64函数信号发生器

模拟电子课程设计函数信号发生器设计1．设计目的（1）掌握用分立元件或集成运放设计模拟电路的设计方法。（2）对设计的模拟电路进行仿真和调试。2．设计任务函数信号发生器设计，要求如下：（1）输出波形：正弦波、方波、三角波等；（2）频率范围：1～１０Hz，１０～１００Ｈz；（3)输出电压：方波Up-p=24V，三角波Up-p=6V，正弦波U1V；（4)波形特征：方波tr10s（1kHz，最大输出时），三角波失真系数THD2%，正弦波失真系数THD5%。3．设计要求（1）根据设计指标要求进行预设计，确定电路形式，估算元件参数并选择元件。（2）进行指标核算，根据设计的电路利用理论公式，核算有关指标能否达到设计要求。（3）要利用Multisim进行相关电路的仿真，给出仿真分析。（4）利用protel软件完成对相关电路原理图和PCB制版图绘制。（5）按时提交课程设计报告（最好B5纸打印），画出设计电路图，交一份A3图纸，完成相应答辩。4.参考资料（l）李立主编.电工学实验指导.北京：高等教育出版社，2005（2）高吉祥主编.电子技术基础实验与课程设计.北京：电子工业出版社，2004（3）谢云，等编著.现代电子技术实践课程指导.北京：机械工业出版社，2003（4）李万臣主编.模拟电子技术基础实验与课程设计.北京：电子工业出版社，2001（5）高吉祥主编.电子技术基础实验与课程设计.北京：电子工业出版社，2002模拟电子课程设计目录一设计要求...........................................1二设计的作用和目的...................................1三设计的具体实现.....................................23.1系统概述........................................23.2单元电路设计、仿真与分析........................33.2.1单元电路设计................................33.2.2单元电路仿真与分析..........................73.2.3PCB电路版制作.............................11四心得体会及建议....................................13五附录..............................................14六参考文献..........................................15模拟电子课程设计1/17一设计要求（1）根据设计指标要求进行预设计，确定电路形式，估算元件参数并选择元件。（2）进行指标核算，根据设计的电路利用理论公式，核算有关指标能否达到设计要求。（3）要利用Multisim进行相关电路的仿真，给出仿真分析。（4）利用protel软件完成对相关电路原理图和PCB制版图绘制。（5）按时提交课程设计报告（最好B5纸打印），画出设计电路图，交一份A3图纸，完成相应答辩。二设计的作用和目的设计一个能产生方波、三角波、正弦波信号的函数信号发生器，其中技术指标:（1）输出波形：正弦波、方波、三角波等（2）频率范围：1～１０Hz，１０～１００Ｈz（3)输出电压：方波Up-p=24V，三角波Up-p=6V，正弦波U1V；（4)波形特征：方波tr10s（1kHz，最大输出时），三角波失真系数THD2%，正弦波失真系数THD5%。其目的如下：（1）为了进一步掌握模拟电子技术的理论知识，培养工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力。（2）基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力。（3）学会运用Multisim11仿真软件对所作出的理论设计进行仿真测试，并能进一步完善设计。模拟电子课程设计2/17三设计的具体实现3.1系统概述（1）函数发生器的总方案论证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；也可以采用先产生方波-三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。（2）本系统的总体设计思路而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。首先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采用低通滤波的方法。总体思路转化成框图如下图所示：模拟电子课程设计3/17图1总体框架图3.2单元电路设计、仿真与分析3.2.1单元电路设计（1）方波发生电路工作原理从一般原理来分析，可以在滞回比较器电路的基础上，靠正反馈和RC充放电回路组成矩形波发生电路。由于滞回比较器的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平，两种不同的输出电频使RC电路进行充电或放电，于是电容上的电压将升高或降低，而电容的电压又作为滞回比较器的输入电压，控制其输出端状态发生跳变，从而使RC电路由充电过程变成放电过程或相反，如此循环往复，周而复始，最后在滞回比较器的输出端即可得到一个高低电平变化周期性交替的方波信号。（2）方波-三角波发生转换电路工作原理在产生方波信号后，利用此波形输入到一个积分电路便可输出一个三角波。由于三角波信号是在电容充放电过程中形成的指数曲线，所以线性度差。为了能够得到线性度较好的三角波，可以将运放和几个电阻、电容构成积分电路。由于电路存在RC电路和积分电路两个延迟环节，在实用电路中，将它们“合二为一”，即去掉方波发生电路中RC回路，使积模拟电子课程设计4/17分运算电路即作为延迟环节，又作为方波变三角波电路，滞回比较器和积分运算电路的输出互为另一个电路的输入图2方波-三角波转换电路方波-三角波转换电路仿真图如图2所示，图中运放U2接成积分电路形式，利用电路的自激振荡由滞回比较电路输出的方波信号，经过积分电路后产生三角波信号，从输出端输出。在方波-三角波转换电路中，根据叠加定理可知：𝑈𝑃1=𝑅9+𝑅6𝑅9+𝑅7+𝑅6𝑈𝑂2+𝑅7𝑅9+𝑅7+𝑅6𝑈𝑂1（1）即：𝑈𝑃1=𝑅9+𝑅6𝑅9+𝑅7+𝑅6𝑈𝑂2±𝑅7𝑅9+𝑅7+𝑅6𝑈𝑍（2）式中𝑈𝑃1为U1的同相输入端电位，𝑈𝑍为稳压管的稳定电压12V,𝑈𝑂2为U2的输出电压，𝑈𝑂1为U1的输出电压。令𝑈𝑃1=𝑈𝑁1=0，则阈值电压:UT=±R7R9+R6UZ，（3）积分电路输入电压是滞回比较器，输出电压𝑈𝑂1，而且𝑈𝑂1不是+𝑈𝑍，模拟电子课程设计5/17就是−𝑈𝑍，所以：𝑈𝑂2=−1(𝑅2+𝑅3)𝐶𝑋𝑈𝑍(𝑡1−𝑡0)+𝑈𝑂2(𝑡0)（4）其中𝑈𝑂2(𝑡0)为初态时输出电压，图3滞回比较器初态时𝑈𝑂1正好从从−𝑈𝑍变为+𝑈𝑍。当积分电路反向积分，𝑈𝑂2随时间增长线性下降，一旦𝑈𝑂2=−UT，再稍微减小，𝑈𝑂1将从+𝑈𝑍变为−𝑈𝑍，式子变为：𝑈𝑂2=−1(𝑅2+𝑅3)𝐶𝑋𝑈𝑍(𝑡2−𝑡1)+𝑈𝑂2(𝑡1)（5）其中𝑈𝑂2(𝑡1)为𝑈𝑂1产生跃变时的初态输出电压，当积分电路正向积分，𝑈𝑂2随时间增长线性增大，一旦𝑈𝑂2=+UT，再稍微增大，𝑈𝑂1将从−𝑈𝑍变为+𝑈𝑍，回到初态。积分电路又开始反向积分，电路重复以上过程，因此产生自激振荡。图4由波形可知，正向积分起始值始终为−𝑈𝑇，积分时间12周期，代入式子（5）中得出：+𝑈𝑇=𝑈𝑍(𝑅3+𝑅2)𝐶𝑋𝑇2+(−𝑈𝑇)（6）其中UT=R7R9+R6UZ，经计算T=4𝑅7𝐶𝑋(𝑅3+𝑅2)𝑅9+𝑅6,模拟电子课程设计6/17𝑓=𝑅9+𝑅64𝑅7𝐶𝑋(𝑅3+𝑅2)，（7）其中𝑅7𝑅9+𝑅6≥13。𝑅1、𝑅8都是补偿电阻，保证集成运放输入级差分放大电路对称性。由于𝑓=𝑅9+𝑅64𝑅7𝐶𝑋(𝑅3+𝑅2),故𝑅3+𝑅2=34𝑓𝐶𝑋。𝑅3+𝑅2=75KΩ~7.5KΩ，𝑅2=5.1𝐾𝛺，𝑅3=100𝐾𝛺。①1𝐻𝑍≪𝑓≪10𝐻𝑍，取𝐶𝑋=10𝜇𝐹；②10𝐻𝑍≪𝑓≪100𝐻𝑍，取𝐶𝑋=1𝜇𝐹；③100𝐻𝑍≪𝑓≪1𝐾𝐻𝑍，取𝐶𝑋=0.1𝜇𝐹；④1𝐾𝐻𝑍≪𝑓≪10𝐾𝐻𝑍，取𝐶𝑋=0.01𝜇𝐹；通过改变开关和电容连接位置，即可以调节方波和三角波的频率。（3）三角波-正弦波转换电路图5三角波-正弦波转换电路三角波转换为正弦波，利用低通滤波器将三角波变换为正弦波。由RC串联接一个同相比例运算电路组成一个一阶有源低通滤模拟电子课程设计7/17波器，滤出一部分干扰得到的想要的波形。在电路中，当信号频率趋于零时，同相输入端电位𝑈𝑃=𝑈𝑖,故电路的通带放大倍数等于同相比例运算电路比例系数，即：𝐴𝑢𝑝=𝑈𝑃𝑈𝑖=1+𝑅10𝑅9（8）电路电压放大倍数：𝐴𝑢=𝑈𝑂𝑈𝑖=(1+𝑅𝑓𝑅1)𝑈𝑃𝑈𝑖=𝐴𝑢𝑝1+𝑗𝜔𝑅𝐶=𝐴𝑢𝑝1+𝑗𝑓𝑓𝑃（9）其中𝑓𝑃=𝑓0=12𝜋𝑅𝐶=𝑓0=12𝜋𝑅𝐶，取𝐶5=4.7𝜇𝐹,𝑅8=𝑅9=500𝛺，𝑅10取10𝐾𝛺。3.2.2单元电路仿真与分析（1）在方波-三角波发生电路中，当选择𝐶𝑋=10𝜇𝐹时，产生1𝐻𝑍≪𝑓≪10𝐻𝑍的方波，如图所示：图6频率为1𝐻𝑍-10𝐻𝑍方波-三角波图模拟电子课程设计8/17在方波-三角波发生电路中，当选择𝐶𝑋=1𝜇𝐹时，产生10𝐻𝑍≪𝑓≪100𝐻𝑍的方波，如图所示：图7频率为10𝐻𝑍-100𝐻𝑍方波-三角波图在方波-三角波发生电路中，当选择𝐶𝑋=0.1𝜇𝐹时，产生100𝐻𝑍≪𝑓≪1𝐾𝐻𝑍的方波，如图所示：模拟电子课程设计9/17图8频率为100𝐻𝑍-1K𝐻𝑍方波-三角波图在方波发生电路中，用两个稳压管1N4741来使方波电路稳定在12V左右，以达到要求方波Up-p=24V。两个稳压管的对接，起到正、负向输出的双向限幅作用。通过调节𝑅4电位器，来使三角波的Up-p=6V。（2）三角波-正弦波转换电路中，当选择𝐶𝑋=10𝜇𝐹时，产生1𝐻𝑍≪𝑓≪10𝐻𝑍的正弦波，如图所示：图9频率为1𝐻𝑍-10𝐻𝑍正弦波图模拟电子课程设计10/17在低频中，正弦波出现了失真情况，在正弦波失真系数THD5%，可以接受。在方波-三角波发生电路中，当选择𝐶𝑋=1𝜇𝐹时，产生10𝐻𝑍≪𝑓≪100𝐻𝑍的方波，如图所示：图10频率为10𝐻𝑍-100𝐻𝑍正弦波图在方波-三角波发生电路中，当选择𝐶𝑋=1𝜇𝐹时，产生10𝐻𝑍≪𝑓≪100𝐻𝑍的方波，如图所示：图11频率为100𝐻𝑍-1𝐾𝐻𝑍正弦波图模拟电子课程设计11/17根据课程设计任务要求正弦波U1V即可。此时的峰峰值为3.34V满足设计要求。通过调节电位器𝑅10可以调节正弦波的峰峰值。图123.2.3PCB电路版制作在制作PCB电路板时，我选用了AltiumDesigner软件，具体流程如下：(1)在PCB版制作