1、<p><b>　　引言</b></p><p>　　1.1 函數(shù)信號發(fā)生器的應用意義</p><p>　　函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件也可以是集成電路。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調試技術，本課題采用有集成運算放大器與晶體

2、差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器的設計方法。具體方法是由比較器和積分器組成方波—三角波產生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。</p><p>　

3、　通過此次設計，我們能將理論知識很好的應用于實踐，不僅鞏固了書本上的理論知識，而且鍛煉了我們獨立查閱資料、設計電路、獨立思考的能力</p><p><b>　　1.2設計目的</b></p><p>　　能夠根據(jù)功能要求查找相關的元器件的說明書。</p><p>　　能夠對元器件的說明書進行學習并掌握元器件的控制方法和時序要求。</p&g

4、t;<p>　　能夠利用Multisim、protel仿真軟件對電路進行仿真調試。</p><p>　?。?） 能夠按著規(guī)范的課程設計的格式完成課程設計報告。</p><p>　　1.3設計內容和要求</p><p>　　設計一個函數(shù)發(fā)生器，能產生方波、三角波、正弦波信號。用LED顯示其頻率和波形參數(shù)，播報其頻率和波形參數(shù)。信號頻率可通過鍵盤輸入并顯示

5、。</p><p><b>　　基本要求：</b></p><p>　　1、輸出頻率范圍：100HZ—1KHZ和1KHZ—10000HZ兩檔</p><p>　　2、輸出電壓幅值可設，方波：VP-P=12V</p><p>　　3、三角波：VP-P=1V</p><p>　　4、正弦波：VP-P&

6、gt;1V</p><p>　　整個控制電路在Multisim、Protel仿真軟件中連接調示。</p><p>　　函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖</p><p><b>　　2.1 原理框圖</b></p><p>　　2.2 函數(shù)發(fā)生器的總方案</p><p>　　函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產生

7、正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調試技術，本課題采用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器的設計方法。</p><p>　　產生正弦波、方波、三

8、角波的方案有多種，如首先產生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產生三角波—方波，再將三角波變成正弦波或將方波變成正弦波等等。本課題采用先產生方波—三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法，</p><p>　　本課題中函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖如下所示：</p><p>　　由比較器和積分器組成方波—三角波產生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器

9、得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。</p><p>　　各組成部分的工作原理</p><p>　　3.1 方波發(fā)生電路的工作原理</p><p>

10、;　　此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉換。設某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當t趨于無窮時，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反

11、向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時間逐漸增長而減低，當t趨于無窮大時，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產生了自激振蕩。</p><p>　　3.2 方波---三角波轉換電路的工作原理</p><p>　　若a點斷開，運算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為

12、加速電容，可加速比較器的翻轉。運放的反相端接基準電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當比較器的U+=U-=0時，比較器翻轉，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設Uo1=+Vcc,則

13、 </p><p>　　將上式整理，得比較器翻轉的下門限單位Uia-為</p><p>　　若Uo1=-Vee,則比較器翻轉的上門限電位Uia+為</p><p><b>　　比較器的門限寬度</b></p><p>　　由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3-71所示。&l

14、t;/p><p>　　a點斷開后，運放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為　</p><p><b>　　時，</b></p><p><b>　　時，</b></p><p>　　可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波

15、，其波形關系下圖所示。</p><p>　　a點閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產生方波-三角波。三角波的幅度為</p><p>　　方波-三角波的頻率f為</p><p>　　由以上兩式可以得到以下結論：</p><p>　　電位器RP2在調整方波-三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可

16、用C2改變頻率的范圍，PR2實現(xiàn)頻率微調。</p><p>　　方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。</p><p>　　電位器RP1可實現(xiàn)幅度微調，但會影響方波-三角波的頻率。</p><p>　　3.3 三角波---正弦波轉換電路的工作原理</p><p>　　差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗

17、高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達式為：</p><p><b>　　式中　　</b></p><p>　　——差分放大器的恒定電流；</p><p>　　——溫度的電壓當量，當室溫為25o

18、c時，UT≈26mV。</p><p>　　如果Uid為三角波，設表達式為</p><p>　　式中　　Um——三角波的幅度；</p><p>　　T——三角波的周期。</p><p>　　為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：</p><p>　　傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；</p><p&

19、gt;　　三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。</p><p>　　圖為實現(xiàn)三角波——正弦波變換的電路。其中Rp1調節(jié)三角波的幅度，Rp2調整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1,C2,C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。</p><p>　　3.4電路的參數(shù)選擇及計算</p><p>　　3.4

20、1.方波-三角波中電容C1變化（關鍵性變化之一）</p><p>　　實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，后來將C2從10uf（理論時可出來波形）換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當C2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現(xiàn)。</p><p>　　3.42.三角波-正弦波部分</p><p>　　比較器A1與積分器A2的元件計算如下。

21、</p><p><b>　　由式（3-61）得</b></p><p><b>　　即</b></p><p>　　取 ，則，取 ，RP1為47KΩ的點位器。區(qū)平衡電阻</p><p><b>　　由式（3-62）</b></p><p><b&

22、gt;　　即</b></p><p>　　當時 ，取以實現(xiàn)頻率波段的轉換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻。</p><p>　　三角波—>正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分

23、放大器的線性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調整RP4及電阻R*確定。</p><p><b>　　3.5 總電路圖</b></p><p>　　4.函數(shù)信號發(fā)生器各單元電路的設計</p><p>　　4.1 方波產生電路圖及元件參數(shù)的確定</p><p>　　4.1.1 方波產生電路 </p&

24、gt;<p>　　圖 4-1方波發(fā)生電路</p><p>　　4.1.2 元件參數(shù)的確定</p><p>　　圖3中U2構成同相輸入遲滯比較器電路，用于產生輸出方波?？勺冸娙軨1具有調頻作用，可用于調節(jié)方波的頻率。使產生的頻率范圍在10~~100Hz。</p><p>　　方波振蕩周期 T = 2 R1 C1 ln(1+2R4/R3)。 </p

25、><p>　　R1=7K，R3=7K ，R4=7K。</p><p>　　振蕩頻率 f = 1/T?？梢?，f與C1成反比，調整電容C1的值可以改變電路的振蕩頻率。圖中穩(wěn)壓管 D1 D2 為調整方波幅值，UP-P = D1 +D2。</p><p>　　4.2方波—三角波轉換電路圖及元件參數(shù)確定</p><p>　　4.2.1 方波—三角波轉換電

26、路</p><p>　　圖 4-2方波-三角波電路圖</p><p>　　4.2.2 方波→三角波的參數(shù)確定</p><p>　　圖4中U2構成同相輸入遲滯比較器電路，用于產生輸出方波。可變電容C1具有調頻作用，可用于調節(jié)方波的頻率。運算放大器U1與電阻R5及電容C2構成積分電路，用于將U2電路輸出的方波作為輸入，產生輸出三角波。</p><p&

27、gt;　　圖中R6在調整方波—三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求三角波的幅值，可以調節(jié)可變電容C2。</p><p>　　三角波部分參數(shù)設定如下：</p><p>　　對于輸出三角波 其振蕩周期 T = (4 R5 R6 C2) / R3 ，f = 1/T。 而要調整輸出三角波的振幅，則需要調整可變電容C2的值。以使三角波UP-P = 1V。</p>&

28、lt;p>　　4.3正弦波參數(shù)電路及元件參數(shù)確定</p><p>　　4.3.1 正弦波參數(shù)電路 </p><p>　　圖 4-3 三角波-正弦波電路圖</p><p>　　4.3.2正弦波的參數(shù)確定</p><p>　　.改變輸入頻率，是電路中的頻率一定時三角波頻率為固定或變化范圍很小。加入低通濾波器，而將三角波轉化為正弦波。在圖5

29、中當改變輸入頻率后，三角波與正弦波的幅度將發(fā)生相應改變。由于</p><p>　　振蕩周期 T = (4 R5 R6 C2) / R3，</p><p>　　C2為調節(jié)三角波的幅度使UP-P = 5V，R10調節(jié)輸出正弦波得幅值UP-P = 3V。</p><p>　　三角波→正弦波的變換主要用差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高、抗干擾

30、能力強等優(yōu)點。特別是做直流放大器時，可以有效的抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性的非線性。</p><p>　　4.4方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器整體電路圖</p><p>　　根據(jù)以上設計，畫出方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路圖如圖 6 所示。</p><p>　　圖 4-4 方波-三角-正弦波函數(shù)發(fā)

31、生器電路圖</p><p><b>　　5.電路的仿真調試</b></p><p>　　5.1 利用Multisim軟件畫出電路圖，模擬電路結果，觀察各波形的輸出。</p><p>　　5.1.1 方波、三角波產生電路的仿真波形</p><p>　　圖5-1方波電路仿真</p><p>　　圖5-

32、2三角波電路仿真</p><p>　　5.12方波—三角波轉換電路的仿真</p><p>　　5-3方波—三角波仿真圖形</p><p>　　5.1.3三角波—正弦波轉換電路仿真</p><p>　　圖5-4三角波—正弦波仿真圖形</p><p>　　5.1.4 方波—三角波—正弦波轉換電路仿真</p>

33、<p>　　圖 5-5方波—三角波—正弦波仿真圖形</p><p><b>　　6.結果分析</b></p><p><b>　　輸出電壓</b></p><p>　　方波信號接入示波器仿真，調節(jié)C1，得方波峰峰Vpp=12V；撤除方波信號并接入三角波信號，調節(jié)C2，測得三角波峰峰值Upp=1V；將正弦波信號接入

34、示波器，調節(jié)R10，測得正弦波峰峰值Upp=3V。</p><p><b>　　7.總結</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 付家才. 電工電子實踐教程. 化學工業(yè)出版社.2003</p><p>　　[2] 尹勇 李林凌. Multisim電路仿真