函数信号发生器电路设计

摘要:Protel99SE软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借Protel99SE，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。本文的设计就是利用Protel99SE软件设计了一款简单的函数信号发生器电路，并通过了仿真。能够产生方波、三角波和正弦波。本设计利用电压比较器实现方波的输出，又连接积分器得到三角波，并通过三角波-正弦波转换电路得到正弦波。最后通过Protel99SE设计PCB板，并最终做出成品电路，经实验室测试，符合设计的初衷。关键词：电源;波形;比较器;积分器;转换电路;Protel99SEThedesignofthefunctionsignalgeneratorcircuitAbstract:Protel99SEsoftwarecombinesintuitivecaptureandpowerfulsimulation,fast,easyandefficientcircuitdesignandverification.WithProtel99SE,youcanimmediatelycreateacompletecircuitcomponentlibrary,anduseindustry-standardSPICEcircuitsimulatortoimitatebehavior.ThisdesignistouseProtel99SEsoftwaredesignanewsimplefunctionsignalgeneratorcircuit,andthroughsimulation.Itcanproducesquare-wave,trianglewaveandsinewave.Thisdesignusevoltagecomparatorrealizestheoutputpulseandconnectionintegratorgettrianglewave,andthroughthetrianglewave-sinewavetransformcircuittogetsinewave.FinallythroughProtel99SEdesignPCB,andeventuallymadebylaboratorytesting,finishedproductcircuit,complywiththedesignoriginalintention.Keywords:powersupply;waveform;comparator;integrator;conversioncircuit;Protel99SE目录1函数信号发生器的设计原理及方案...................................11.1原理框图....................................................11.2函数发生器的总方案..........................................12设计的目的和设计的任务...........................................12.1设计目的.....................................................12.2设计任务....................................................22.3设计的要求及技术指标........................................23比较器的原理.....................................................23.1比较器.......................................................23.2比较器的工作原理............................................23.3比较器的应用.................................................64各组成部分的工作原理.............................................64.1方波发生电路的工作原理......................................64.2运放741工作原理与电路图....................................74.3方波—三角波产生电路.........................................74.4三角波—正弦波变换电路......................................94.5确定电路形式...............................................114.6计算原件参数................................................115.电路的绘制与仿真..............................................125.1方波—三角波—正弦波函数发生器电路图的protel原理图.........125.2方波—三角波—正弦波函数发生器电路图的PCB的生成...........125.3设置仿真参数...............................................155.4仿真波形...................................................166电路安装与调试.................................................166.1方波—三角波产生电路的安装与调试............................166.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试........................166.3总电路的安装与调试.........................................176.4调试中遇到的问题及解决的方法................................177实验结果.......................................................187.1方波——三角波发生电路的实验结果............................187.2三角波——正弦波转换电路的实验结果..........................187.3实测电路波形、误差分析及改进方法...........................198仪器仪表清单...................................................19参考文献.........................................................20致谢.............................................错误!未定义书签。附录1:..........................................................2111函数信号发生器的设计原理及方案1.1原理框图图1.1函数发生器原理框图1.2函数发生器的总方案函数信号发生器一般是指能自动产生方波、三角波、正弦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信号发生器，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（如单片函数信号发生器模块8038）。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本次设计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—正弦波函数信号发生器的设计方法。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，再将三角波形变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本次设计采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，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设计的目的和设计的任务2.1设计目的1.掌握电子系统的一般设计方法2.掌握模拟IC器件的应用3.培养综合应用所学知识来指导实践的能力4.掌握常用元器件的识别和测试25.熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法2.2设计任务设计方波—三角波—正弦波函数发生器2.3设计的要求及技术指标1.设计、组转、调试函数发生器2.输出波形：正弦波、方波、三角波3.频率范围：1Hz-10Hz,10Hz-100Hz4.输入电压：方波Up-p≤24V,三角波Up-p=8V,正弦波Up-p1V3比较器的原理3.1比较器⑴对两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系及排列顺序称为比较。能够实现这种比较功能的电路或装置称为比较器。⑵比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。因此，也可以将其当作一个1位模/数转换器（ADC）。运算放大器在不加负反馈时从原理上讲可以用作比较器，但由于运算放大器的开环增益非常高，它只能处理输入差分电压非常小的信号。而且，一般情况下，运算放大器的延迟时间较长，无法满足实际需求。比较器经过调节可以提供极小的时间延迟，但其频响特性会受到一定限制。为避免输出振荡，许多比较器还带有内部滞回电路。比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。3.2比较器的工作原理3.2.1固定幅度比较器⑴过零比较器和电压幅度比较器[3]过零电压比较器是典型的幅度比较器电路，它的电路图和传输特性曲线如图所示。3图3.1过零比较器将过零比较器的一个输入端从接地改为接到一个固定电压值VREF上，就得到电压比较器，如图3.1所示。调节VREF可方便地改变阀值。图3.2固定电压比较器⑵比较器的基本特点工作在开环或正反馈状态。开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。非线性，因是大幅度工作，输出和输入不成线性关系。3.2.2滞回比较器滞回比较器又称施密特触发器,迟滞比较器。这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。滞回比较器也有反相输入和同相输入两种方式。电路如图3.3所示。4图3.3滞回比较器及其传输特性(a)反相输入；(b)同相输入1.正向过程正向过程的阈值为（3-1）形成电压传输特性的abcd段。2.负向过程负向过程的阈值为（3-2）形成电压传输特性上defa段。由于它与磁滞回线形状相似，故称之为滞回电压比较器。利用求阈值的临界条件和叠加原理方法，不难计算出图3.3(b)所示的同相滞回比较器的两个阈值5（3-3）两个阈值的差值ΔUTH=UTH1–UTH2称为回差。由上分析可知，改变R2值可改变回差大小，调整UR可改变UTH1和UTH2，但不影响回差大小。即滞回比较器的传输特性将平行右移或左移，滞回曲线宽度不变。图3.4比较器的波形变换(a)输入波形；(b)输出波形3.2.3窗口比较器电平比较器和滞回比较器有一个共同特点，即ui单方向变化(正向过程或负向过程)时，uo只跳变一次。只能检测一个输入信号的电平，这种比较器称为单限比较器。双限比