函数发生器课程设计.doc

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1、2323摘要随看电子技术的迅猛发展,新技术的教学改革不断深入,电子设计自动化技术运用而生,使得电子技术的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计,逻辑设计和性能分析.时序测试直刻印刷电路的自动设计,提高了电子电工的开发效率与周期.本文就是利用Multisim仿真设计一个方波-三角波-正弦波的函数信号发生器的电路着手,仿真设计过程和生成网络表后利用Protel 99se的PCB板设计制版过程.关键词:方波;三角波;正弦波;PCB制版;电子仿; Multisim； Protel 99seABSTRACTTo watchthe rapid development ofelectronic techno

2、logy,new technologydeepeningteaching reform,the use ofelectronic designautomation technologyandhealth, making theelectronicsdesignerstocomplete the circuiton the computerfunctional design, logicdesign and performanceanalysis oftime seriestestsdirectetchingtheautomaticprinted circuitdesign,improve th

3、eefficiency of the developmentof electronicandelectricalcycle.thisis asimulationusingMultisim design ofa squarewave-trianglewave-sinefunctionsignalgeneratorcircuitto start withthe design processandsimulationnetlistgeneratedafter theuse ofProtel99seplatethe PCBdesignprocess. Keywords:square wave;tria

4、nglewave;sine wave; PCBplate;electronicimitation; Multisim ； protel 99se目 录1、函数发生器的任务、功能要求说明及总体方案介绍（4） 1.1 课程设计的任务（4） 1.2 课程设计的功能要求说明（4） 1.3 原理框图，总体方案介绍及工作原理说明（4）2、仿真分析（12）2.1 参数选择与计算（12）2.2 仿真结果（13）2.3 仿真调试（17）3、硬件系统的设计（18）3.1 硬件系统各模块功能简要介绍（19）3.2 电路原理图与PCB图（19）3.3 元器件清单（20）4、设计结论、误差分析、教学建议等（20）4.1

5、 设计结论（21）4.2 硬件调试（21）4.3 误差分析（22）4.4 体会与总结（22）参考文献（23）致谢（24）1、函数发生器的任务、功能要求说明及总体方案介绍1.1 课程设计的任务设计方波三角波正弦波函数信号发生器1.2 课程设计的功能要求说明设计一个方波-三角波-正弦波函数发生器。频率范围为1-10Hz，10-100Hz，输出电压为：方波，三角波，正弦波；波形特性：方波的上升时间，三角波的非线性失真系数，正弦波的非线性失真系数。1.3 原理框图，总体方案介绍及工作原理说明原理框图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

6、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8038)。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

7、如下所示：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。各组成部分的工作原理方波发生电路的工作原理 此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。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。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实

8、线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。方波-三角波转换电路的工作原理方波三角波产生电路 工作原理如下：若a点断开，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

9、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 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 比较器的门限宽度由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-71所示。a点断开后，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

10、，则积分器的输出Uo2为时，时，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，其波形关系下图所示。a点闭合，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。三角波的幅度为方波-三角波的频率f为由以上两式可以得到以下结论：1. 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，PR2实现频率微调。2. 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。三角波-正弦波转换电路的工作原理三角波正弦波的变换电路主

11、要由差分放大电路来完成。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，可以有效的抑制零点漂移，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。分析表明，传输特性曲线的表达式为：式中差分放大器的恒定电流；温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mV。如果Uid为三角波，设表达式为式中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，由图可见：（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Rp1调节三角波的

12、幅度，Rp2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C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。 三角波正弦波变换电路2、仿真分析2.1 参数选择与计算方波-三角波部分实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。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（3-61）得即取 ，则，取 ，RP1为47K的点位器。区平衡电阻由式（3-62）即当时，取，则，取，为100K电位器。当时 ，

13、取以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻。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，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。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。2.2 仿真结果方波-三角波发生电路的仿真仿真条件：先调节R4的电阻，即按动a键，使得输出三角波的峰峰值为8V,然后改变电容的值，让它分别为0.01uF、0.1uF、1uF,对应电阻R6的范围（即改变b的大小）得

14、出不同的图形。C1=0.01uF 1% C1=0.01uF 99%C1=0.1uF 1% C1=0.1uF 99% C1=1uF 1% C1=1uF 99%三角波-正弦波转换电路的仿真仿真条件：先将电容接地，调节Rp4,从而调节输出电压。再输入三角波，看输出是否为正弦波，并记录最大不失真时的正弦波峰峰值，使之大于1V。 静态工作点 C1=0.01uF 1% C1=0.01uF 99% C1=0.1uF 1% C1=0.1uF 99% C1=1uF 1% C1=1uF 1%2.3 仿真调试方波-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

15、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，如设计举例题中，应先使RP1=10K,RP2取（2.5-70）K内的任一值,否则电路可能会不起振。只要电路接线正确，上电后，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。三角波-正弦波变换电路的装调 按照图375所示电路，装调三角波正弦波变换电路，其中差分发大电路可利用课题三设计完成的电路。电路的 调试步骤如下。（1）经电容C4输入差摸信号电压Uid=50v，Fi =100Hz正弦波。调节Rp4及电阻R*,是传输特性曲线对称。在

16、逐渐增大Uid。直到传输特性曲线形状入图373所示，记 下次时对应的 Uid即Uidm值。移去信号源，再将C4左段接地，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使三角波俄 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 波形出现如图376所示的 几种正弦波失真，则应调节和改善参数，产生是真的 原因及采取的措施有；1）钟形失真 如图（a）所示，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 如图（b）所示，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应

17、调整电阻R*.3）非线性失真 如图（C）所示，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。（3）性能指标测量与误差分析 1）放波输出电压Upp=2Vcc是因为运放输出极有PNP型两种晶体组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饮和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出度小于电源电压值。2）方波的上升时间T，主要受预算放大器的限制。如果输出频率的 限制。可接俄加速电容C1，一般取C1为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量T 3、硬件系统的设计3.1 硬件系统各模块功能的介绍电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。Rp2调

18、整电路的对称性C1为加速电容C2改变频率的范围电容C1,C2,C3为隔直电容C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。3.2 电路原理图与PCB图电路原理图PCB图元器件清单 1直流稳压电源 1台3万 用 表 1只4运 放741 2片5. 电阻器 100欧姆 1只 2千欧姆 3只 5.1千欧姆 1只 6.8千欧姆 2只 8千欧姆 1只 10千欧姆 4只 20千欧姆 1只 5电位器50K 2只 100K 2只6电 容470F 3只 10F 1只 1F 1只 0.1F 2只 0.01F 1只7三极管9013 4只8PCB双面板 1块9. 电源线 4跟4、设计结论、误差分析、教学建议等4.1 设

19、计结论输出的各波形的参数范围有些许的偏差，是因为在各原件的参数选择上有些偏差。正弦波稍微有点失真是因为积分电路中充放电的时间不够。4.2 硬件调试调试方波三角波产生电路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；4. 观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装。调试三角波正弦波变换电路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的电容值，当不相等时调节RP4使其相等；3. 测试V3、V4的电容值，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

20、，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压；总电路的安装与调试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大于1V。4.3 误差分析 将C6替换为由两个.1uF串联或直接拿掉, C1=0.1uF U=53mv Uo=2.4v 1vC1=0.01uF U=53mv Uo=2.6v1v Xc=1/W*C,当输出波形为高频时，若电容C6较大，则Xc很小，高频信号完全被吞并，无法显示出来。4.4 体会与总结这次课程设计给了我们动手自己操作的机会，我学会了很多。课程设计给了我们一次实际掌握知识的机会，离开了课堂严谨的环境，接

21、触到真正的电路元件，实际的动手操作，解决问题。对于我们而言，最缺少的就是实习动手能力了，在课堂上，我们可以学到许多知识，但是当我们自己操作的时候就会遇到好多困难，就会觉得实践真的是我们在平时很需要的。只凭着自己单独的思考是不能完成实际的工作的。只有在拥有扎实的知识基础上，通过不断的实践，机械操作和经验的积累，然后才能把所学的知识有效的运用到实际工作中。所以这半个星期的课程设计对我们而言是必不可少的，不仅是给我们锻炼自己实践能力的机会，也是检验我们在课堂上所学的知识是否扎实的时机。通过我们自己的观察才能对课上所学器件进行实际化，更能让我们记得更深更牢。当然也会对我们所掌握的知识进行补充，填补其中

22、的空白，弥补其中的盲点。这一个星期的实习，让我学到了很多，当然也有许多感触。在学校，如果我们不能学到一点技能的话，出了校门我们能够去干什么样的工作呢。而且对于以后自己是从事技术开发工作还是其他的车间操作还是其他的等等都有了一些了解，能够为自己的将来做个正确的决定。而且有个好的搭档对我们的操作也起到了一个事半功倍的效果，我们整个过程中都是通过互相讨论来一起解决遇到的种种难题，所以说以后的学习和工作中，与搭档的好好相处与互相协助也是必不可少的一件事情。参考文献1胡宴如,耿苏燕.模拟电子技术基础M.北京:教育出版社,2004.8596.2李祖林,雷军,王韧.EDA与单片机技术实验指导书M.衡阳：湖南

23、工学院，2010.4451.3潘松,黄继业.EDA技术实用教程M.第三版.北京:科学出版社,2006.95119.4清源计算机工作室.Potel 99 SE 原理图与PCB及仿真M.北京:机械工业出版社,2011.1.1278.致 谢 在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题。同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学忽略此处. 23