函数发生器

函数发生器一、设计题目函数发生器的设计。二、设计要求设计一个智能函数发生器，能够以稳定的频率产生的递增的斜波、递减斜波、三角波、正弦波和方波。设置一个波形选择开关，通过此开关选择以上不同种类的输出波形。三、设计作用与目的各种电器设备要正常工作，常常需要各种波形信号的支持。电器设备中常用的信号有正弦波、矩形波、三角波和锯齿波等。在电器设备中，这些信号是由波形产生和变换电路来提供的。波形产生电路是一种不需外加激励信号就能将直流能源转化成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出电路，又称为振荡器或波形发生器。在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，在工业、农业、生物医学等领域内等等。波形发生器由时基电路，积分电路，差分放大电路三部分电路组成，时基电路产生方波，再通过积分电路将方波转化为三角波，最后由差分放大电路将三角波转化为正弦波，通过借助Multisim2011平台最各部分电路进行仿真，验证了该波形发生器方案的正确性、可用性。函数发生器四、所用设备及软件本设计除了需要计算机,实验设备两款软件：作图软件AltimDesinger、仿真软件Multisium。简介如表1所示。软件或设备名称软件图标主要特点作用AltiumDesignerAltiumDesigner是PC环境下以独特设计管理和协作技术为核心的印制电路板设计软件系是基于Windows95/98/2000/NT的全32位EDA设计系统。它主要采用了SmartDoc技术、SmartTool技术、SmartTeam技术。绘制电路图和PCB板MultisiumMultisim是一款著名的电子设计自动化软件，与NIUltiboard同属美国国家仪器公司的电路设计软件套件。是入选伯克利加大SPICE项目中为数不多的几款软件之一。Multisim在学术界以及产业界被广泛地应用于电路教学、电路图设计以及SPICE模拟。仿真函数发生器3五、系统设计方案三种波形都是比较简单且常见的波形，产生的方法由很多种，可以先产生方波，然后得到三角波和正弦波，也可以先得到正弦波，然后翻过来再输出另外两种波形;可以用集成芯片，同时也可以用运用各种元器件来实现振荡电路。方案一：用分立元件组成的函数发生器。方案二:晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等。方案三：利用单片集成芯片的函数发生器。方案四：利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器。方案五：由555定时器所构成的多谐振动器产生方波,方波经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波。5.1方案分析方案一：频率不高，且工作不很稳定，不易调试方案二：它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。方案三：虽能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试，但成本也相对比较高；方案四：利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。但成本较高。方案五：过程相对来说比较繁琐，但是思路很明亮，同时，555定时器所构成的多谐振动器产生方波是一种和常用的信号产生器，很具有实用价值，同时，也很容易买到，同时选用改进的555多谐振荡形式产生方波可以通过调节可调电阻的阻值来调节产生方波的频率，产生的方波经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强，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。本着可控、可稳、经济性的原则，第三种方案较实际。用改进过的555多谐振荡形式产生方波，经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波，电路的总原理图如附录3。六、系统硬件设计函数发生器4pH5566tRRCln20.7RRC（）（）图6.2方波发生电路图6.1波形发生器电路的总框图6.2方波发生电路接通电源后，电容C4被充电，当上升到2Vcc3时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C4通过R5和T放电，当cv下降到Vcc3时，Vo翻转为高电平。这时电容C放电所需时间为：PL22 tRCln0.7RC；当放电结束时，T截止，Vcc将通过R5、R6向电容C充电，cv由Vcc上升到2Vcc3所需时间为：当上升到2Vcc3是，电路有翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。其震荡频率以及占空比为：图6.1原理框图函数发生器56.3三角波发生电路由积分器实现方波-三角波的转化发生电路如图6.4。%100%AABRqRRpH5611.43fCttR2RpLttoucu23ccV13ccV00pLtpHt图6.3输出方波图图6.4方波发生电路图1R1C2CiU2R函数发生器6如图6.5是一个由方波转换为三角波的电路图及其输出波形当A很大时，运放两输入端为虚地，忽略流入放大器的电流，令输入电压为Vi输出为Vo，流过电容C的电流为i1则，有:0111-ividtvdtCCR即输出电压与输入电压成积分关系，iv当为固定值时有：0ivvtCR上式表明输出电压按一定比例随时间作直线上升或下降。当iv为矩形波时，0v便成为三角波。此外，由于滤波电容的存在，滤除了其他波的干扰。提高了系统的抗干扰性。6.4正弦波发生电路由差分放大电路构成的正弦波发生电路图2.6。分析表明，传输特性曲线的表达式：0viv2c4c1R2R4R5R6R7R8R10R1V2V3V4V6C7C1PR2PR图6.6正弦波发生电路图0UUi00tt图6.5方波输出三角波图函数发生器7ai=1+exp(-U/U)IcidtI——差分放大器的恒定电流；Ut——温度的电压当量，当室温为250C时，Ut≈26mV。如果Uid为三角波，设表达式为4UtT/4UtTmid(0=t=T/2)4Ut3T/4UtTmid(T/2=t=T)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：（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）如下图2.7为实现三角波—正弦波变换的转化图。1Rp调节三角波的幅度，2PR调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C6,C7为隔直电容，C7为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。隔直电容C6、C7要取得较大，因为输出频率很低，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。8R=100k欧与2PR=100k欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区图6.6三角波转化正弦波图2CICI3CIQ2LIimUimUidUTT函数发生器8七、实验调试结果7.1仿真调试工具Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作，具有大量的PLC元件模型，可以仿真更复杂的数字电路，在保留了EWB形象直观等优点的基础上，增强了软件的仿真测试和分析功能，扩充了元件库中的元件的数目，使得仿真设计的结果更精确、更可靠、更具有实用性。7.2方波发生电路仿真方波发生电路核心元件是555定时器，通过改变滑动电位计，来改变输出波形的占空比，以及频率得到仿真波形图以及仿真数据表。表1：方波发生仿真数据f（kHz）2.8223.3262.3252.3242.2712.271Uo（V）5.1315.3955.8045.8245.8245.824Rp1（%）0204060801007.3三角波发生电路仿真三角波发生器主要由积分器组成，通过调节滑动电位计来改变三角波的输出幅度，图7.1方波仿真图函数发生器9仿真波形如图7.2。7.4正弦波发生电路仿真正弦波发生电路由差分放大电路组成，RP2调节三角波的幅度，RP3调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区，通过测试得到如图7.3。7.5总电路仿真波形将三部分单独的模块组合在一起，然后调节个电位计，得到三种波形如图7.4图7.2三角波仿真图图7.3发生正弦波仿真图函数发生器107.6设计中的问题及解决方法函数发生器系统的设计一路走过来磕磕碰碰经历了不少，遇到了很多的意想不到的麻烦以及很多困惑，下面谈2个关键的问题。首先是555的原理问题，之前并没接触555处理器，开始在网上一搜资料发现555不是想象中的容易，为攻克此难关花了大量来的时间去搜集资料，学校的数字图书馆看了大量的文献以及期刊，以及问了好多同学，尽管现在还不是很清楚，但是基本原理心里有数了，其二是电路的仿真，由于开始参数没调对，而误以为是由于Multisim一些设置没调好，一直花了大把的时间放在了Multisim上学习，最后通过查阅大量的资料才知道是参数的设置的问题，当然也值得一提的是文档的排版问题，虽然之前对排版也接触不少，可是这设计的排版中还是遇到了许多问题，比如图片的格式设置中，总是出现图片拉不到自己要的位置等等，最后请教室友，在网上看了Word的视频后终于把问题解决了。图7.4总电路仿真波形函数发生器11八、设计心得函数发生器有很宽的频率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信号源。可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。波形发生器是产生方波，三角波，正弦波的函数发生器，整个电路由方波发生电路，三角波发生电路，正弦波发生电路组成，由555电路组成的多谐振荡器，接通电源后，产生一定频率和幅值的脉冲信号即方波，方波作为积分器的输入端再经过积分器的作用，将方波转化为三角波，最后三角波作为差分放大电路的输入端，利用差分放大器的传输特性曲线的非线性的原理，将三角波转化为正弦波，通过调节电路的个电位计，来控制波形的再可调范围内的幅值以及频率，同时为减小杂波的干扰，在各输入端都接入了滤波电容，最后将各个电路整合到一起，也就完成了一个简易函数发生器。通过这次课程设计使我明白了自己专业知识还很欠缺。自己要学习的东西还很多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都容易懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白有些东西自己想与自己去做事两码事，在这次的设计中也遇到了很多的问题，比如函数发生器的原理问题，之前并没接触555的具体运用，开始在网上一搜资料发现555不是想象中的容易，但正是这些难题成就了我的收获，通过解决这些难题过程中一方面提高了自己的自学能力以及思考能力解决问题能力，另一方面通过查资料请教学长开阔了自己的专业方面的见识，比如认识了555还有许多其他的用途以及原理，了解了555芯片在实际应用是如此的广泛，这也激发了我学习的动力和兴趣，当然学习无止境，这些知识、这些收获还是远远不够的，在今后的学习与课余中我将继续努力学习专业知识，为以后工作打下坚实的基础。函数发生器12参考文献[1]康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.[2]康华光.电子技术基础数字部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.[3]唐赣,聂典.Multisim10原理图仿真与PowerPCB5.0.1印制电路板设计[M].北京：电子工业出版社，2009.[4]韩雪涛，韩广兴，吴瑛.电子单元电路应用与实测技能演练[M].北京：电子工业出版社，2009.[5]陈学平.《AtiumDesignerSummer09》电路设计与制作:电子工业出版社，2012.[5][6][7]