模拟电子技术课程设计--波形发生器

1概述 (3)

1.1 课程计的目的 (3)

1.2课程设计的任务与要求 (3)

1.3 课程设计的技术指标 (3)

（1） 2 各部分电路设计 (3)

2.1正弦波波发生器的电路和工作原理 (3)

2.2 方波发生电路的工作原理 (4)

2.3矩形波的工作原理 (5)

2.4三角波发生器的工作原理 (6)

2.5方波---三角波转换电路的工作原理 (8)

2.6三角波---正弦波转换电路的工作原理 (12)

2.7电路的参数选择及计算 (13)

2.8 总电路图 (14)

3 电路仿真调试 (16)

3.1 方波---三角波发生电路的仿真 (16)

3.2 三角波---正弦波转换电路的仿真 (17)

3.3 方波---三角波发生电路调试 (18)

3.4 三角波---正弦波转换电路调试 (19)

3.5 矩型波的调试 (20)

5 实验总结及感想及参考文献 (21)一、概述

1.1课程设计的目的

1.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。

1.2任务和要求

本次课程设计的任务是在教师的指导下，学习Multisim仿真软件的使用方法，分析和设计完成3个项目的电路设计与仿真。完成该次课程设计后，学生应达到以下要求：

1、巩固和加深对《电子技术2》课程知识的理解；

2、会根据课题需要选学参考书籍、查阅手册和文献资料；

3、掌握仿真软件Multisim的使用方法；

4、掌握简单模拟电路的设计、仿真方法；

5、按课程设计任务书的要求撰写课程设计报告，课程设计报告能正确反应设计和仿真结果。

1.3 主要技术指标

●要求所设计的函数信号发生器能产生方波、三角波、正弦波；

●要求该函数信号发生器能够实现频率可调；

●函数发生器以集成运放及分立元件为核心进行设计。

二、各部分电路设计

2.1正弦波发生电路

标准的正弦波大多由正弦波震荡电路产生。正弦波震荡电路是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激震荡而产生正弦波的电路。正弦波震荡电路必须由放大电路、选频网络、正反馈网络、稳幅环节四个部分组成。正弦波震荡电路主要分为 RC 正弦波震荡电路、LC 正弦波震荡电路、石英晶体正弦波震荡电路三种，综合考虑各种方案，最后选定 RC 桥式正弦波震荡电路为本次设计的正弦波发生器电路组成

所选用的实用 RC 桥式震荡电路图如图 4.1.1 所示：

文式电桥振荡器：f01/ 2RC。正反馈电路：RC 串并选频网络决定RC 振荡器的振荡频率f0。负反馈电路： R7和R1决定起振条件，调节波形与稳幅控制。R3并联D1、D 2，正向非线性电阻起振时，电阻大负反馈小；振荡幅值大时，电阻小负反馈大，整形限幅。图中二极管 C1、C2用以改善输出电压波形，稳定输出幅度。起振时，由U0很小， C1、C2 接近于开路，R3 、C1、C2并联电路的等效电阻近似等于R 3，此时Au1 (R3R7)/R13,电路产生振荡。随着U 0的增大，C1、C2导通，R3、C1、C2并联电路的等效电阻减小，Au随之下降，使Au3，U0幅度趋于稳定。R7可用来调节输出电压的波形和幅度。为了保证起振，由R3 R72R1，可得R7的值必须满足R72R1R3。也就是说，R7过小，电路有可能停振。调节R7 使 R7 略大于2R1R3,起振后的振荡幅度较小，但输出波形比较好。调节 R7使R7 增大，输出电压的幅度增大，但输出电压波形失真也增大，当 R7增大到 R72R1时，使得无论二极管C1、C2是否导通，电路均满足Au3, C1、C2失去了自动稳压作用，此时振荡将会产生严重的限幅失真，所以为了使输出电压波形不产生严重的失真，要求R7值必须小于2R1。由此可见，为了使电路容易起振，又不产生严重的波形失真，应调节R7 满足：2R1R7 2R1 R3.

2.2方波发生电路的工作原理

因为方波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变换，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。

电路组成

方波发生电路组成如图 3.2.1-1 所示,其电压传输特性如图 4.2.1所示

电路分析

图 4.2.1（a）滞回比较器的输出电压uoUT阀值电压U T (R1/R 1R 2) •Uz，因而电压传输特性如图 4.2.1（b）所示。设某一时刻输出电压为 u 0UZ，则同相输入端电位upUT。u0通过R3 对电容 C正向充电。反相输入端电位u N 随时间 t 增长而逐渐升高，当 t 趋近于无穷时， Nu趋于UZ ；但是，一旦 u NUT 再稍增大， ou 就从U Z 跃变为UZ，与此同时up从UT跃变为UT。随后 u o 又通过 R3对电容C反向充电，或者说放电。输入端电位 u N 随时间t 增长而逐渐降低，当 t 趋近于无穷时，u N 趋于U Z ；但是，一旦uNU T ，再稍减小，uo就从UZ跃变为U Z ，于此同时 u p 从U T 跃变为U T ，电容又开始正向充电。上述过程周而复始，电路产生离自激震荡，形成我们所需要的方波。

2.3.矩形波

（1）电路图：

矩形波发生电路图 震荡周期：mF In k k In k uF RCIn T R R )67.3(2)1520*21(*100*01.0*2)21(22

1=+=+=

占空比：当T1>T2时，%412''1=++==R T

W

W R R R T D （2）、仿真电路

矩形波发生电路仿真图

2.4三角波发生电路

在图 4.3.1的方波发生电路中，当滞回比较器的阀值电压数值较小时，可将电容两端的电压看成为近似三角波。但是，一方面这个三角波的线性度较差，

另一方面带负载后将使电路的性能产生变化。因此只要将方波电压作为积分电路的输入，在其输出端就得到三角波电压。

电路组成

由以上分析得到三角波发生器的电路图如图4.3.1（a）所示，波形分析电路图如图4.3.1（b）所示。

图4.3.1（a）图4.3.1（b）

电路分析

图4.3.1（b）滞回比较器的输出电压U01=±Uz，它的输入电压是积分电路的输出电压u0。，根据叠加原理，集成运放U5同相输入端的电位

令Up1=Un1=0，则阀值电压

积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压u01，而且u01不是=Uz，就是-Uz，所以输出电压的表达式为

式中u0（t0）为初态的输出电压。设初态时u01正好从-Uz跃变为+Uz，则

积分电路反向积分，u0随时间的增长线性下降，当u0=-Ut ，再稍减小，u01将从+Uz 跃变为-Uz 。使得

U0（t1）产生跃变时的输出电压。积分电路正向积分，u 0随时间的增长线性增大。当u0=+Ut ，再稍微增大，u01将从-Uz 跃变为+Uz ，回到初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程，产生自己震荡，输出三角波形，幅值为±Ut 。

2.5方波---三角波转换电路的工作原理

R1

1

2

3

5

4

U1

R2

R3

50%

Rp1R4

50%

Rp2

12

3

5

4

U2

C1

R17

方波—三角波产生电路

m

o p U R R R U 21

32

T +±=±1

31

242)(4p p R R C R R R T ++=

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 31

2231231

()0CC ia R RP R U V U R R RP R R RP ++=++=++++

将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 22

3131

()CC CC ia R R U V V R RP R RP ---=

+=++

若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 22

3131

()EE CC ia R R U V V R RP R RP +-=

-=++

比较器的门限宽度2

31

2

H CC ia ia R U U U I R RP +-=-=+

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，则积分器的输出Uo2为21422

1

()O O U U dt R RP C -=

+⎰ 1O CC U V =+时，2422422

()()()CC CC

O V V U t t R RP C R RP C -+-=

=++

1O EE U V =-时，2422422

()

()()CC EE O V V U t t R RP C R RP C --=

=++

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2

231

O m CC R U V R RP =+

方波-三角波的频率f 为 31

2422

4()R RP f R R RP C +=

+

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。由以上分析得到三角波发生器的电路图如图4 .3.1（a ）所示，波形分析电路图如图4.3.1（b ）所示。 电路组成

电路分析

图4.3.1（b）滞回比较器的输出电压U01=±Uz，它的输入电压是积分电路的输出电压u0。，根据叠加原理，集成运放U5同相输入

图4.3.1（b）滞回比较器的输出电压U01=±Uz，它的输入电压是积分电路的输出电压u0。，根据叠加原理，集成运放U5同相输入端的电位

令Up1=Un1=0，则阀值电压

积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压u01，而且u01不是=Uz，就是-Uz，所以输出电压的表达式为

式中u0（t0）为初态的输出电压。设初态时u01正好从-Uz跃变为+Uz，则

积分电路反向积分，u0随时间的增长线性下降，当u0=-Ut，再稍减小，u01

将从+Uz 跃变为-Uz 。使得

U0（t1）产生跃变时的输出电压。积分电路正向积分，u 0随时间的增长线性增大。当u0=+Ut ，再稍微增大，u01将从-Uz 跃变为+Uz ，回到初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程，产生自己震荡，输出三角波形，幅值为±Ut 。

2.6三角波---正弦波电路的工作原理

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：0

22/1id T

C E U U aI I aI e ==

+

11/1id T

C E U U aI I aI e -==

+

式中 /1C E a I I =≈

0I ——差分放大器的恒定电流；

T U ——温度的电压当量，当室温为25oc 时，UT ≈26mV 。

如果Uid 为三角波，设表达式为

44434m id m U T t T U U T

t T ⎧⎛⎫- ⎪⎪⎪⎝⎭=⎨

-⎛⎫⎪- ⎪⎪⎝

⎭

⎩ 022T t T t T ⎛

⎫≤≤ ⎪

⎝

⎭⎛⎫≤≤ ⎪⎝⎭

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。

2.7电路的参数选择及计算

(1)、比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下。

根据原理有: 2

231

O m CC R U V R RP =

+ 即

取R2=10k Ω，则R3+RP1=50 k Ω，取R2=20 K ω,RP1为47 k Ω的电位器。

取平衡电阻R1=R2//(R3+RP1) ≈10 k Ω。 由式（3-62）31

2422

4()R RP f R R RP C +=

+ ，即3141

224R RP R RP R C ++=+ 当100HZ ≦f ≦1KHZ 时 ，取C2=100nf 以实现频率波段的转换，R4取5.1 k Ω，RP2取100 k Ω电位器。取平衡电阻510R k =Ω。

（2）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345470C C C F μ===，滤波电容6C 视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，6C 可取得较小，6C 一般为几十皮法至0.1微法。RE2=100欧与RP 4=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RP 4及电阻R*确定。

三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路

先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波

三、电路仿真

3.1正弦波--方波发生器仿真波形

（1）当方波三角波都处于峰值1v时，

（2）方波幅值0~1V可调

（3）三角波幅值0~1V可调

（4）正弦波波形

（5）频率100HZ~1KHZ可调

（4）、仿真结果

a、T1＝T2时的矩形波发生电路仿真波形

b、T1c、T1>T2时的矩形波发生电路仿真波形

（5）仿真分析：仿真图形如上图所示：

当T1＝T2时，矩形波的幅度Uom＝5V，震荡周期T＝10ms，且正负半周期相等，当T1（6）结论从这些数据中可以看到，理论与仿真之间数据存在差距，其原因是调动Rw时,Rw的数值不同,导致其计算的占空比也就不同.另外，其图形有矩形波，符合理论分析的结论。

电路的调试

4.1 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，这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，安装电位器R P1与R P2之前，要先

取（2.5-70）KΩ将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使R P1=10KΩ,R

P2

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，U O1的输出为方波，U O2的输出为三角波，微调R P1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求

有，调节R P2，则输出频率在对应波段内连续可变。

4.2 三角波---正弦波变换电路的装调

按照图3—75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。在逐渐增大Uid。直到传输特性曲线形状入图3—73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3—76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。如果输出频率的。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。

4.3 仪器仪表清单

函数信号发生器根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。随着电子技术的快速发展，新材料新器件层出不穷，开发新款式函数信号发生器，器件的可选择性大幅增加，例如 ICL8038 就是一种技术上很成熟的可以产生正弦波、方波、三角波的主芯片。

序号名称型号数量

1 运算放大器CA3140 4

2 稳压二极管D11N750 2

3 稳压二极管D21N755 2

4 可变电阻R P10K 3

5 电阻R1 25K 6

6 电阻R25K 5

7 电容C110uf 3

8 电容C2100uf 2

四、课程设计总结与感想

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．本次课程设计通过采用Multisim 电子电路仿真软件、波形发生器应用的测量等电路的各部分进行仿真研究。可以直接从仿真软件中的模拟测量电子仪器、仪表观察到各个电路的数据变化，以及各个不同部位的输入电压以有效的观察到各个元件的工作状态，更加有利于我们分析电路。波形、输出电压波形、读出输入、输出电压值、输入、输出电流值等等。可

这个Multisim仿真系统对于我们的电子电路分析是一个很大的帮助，通过它我们可以很快的找到故障，排除故障。对于我们学习电子电路的学生也能较快、较好的掌握各个电路的工作原理。并且，通过Multisim 电子电路仿真软件对单管放大电路、功率放大电路、长尾式差分放大电路、集成运算放大器的运用的测量、波形发生器应用的测量和串联型直流稳压电源电路的仿真, 可知Multisim 电子电路仿真软件界面友好, 元器件库丰富, 功能强大, 测量电子仪器齐全, 易学、易用、快捷、方便、真实、准确。目前, 熟练掌握一些电路仿真软件也已成为当今电子电路分析和设计人员所必需具备的基本技能之一通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关模拟电路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。

实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。在此同时我也粗略学会了一个非常实用的软件multisim仿真软件对我日后学习其他电子方面的知识意义极大。

在此次课程设计中非常感谢老师和同学的指点和帮助。

课程设计过去了,几天的忙碌还是学到了很多东西，前两天都是设计的准备部分,在网上和图书馆查了很多东西。对于我们这些当前社会的大学生来说，突然要自己设计一个电路还真不是容易的事，忙活了几天也只有匆匆连一下电路，调出波形而已。如果没有网络，还真不知道有几个人能做出来。我期待有下一次的这种设计，能真正的让我们自己动手去设计电路板，当自己的第一块板子出炉时，应该会有更不一样的感觉吧！

五、参考文献

成立主编. 模拟电子技术. 南京：东南大学出版社，2006

路勇主编. 电子电路实验及仿真.北京：清华大学出版社，2010

梅开乡梅军进.电子电路实验.北京：北京理工大学出版社，2010

1. 童诗白华成英 .《模拟电子技术基础》（第四版）. 高等教育出版社

2. 潘永雄 .《电子线路CAD实用教程》. 西安 . 西安电子科技大学出版社