简易信号发生器课程设计

数字电子技术基础课程设计报告设计题目：简易函数信号发生器完成人：王鹏仇佳慧班级：13表一学号：201314040108201314040109指导教师：许金刚成绩：一、设计任务和要求（1）电路能输出正弦波、方波和三角波等三种波形；（2）输出信号的频率要求可调；二、设计内容设计一个电路能够产生正弦波、方波和三角波等三种波形。三、主要参考资料模电电子技术基础（第四版）清华大学电子学教研组编童诗白华成英主编高等教育出版社内容一，函数发生器总方案及原理框图1.1原理框图1.2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)。为进一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，本课题中函数发生器电路组成框图如上图所示：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。二，各部分电路设计及总电路图3.1方波发生电路的工作原理用迟滞比较器构成的方波产生电路如图3-1所示，图中，R和C为定时元件，构成积分电路它把输出电压反馈到集成运算放大器的反向端，RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络。通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。比较器主要部件为uA741芯片（相关信息将在后续章节介绍）。当Uo=UoH=+Uz时,电容C充电，电流流向如图3-1（a）所示，电容两端电压Uc不断上升，而此时同相端电压为上限门UT+。当Uc＞UT+时，输出电压变为低电平Uo=UoL=-Uz,使同向端电压变为下限门电压UT-，然后电容C开始放电，电流流向如图3-1（b）所示，电容上的电压不断降低，当Uc降低到Uc＜UT-时，Uo又变为高电平UoH,电容又开始充电但是，上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。（a）（b）图3-1方波产生电路3.2方波---三角波转换电路的工作原理如果用线性积分电路代替方波产生电路的RC积分电路，则电容器两端就可获得理想的三角波输出。其电路图如3-2所示。波形如图3-3所示。若反馈网络断开，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Uia，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图3-2方波——三角波产生电路图3-3电路输出波形时，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312231231()0CCiaRRPRUVURRRPRRRP（3-2-1）将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为223131()CCCCiaRRUVVRRPRRP(3-2-2)若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为223131()EECCiaRRUVVRRPRRP(3-2-3)比较器的门限宽度2312HCCiaiaRUUUIRRP(3-2-4)反馈网络断开后，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214221()OOUUdtRRPC(3-2-5)1OCCUV时，2422422()()()CCCCOVVUttRRPCRRPC(3-2-6)1OEEUV时，2422422()()()CCEEOVVUttRRPCRRPC(3-2-7)可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如图3-2所示。反馈网络闭合，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2231OmCCRUVRRP(3-2-8)方波-三角波的频率f为3124224()RRPfRRRPC(3-2-9)3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理图3-4三角波——正弦波电路图三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。分析表明，传输特性曲线的表达式为：011/1idTCEUUaIIaIe（3-3-1）式中/1CEaII0I：差分放大器的恒定电流（约为1mA）。TU：温度的电压当量，当室温为25℃时，UT≈26mV。如果Uid为三角波，设表达式为44434midmUTtTUUTtT022TtTtT（3-3-2）式中Um：三角波的幅度。T：三角波的周期。3.4电路的参数选择及计算1差分放大器元件参数确定输出电压为0.5PPV=1/2=0.5V,取KRRCC121,则IcQ=0.5V/1KΩ=0.5mA，mIICQC12,取KRERE1043,则REFCII,mRRRUVIEBEEEREF1107.03.114得KR3.1。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（3-2-8）得2231OmCCRUVRRP即411232132CCMOVVRPRR。取210RK，则3130RRPK，取320RK，RP1为47KΩ的点位器。区平衡电阻kRPRRR2.8)//(1321。由式（3-2-9）3124224()RRPfRRRPC即3141224RRPRRPRC（3-3-3）当Kf1100时，取uFC1.02，则42(75~7.5)RRPk，取45.1Rk，RP2为100KΩ电位器。当1KHz≤f≤10KHz时，取uFC01.01以实现频率波段的转换，R4及RP2的取图3-5波形变换值不变。平衡电阻取8.2KΩ。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345470CCCF，滤波电容6C视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，6C可取得较小，6C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。简易信号发生器EWB总电路图三，EWB电路仿真及仿真结果4.1方波---三角波发生电路的仿真图4-1方波仿真图图4-2三角波仿真图图4-3方波——三角波仿真图4.2三角波---正弦波转换电路的仿真图4-4正弦波仿真图图4-5三角波——正弦波仿真图4.3方波——三角波发生电路的仿真结果表4-1方波、三角波实验数据uFC01.0Hf4215minHf8345maxuFC1.0Hf213min1820maxf表4-2方波图形结果分析要求数据VVPP24仿真结果VVPP224.4三角波——正弦仿真测试结果表4-3三角波、方波实验数据KR3.1VVVTT450.521VVT678.03VVT114mAIICC5.021表4-4波形转换电路的实验结果模拟仿真KR3.1VVVTT764.421VVT734.03VVT84.104Ic1=Ic2=0.5mA四，电路板的制作1．安装方波——三角波产生电路1）把两块741集成块插入面包板（或PCB板），注意布局；2）分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；3）按图接线，注意直流源的正负及接地端；焊好各结点，注意焊接质量与焊点的大小。2.按装三角波——正弦波变换电路1）在面包板（PCB板）上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线；2）搭生成直流源电路，注意R的阻值选取；3）接入各电容及电位器；4）按图接线，注意直流源的正负及接地端；焊好相关结点。按要求接入相应的插座供电源的接入，连接好各接地线路，电路板即制作完毕。简易信号发生器PCB总电路封装图简易信号发生器PCB总电路原理图五，电路板的调试与误差分析6.1方波——三角波发生电路的调试1.接入电源后，用示波器进行双踪观察。2.调节RP1，使三角波的幅值满足指标要求。3.调节RP2，微调波形的频率。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。4.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。5.观察示波器，各指标达到要求后进行下一步安装。6.2三角波——正弦波转换电路的调试1.接入直流源后，把C4接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点。2.测试V1、V2的电压值，当不相等时调节RP4使其相等。3.测试V3、V4的电压值，使其满足实验要求。4.在C4端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压。为使输出波形更接近正弦波，由图3-5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Rp3调节三角波的幅度，Rp4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C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。6.3总电路的调试1.把两部分的电路接好，进行整体测试、观察。2.针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值等于1V。6.4调试中遇到的问题及解决方法方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。1、方波-三角波发生器的装调由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，应先使RP1=10KΩ,RP2取（2.5-70）KΩ内的任一值,否则电路可能会不起振。电路接线正确，通电后，UO1的输出为方波，UO2的输出为三角波，微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求有，调节RP2，则输出频率在对应波段内连续可变。2、三角波---正弦波变换电路的装调（1）经电容C4输入差模信号电压Uid=1v，Fi=100Hz正弦波。调节Rp4及电阻R,使传输特性曲线对称。再将C4左端接地，测量差份放大器的静态工作点I0,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.（2)Rp3与C4连接，调节Rp3使三角波输出幅度经Rp3等于Uidm值，这时Uo3的输出波形应接近正弦波，调节C6大小可改善输出波形。如果Uo3的波形出现几种正弦波失真，则应调节和改善参数，产生失真的原因及采取的措施有：1）钟形失真传输特性曲线的线性区太宽，应减小Re2。2）半波圆定或平顶失真传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R。3）非线性失真三角波传输特性区线性度差引起的失真，主要是受到运放的影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形。6.5误差分析1.方波的误差分析图6-2所示的波形为改换0.01