chǎn)生三角波，再由三角波通過低通濾波電路產(chǎn)生正弦波。</p><p>　　方案二由比較器和積分器組成方波——三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波（三角波的頻率可通過電容的大小進行更改），三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸

6、入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。</p><p>　　單元電路設(shè)計與參數(shù)計算</p><p>　　方案一沒有接通時， =0V，滯回比較器 =+ ，則集成運放同相輸入端 = · ，同時 =+ 給C沖電，使 由0上升，在 ﹥ 之前， =+ 不變；

7、當 ﹥ 時， 跳變到- 。</p><p>　　當 =- 時， = ·（- ），同時C使 降低，在在 ﹥ 之前 =- 不變，當 時， 跳變到+ 。</p><p><b>　　方波部分</b></p><p>　　方波的波幅由穩(wěn)壓二極管的參數(shù)決定，方波的周期取決于充放電回路RC的數(shù)值。若R或C其中一個增大，周期T也會增大。 ≈ C

8、 ≈ C</p><p><b>　　T= ≈( ) </b></p><p><b>　　T=( )C </b></p><p><b>　　三角波部分</b></p><p>　　在方波發(fā)生電路中，當閾值電壓數(shù)值較小時，可將電容兩端的電壓看成是近似三角波。所以只要將方波電壓

9、作為積分運算電路的輸入，在其輸出就得到三角波電壓。當方波發(fā)生電路的輸出電壓 =- 時，積分運算電路的輸出電壓 將線性下降：而當 =+ 時，將線性上升。</p><p>　　積分電路的輸入電壓 不是+ 就是- ，所以輸出電壓的表達式為</p><p>　　式中 ( )為初態(tài)時 正好從- 躍變?yōu)? ，則式子變?yōu)?lt;/p><p>　　積分電路反響積分， 隨時間的增長

10、線性下降，一旦 = ，再稍減小， 將從+ 躍變?yōu)? ，式子變?yōu)?lt;/p><p>　　( )為 產(chǎn)生躍變時的輸出電壓。積分電路正向積分， 隨時間的增長線性增大，一旦 ，再稍加增大， 將從- 躍變?yōu)? ，回到初態(tài)，積分電路又開始反向積分。電路重復(fù)上述過程。因此產(chǎn)生震蕩。</p><p>　　由以上分析可知， 是三角波，幅值為± ； 是方波，幅值為± ，由于積分電路引入了深度

11、電壓負反饋，所以在負載電阻相當大的變化范圍里，三角波電壓幾乎不變。</p><p>　　設(shè)正向積分起始值為- ，中了值為+ ，積分時間為二分之一周期，則有</p><p><b>　　震蕩頻率為f= </b></p><p>　　調(diào)節(jié)電路中的 ，可以改變震蕩頻率和三角波的幅值。</p><p>　　在三角波電壓為固定頻率

12、或頻變化很小的情況下，可以考慮低通濾波的方法將三角波變換為正弦波，輸入電壓的頻率等于輸出電壓的頻率。</p><p>　　將三角波按傅里葉級數(shù)展開</p><p>　　其中 是三角波的幅值</p><p><b>　　方案二</b></p><p><b>　　方波電路的工作原理</b></p

13、><p>　　從一般原理來分析，可以在滯回比較器電路的基礎(chǔ)上，靠正反饋和RC充放電回路組成矩形波發(fā)生電路。由于滯回比較器的輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。兩種不同的輸出電平使RC電路進行充電或放電，于是電容上的電壓升高或降低，而電容的電壓有作為滯回比較器的輸入電壓，控制其輸出端狀態(tài)發(fā)生跳變，從而使RC電路有充電過程變成放電過程或相反。如此循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始，最后在滯回比較器的輸出端即可得到一個高低電平變化周期

14、性交替的方波信號。</p><p>　　設(shè)Uo1=+Uz,則</p><p>　　U+ = R2（+Uz）/（R2+R3+Rp1） + （R3+Rw1）Uia/（R2+R3+ Rp1）=0 (1)</p><p>　　將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia＿為</p><p>　　Uia＿ = - R2（+U

15、z）/（R3+ Rp1）= - R2*Uz/（R3+ Rp1） (2)</p><p>　　若Uo1=- Uz，則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為</p><p>　　Uia+=- R2（-Uz）/（R3+ Rp1）= - R2*Uz/（R3+ Rp1） (3)<

16、/p><p>　　比較器門限寬度UH為 </p><p>　　UH = Uia+ - Uia＿ = 2*R2*Uz/（R3+ Rp1） (4)</p><p>　　方波——三角波轉(zhuǎn)換原理</p><p>　　在產(chǎn)生方波信號之后，利用此波形輸入到一個積分電路便可輸

17、出一個三角波。由于三角波信號是電容的充放電過程形成的指數(shù)曲線，所以線性度較差。為了能夠得到線性度比較好的三角波，可以將運放和幾個電阻、電容構(gòu)成積分電路。</p><p>　　運放接成積分電路形式，利用電路的自激振蕩，由滯回比較電路輸出的方波信號，經(jīng)過積分電路后產(chǎn)生三角波信號，輸出。運放U2與R4、RP2、C4及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為</p><p&g

18、t;　　Uo2=-∫Uo1*dt/（R4+Rp2）C4</p><p>　　當Uo1=+Uz時，</p><p>　　Uo2= -（+Uz）t/（R4+Rp2）C4 = -Uz*t/（R4+ Rp2）C4</p><p>　　當Uo1=- Uz時，</p><p>　　Uo2= -（-Uz）t/（R4+ Rp2）C4 =Uz*t/（R4+ R

19、p2）C4</p><p>　　方波－三角波的頻率為：</p><p>　　f=(+)/4()C</p><p>　　其中 /（+）≥1/3</p><p>　　取=10KΩ ,則=30 KΩ</p><p>　　取=20 KΩ，則=20 KΩ</p><p>　　由于f=(+)/4()

20、C</p><p><b>　　故=3/4fc</b></p><p>　　取=5.1KΩ,Rp2=100 KΩ</p><p>　　當10 Hz≤?≤100 Hz, 取C=1μF;</p><p>　　當100 Hz≤?≤1KHz, 取C=0.1μF;</p><p>　　當1KHz≤?≤10K

21、Hz, 取C=0.01μF.</p><p>　　三角波——正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理</p><p>　　本設(shè)計方案中主要采用有差分放大器來完成。差分放大器為輸入阻抗高，抗干擾能力強，可以有效的抑制零點漂移，利用差分放大電路傳輸特性曲線的非線形，將三角波型號轉(zhuǎn)化為正弦波信號，傳輸特性曲線越對稱，線形區(qū)越好，三角波的幅值U應(yīng)正好是晶體管飽和區(qū)和截止區(qū)。運放U2與R4、RP2、C4及R5組成反

22、相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為Uo2=-∫Uo1*dt/（R4+Rp2）C4</p><p>　　途中RP3調(diào)節(jié)三角波的幅度，RP4調(diào)節(jié)差分放大電路的對稱性，其并聯(lián)RE1用來減小差分放大電路的線形區(qū)，電容C5、C6、C7為隔直電容。由于輸出頻率較低，所以其容量一般較大。C8為濾波電容，以消除諧波分量，改善輸出波形，差分放大器的靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸型曲線，調(diào)整RP4和R6確定。<

23、/p><p>　　總原理圖及元器件清單</p><p><b>　　原理圖</b></p><p><b>　　方案一</b></p><p><b>　　方案二</b></p><p><b>　　原件清單</b></p>

24、<p><b>　　性能測試與分析</b></p><p><b>　　方波</b></p><p><b>　　方案一</b></p><p>　　R5=50KΩ，50%</p><p>　　R5=50kΩ 15%</p><p><

25、;b>　　方案二</b></p><p>　　RP1=50K 50%</p><p><b>　　閉合S1</b></p><p><b>　　閉合S2</b></p><p><b>　　閉合S3</b></p><p><b&

26、gt;　　三角波：</b></p><p><b>　　方案一</b></p><p>　　R5=50K 50%</p><p>　　R5=50K 15%</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　RP1=50K 50%</p>

27、<p><b>　　閉合S1</b></p><p><b>　　閉合S2</b></p><p><b>　　閉合S3</b></p><p><b>　　正弦波：</b></p><p><b>　　方案一</b>&

28、lt;/p><p>　　R5=50K 50%</p><p>　　R5=50K 15%</p><p><b>　　方案二</b></p><p>　　RP1=50K 50%</p><p><b>　　閉合S1</b></p><p><b>

29、　　閉合S2</b></p><p><b>　　閉合S3</b></p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　由于此次是第一次課程設(shè)計，所以心情無比的亢奮，對于仿真成功后有著很強烈的滿足感。動手能力也是可到了很高的提高。從中我發(fā)現(xiàn)自己并不能很好的熟練去使用我所學到的模電知識。此次通過理論

30、與實踐的結(jié)合，我從中更加理解的知識的深刻含義。</p><p>　　作為一個大三的學生，我認為此次的課程設(shè)計是十分有必要的，也是十分有意義的。在已度過的大學實踐里面，我們大多數(shù)接觸的是專業(yè)課。我們在課堂上掌握的僅僅是專業(yè)課的理論知識，如何去鍛煉我們的實踐能力?如何把我們所學的專業(yè)基礎(chǔ)課程理論知識運用到實踐中去呢？我認為此次課程設(shè)計就是一個良好的平臺。</p><p>　　由于電路比較簡單，

31、并且只是仿真，并不是真正的生產(chǎn)，所以我們基本上能有章可循，完成起來并不困難。把過去熟悉的定型分析、定量計算，元器件選擇等手段結(jié)合起來，掌握工程設(shè)計的步驟和方法，了解科學實驗的程序和實施方法。這對今后從事技術(shù)工作無疑是個啟蒙訓練。通過這種綜合訓練，我們可以掌握電路設(shè)計的基本方法，提高動手組織實驗的基本技能，培養(yǎng)分析解決電路問題的實際能力，為以后的實際工作大家基礎(chǔ)。</p><p><b>　　參考文獻&l

32、t;/b></p><p>　　【1】 康華光等，《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第五版），高等教育出版社，2006；</p><p>　　【2】 邱關(guān)源，《電路》（第5版），高等教育出版社，2006；</p><p>　　【3】 彭介華主編：《電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)》，高等教育出版社，2005年出版；</p><p>　　【4】 陳大欽主編：《電