课题 函数信号发生器的课程设计

一、设计要求    2

二、设计作用和目的    3

三、设计方案的具体实现    4

1）设计方案概述    4

2）方案比较    5

3）设计方案的实现    5

四、单元电路的设计与分析    6

1）方波—三角波的设计及仿真    6

i．    方波部分    6

ii．三角波部分    8

iii．方波—三角波转换    9

2）正弦波的设计及仿真    11

五、心得体会及建议    15

六、附录    17

七、参考文献    18

一、设计要求

1.利用集成运算放大器，设计一个正弦波—方波—三角波函数信号发生器。使得信号频率可调，发出信号不失真。

2.频率范围100Hz~1KHz。

3.输出电压：正弦波Up-p>6V，方波Up-p=12V，三角波Up-p=12V。

4.总体设计画出电路原理框图。

5.单元电路设计。

6.利用仿真软件设计进行电路仿真，列出元件明细表。

7.撰写设计说明书。

二、设计的作用和目的

1.巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。

2.培养根据课题需要选学参考书籍，查阅手册，图表和文献资料的自学能力。通过思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。

3.通过电路方案的分析，论证和比较，设计计算和选取元器件；初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。

4.了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。

5.学会运用Mulitisim8仿真软件对所做出的理论设计进行仿真测试，并能进一步完善设计。

6.熟练掌握常用元器件的识别和测试，熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。

7.培养严肃，认真的工作作风和科学态度

三、设计方案的具体实现

1)设计方案概述

函数信号发生器是一种常用的信号源，是是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都要有信号源。

通常所说的函数信号发生器指的是能自动产生正弦波—三角波—方波等的电路或者仪器。根据不同的需要有产生一种波形的发生器，也有产生多种波形的发生器，所使用的期间可以是分立元件，也可以是专用集成电路。

根据要求，产生正弦波、方波、三角波的方案有许多种，例如首先产生正弦波，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，再将三角波变成正弦波或方波，再或者先产生方波，再将方波变成正弦波等等。

2)方案比较

方案一：

以由分立元件运算放大器、电阻、电容、晶体管等器件组成电路，主要部件是运算放大器LM741组的滞回放大电路、积分电路和差分放大电路构成。分为三级单元电路组成，第一级单元电路利用滞回放大器产生方波，第二级为积分电路改成三角波，第三级电路用运算放大器改为正弦波。

     图1   由差分放大电路构成的函数信号发生器

方案二：

采用单片集成芯片来构成函数信号发生器，由于单片集成芯片的知识对于我们比较陌生，而且集成电路的芯片中各路元件已经设计好，不能实现我们本设计的目的，所以此方案不采用。

方案三、

运用集成放大器、电容、电阻等基本元件实现正弦波—方波—三角波的波形的产生，本课程设计采用先用滞回比较电路—积分电路—RC振荡电路来实现函数信号发生器的设计。由于滞回比较电路、积分电路、RC振荡电路等为我们本学期模拟电子课程所学习的内容，所以便于我们通过本设计来熟悉所学知识。

3）设计方案的实现

本次课程设计函数信号发生器实现方案的特点是：首先是滞回比较电路产生方波，再通过积分电路产生三角波，然后再通过RC桥式振荡电路产生正弦波。下面我们将分别对各个波形的发生进行分析，从而达到在合成电路时使电路更加合理，如图2。

             图2  系统实现方案整体框图

四、单元电路的设计与分析

1)方波—三角波发生电路的设计

i.方波部分

由运放LM324为主构成的同相滞回比较电路产生方波信号的工作原理图如下图3：

电路中运用集成运算放大器LM324，用稳压管D1、D2来实现对方波信号的幅值的稳定，经过用Multisim软件多次反复的实验确定11.3V的稳压幅值可以实现方波信号Up-p为12V左右，各个电阻阻值通过参数计算及查阅资料来确定。电位器R8的改变可以改变输出方波信号的频率值，电路的参数计算及器件选择后面写出。使用Multisim10.1仿真软件仿真出的波形图如下图4所示，电压峰峰值Up-p为12.4V。

    图3  方波发生电路原理图

      图4  方波仿真图

ii.三角波部分

      图5  三角波发生电路原理图

本课程设计要求输出频率为100Hz~1kHz，所以电容选择C1=100nF以实现频段的转换，R4以及R7阻值都不变，平衡电阻R5等于10kΩ。运放经过查阅资料及多次试验，选择3288RT，直流电源电源。

        图6 三角波仿真图

iii.方波—三角波转换部分

方波—三角波转换的整体工作原理图如下图

    图7 方波—三角波转换电路原理图

图7中由同相输入滞回比较器产生方波，有运算放大器LM324、电阻和稳压管组成。当同相端输入电压大于零时，运放输出幅值为+Uz的高电平当同相端输入电压小于零时，运放输入幅值为-Uz的低电平，故输出Uo1的幅值为±Uz的方波。

右边的积分运算电路由电阻和电容组成。当方波输出Uo1输出高电平时，电容充电，运放输出电压负方向线性增加，并发亏到滞回比较器的同相输入端，控制其输出端的状态跳变；当Uo1输出电压跳变到低电平是，电容放电，运放输出电压正方向线性增加，并反馈回去，从而在三角波输出Uo2端得到周期性的频率与方波相同的三角波。

 参数计算和器件选择

滞回比较器中运算放大器LM324同相输入端的电压U+同时与Uo1和Uo2有关，根据叠加原理，可得：

根据叠加原理，集成运放U1A同相输入端的电位U+=U-=0，，滞回比较器的输出发生跳变。

阈值电压。

由积分电路的运算可得：

起始值为-UT，终了值为+UT，积分时间为T/2。 

此时故得：

所以频率为：

可以通过控制R8的阻值来实现改变方波输出电压Uo1的频率。由Multisim软件仿真之后的仿真图如下图8。

       图8 方波—三角波转换电路仿真图

2)正弦波发生电路

由RC振荡器振荡产生正弦波信号的工作原理图如下图10：

正弦波振荡器是在只有直流供电、不加外加输入信号的条件下产生正弦波信号的电路，通常由放大电路、选频网络。正反馈网络、稳幅环节组成。根据选频电路回路的不同，正弦波振荡器可分为RC正弦波振荡器。LC正弦波振荡器和石英晶体振荡器。其中，RC正弦波振荡器驻澳用于产生中低频正弦波，振荡频率一般小于1MHz；如在电子琴中产生音频信号灯；LC正弦波振荡器主要用于高频率震荡，如收音机的本机震荡；而石英晶体震荡器主要应用

           图9  正弦波发生电路原理图

于对频率稳定度要求较高的场合，如产生时钟信号等。

本次课程设计要求频率范围是100Hz~1kHz，所以采用RC正弦波振荡器来

实现正弦波信号的简易输出。

RC正弦波振荡器的实验电路如上图图9所示。

其中，由R4、C1、R5、C2组成的RC串、并联选频网络引入了正反馈，其谐振频率为：

此时RC串、并联网络的增益为。所以满足正弦振荡的幅值条件，由运算放大器和R3、R6、R1组成同相比例放大器的增益：（起振时大于3，稳定振荡时等于3）。

参数计算及器件选择

正反馈通道是RC串、并联选频网络，震荡频率取决于选频网络的参数。在图中，因为RC串、并联网络在正弦波振荡电路中既为选频网络，又为正反馈网络，所以其输入电压为，输出电压为。

由图得到： 

整理可得：                （1）

令，则        

代入（1）式，得出

幅频特性为 ：                                                           

相频特性为 ： 

当RC桥式正弦波振荡电路要产生振荡必须满足相位平衡条件和幅度平衡条件，即需要电路的振荡频率为  

改变电阻R6的电阻阻值可以改变负反馈的深度，使电路产生稳定振荡、停振和波形振荡是真的几种不同的输入信号。调节R6的值为37.5%可以得到RC振荡的起振波形，用Multisim仿真软件仿真得到的起振波形如下图11所示；下图12是用仿真软件仿真所得的正弦波振荡振荡中的波形。原电路为先选出电容为μF级的电容，本次课程设计选择1μF的电容，电阻阻值通过查阅资料以及用仿真软件不断改变尝试所得。

                图10 起振波形仿真

    图11 正弦波振荡电路振荡中的仿真

五、心得体会及建议

通过本次课程设计，我巩固的本学期在《模拟电子技术基础》中所学习的对各种电路的简单应用，尤其是对于RC振荡电路、滞回比较电路、积分电路以及差分放大电路在设计函数信号发生器过程中的应用。在课程设计的过程中，我学会了如何自己根据已知条件，把各个熟悉的元件应用到各个电路中。在此过程中，我需要不断地认真分析已知条件，以及老师所给的基本电路，在遇到不会的知识点时，需要积极地去图书馆查阅资料，从对各种资料的综合分析中提取出自己需要的信息，提高了自己的分析能力。在设计过程中，我还学会了如何熟练的使用Multisim仿真软件来模拟现实电路，对各个元件的查找等等。

    在本次课程设计的过程中，通过自己查阅资料，解决做课设过程中出现的各种问题，锻炼了我的分析能力，进行电路设计的能力，培养了自己对各个问题深入探索的能力以及自己钻研学习的能力，通过设计论文的书写，锻炼了自己的语言表达能力以及对知识点的透彻了解。

    在设计以及仿真过程中遇到的很多自己解决不了问题，通过和同组同学查阅资料以及讨论，请老师指导等途径解决了，更加深了我对基础知识的理解，以及对本学期学习的专业知识的巩固，使得我能将理论学习与实际设计相结合起来。

五、附录

元件明细表

[1] 纪静波 · 低频电子线路 · 机械工业出版社·2009.1

[2] 杨凌 · 模拟电子线路 · 机械工业出版社·2006.7

[3] 何希才·尤克·振荡电路的设计与应用 · 科学出版社 ·2005.3

[4]张新喜等·Multisim 10电路仿真及应用 · 机械工业出版社·2010.2

[5]童诗白·模拟电子技术基础·高等教育出版社·2009.4

[6] 熊伟林主编 · 模拟电子技术及应用  ·  机械工业出版社·2010.6

[7]刘树林·低频电子线路·机械工业出版社·2008.8