简易函数信号发生器

郑州科技学院《模拟电子技术》课程设计题目简易函数信号发生器学生姓名王锋专业班级12级通信工程3班学号201251011院（系）信息工程学院指导教师李瑞贤完成时间2014年5月10日目录1函数信号发生器..........................................................................................11.1信号发生器的应用领域.............................................................11.2函数信号发生器的发展趋势....................................................22课程设计的目的.......................................................................................23课程设计的任务与要求.........................................................................33.1设计任务.........................................................................................33.2设计要求.........................................................................................34函数信号发生器设计方案与论证.......................................................34.1方案选择与论证.....................................................................................34.2函数信号发生器原理电路图..........................................................74.2.1正弦波发生电路的工作原理.......................................74.2.2正弦波—方波转换电路的工作原理.........................84.2.3方波—三角波转换电路的工作原理......................104.2.4电路参数的计算及选择..............................................115总原理图...................................................................................................126电路的仿真...............................................................................................136.1正弦波发生电路的仿真..............................................................136.2方波——三角波转换电路的仿真.................................................147电路的安装与调试.................................................................................147.1正弦波发生电路的安装与调试................................................147.2正弦波—方波转换电路的安装与调试..................................157.3方波—三角波转换电路的安装与调试..................................157.4总电路的调试.................................................................................158元器件列表.................................................................................................169课设小结......................................................................................................1610参考文献...................................................................................................181函数信号发生器1.1信号发生器的应用领域信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。按照频率范围分类可以分为：超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。按照输出波形分类可以分为：正弦信号发生器和非正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：脉冲信号发生器，信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器1.2函数信号发生器的发展趋势现在各高校理工科都涉及相关函数信号发生器。我国信号发生器行业运行目前发展形势良好，该行业企业正逐步向产业化、规模化发展，随着我国信号发生器行业运行需求市场的不断扩大以及出口增长，我国信号发生器行业运行将会迎来一个新的发展机遇,同时伴随着我国信号发生器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。了解国内外信号发生器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。2课程设计的目的通过对函数信号发生器的设计过程、设计要求、设计内容、设计方法，能根据用户的要求及工艺需要进行电子芯片设计并制定有关技术文件。培养学生综合运用已学知识解决实际工程技术问题的能力、查阅图书资料和各种工具书的能力、工程绘图能力、撰写技术报告和编制技术资料的能力，受到一次电子课程设计方面的基本训练。培养学生利用模电技术知识，解决电子设计中常见实际问题的能力，使学生积累实际模电技术。通过本课程设计的学习，学生将复习所学的专业知识，使课堂学习的理论知识应用于实践，通过本课程设计的实践使学生具有一定的实践操作能力。掌握常用模拟电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。1.熟悉集成运放的工作原理及接法；2.掌握振荡电路工作原理；3.掌握三极管的开关作用；4.掌握稳压管的作用；5.函数信号发生器可以很方便的解决需要多种波形的电路的设计，有助于了解到电路从设计到焊接调试等过程，加强对电路的了解，熟悉各个元件的操作及其的资料，并学会应用。3课程设计的任务与要求3.1设计任务设计一个函数信号发生器,并测出波形。3.2设计要求1、频率范围三段：10～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz；2、2、正弦波Uopp≈3V，三角波Uopp≈5V，方波Uopp≈14V；3、幅度连续可调，线性失真小；达到测试效果。4函数信号发生器设计方案与论证4.1方案选择与论证方案一：先产生正弦波，再由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。执行电路供电电源RC正弦波振荡电路电压比较器积分电路正弦波方波三角波图4-1-1正弦波变方波三角波RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法，电路框图如上。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。方案二：先产生方波，再将方波变成三角波，再将三角波通过差分放大器产生正弦波。图4-1-2方波变三角波正弦波555多谐振荡器积分电路低通滤波器方波正弦波三角波图4-1-3方波发生电路原理：首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。利用555与外围元件构成多谐振荡器，来产生方波的原理。用555定时器组成的多谐振荡器如图3所示。接通电源后，电容C2被充电，当电容C2上端电压Vc升到2Vcc/3时使555第3脚V0为低电平，同时555内放电三极管T导通，此时电容C2通过R3、Rp放电，Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，V0翻转为高电平。电容器C2放电所需的时间为tpL=(R3+Rp)C2ln2(3-1)当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R3、Rp向电容器C2充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为tpH=(R1+R3+Rp)C2ln2=0.7(R1+R3+Rp)C2(3-2)当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。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。电路的工作波形如图4，其震荡频率为f=1/（tpL+tpH）=1.43/(R1+2R3+2Rp)C2图4-1-4由555定时器组成的多谐振荡器工作波形三角波--正弦波转换电路的工作原理图4-1-5三角波产生正弦波原理原理：采用低通滤波的方法将三角波变换为正弦波。本次设计采用方案一，即由集成运算放大器组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法。4.2函数信号发生器原理电路图4.2.1正弦波发生电路的工作原理图4-2-1正弦波发生电路原理如下：如图2所示，正弦波电路由放大电路、正反馈网络和选频率网络组成。RC串联臂阻抗为Z1，RC并联臂阻抗为Z2，通常要满足R1=R2，C1=C2，其频率特性分析如下：)/1(111jwCRZ，)1/()/1(22222CjwRRjwCRZ反馈网络的反馈系数2222)(31)(sRCsRCsRCZZZsFv因s=jw，令w0=1/RC，则反馈系数为)(3100