函数信号发生器设计报告.docx
函数信号发生器设计报告 函数信号发生器设计报告 目录 一、设计要求 . - 2 - 二、设计的作用、目的 . - 2 - 三、性能指标 . - 2 - 四、设计方案的选择及论证 . - 3 - 五、函数发生器的具体方案 . - 4 - 1. 总的原理框图及总方案 . - 4 - 2.各组成部分的工作原理 . - 5 - 2.1 方波发生电路 . - 5 - 2.三角波发生电路 . - 6 - 2.正弦波发生电路 . - 7 - 2.方波-三角波转换电路的工作原理 . - 10 - 2.三角波正弦波转换电路工作原理 . - 13 - 3. 总电路图 . - 15 - 六、实验结果分析 . - 16 - 七、实验总结 . - 17 - 八、参考资料 . - 18 - 九、附录：元器件列表 . - 19 - 函数信号发生器设计报告 一、设计要求 1. 用集成运放组成正弦波、方波和三角波发生器。 2. 幅值和频率自定义。 3. 正弦波、方波和三角波的幅值、频率可调。 二、设计的作用、目的 1. 掌握函数信号发生器工作原理。 2. 熟悉集成运放的使用。 3. 熟悉Multisim软件。 三、性能指标 1输出波形：正弦波、方波、三角波等； 2频率范围：10100Hz、1001kHz； 3输出电压：方波Up-p=12V,三角波Up-p=6V,正弦波U>1V； 四、设计方案的选择及论证 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)。 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。 1. 方案一 采用分立器件实现电路组成，主要的部件有双运放uA741运算放大器、电压比较器、积分运算电路、差分放大电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案由三级单元电路组成的，第一级单元可以产生方波，第二级可以产生三角波，第三级可以产生正弦波，通过第二级的选择开关可以实现频率波段的转换，通过对差分放大电路部分元器件的调节来改善正弦波产生的波形。 2. 方案二 采用集成电路实现，主要部件有高速运算放大器LM318、单片函数发生器模块5G8038、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案通过调节不同电位器可调节函数发生器输出振荡频率大小、占空比、正弦波信号的失真，可产生精度较高的方波、 三角波、正弦波，且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。 3 方案比较与选择 方案二采用芯片虽然精度较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，而它们只能产生300kHz以下的中低频正弦波、矩形波和三角波，且频率与占空比不能单独调节，从而给使用带来很大不便，也无法满足高频精密信号源的要求。 uA741是美国仙童公司较为早期的产品,由于其性能完善,如差模电压范围和共模电压范围宽,增益高,不需外加补偿,功耗低,负载能力强,有输出保护等,因此具有较广泛的应用。uA741这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作，可以方便的输出精度较高的方波、三角波、正弦波，且可以通过调节差分放大电路的各个参数调节正弦波的失真。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，可将频率很低的三角波变换成正弦波。 综上所述，本课题选用方案一。 五、函数发生器的具体方案 1. 总的原理框图及总方案 图1 函数信号发生器原理图 多波形信号发生器方框图如图1所示。 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。并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：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。设计差分放大器时，传输特性曲线要对称、线性区要窄，输入的三角波的的幅度U m应正好使晶体管接近饱和区或截止区。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。 2.各组成部分的工作原理 2.1 方波发生电路 从一般原理来分析,可以在滞回比较器电路的基础上,靠正反馈和RC充放电回路组成矩形波发生电路,由于滞回比较器的输出只有两种可能的状态，高电平或低电平，两种不同的输出电平 式RC电路进行充电和放电，于是电容上的电压降升高或降低，而电容的电压又作为滞回比较器的输入电压，控制其输出端状态发生跳变，从而使RC电路由充电过程变成放电过程或相反，如此循环往复，周而复始，最后在滞回比较器的输出端即可得到一个高低电平变化周期性交替的方波信号 方波发生电路仿真电路模型如图5-1所示 图5-1 方波发生电路仿真模拟 2.三角波发生电路 在产生方波之后，利用此波形输入到一个积分电路便可输出一个三角波。由于三角波信号是电容的充放电过程形成的指数形式，所以线性度较差，为了能得到线性度较好的三角波，可以将 运放和几个电阻，电容构成积分电路。 三角波发生电路仿真电路模型如图5-2所示： 图5-2 三角波发生电路仿真模拟 2.正弦波发生电路 利用差分放大器传输特曲线的非线性，将三角波信号转化成正弦波信号。其传输特性曲线越对称，线性区越窄越好，三角波的幅值pp应正好使晶体管接近饱和区和截止去。 正弦波发生电路仿真电路模型如图5-3所示： 图5-3 正弦波发生电路仿真模拟 在Multisim 10.1中可得到图所示的波形： 图5-4方波 图5-5 三角波 图5-6 正弦波 2.方波-三角波转换电路的工作原理 图5-7为方波-三角波转换电路，其中运算放大器用双运放 器741DIV 图5-7 参数选择：在电容C1、C2处放置了选择开关，可以满足课设要求的两个频率范围110Hz 、10100Hz ： 当需要110Hz 时，开关选择C 2=1F ，取4 5.1R k =，RP 2为100电位器； 当需要10100Hz 时，取C 2=100n F ，以实现频率波段的转换，R 4及RP 2的取值不变。平衡电阻510R k =。 工作原理如下： 若a 点断开，运算发大器A 1（左）与R 1、R 2及R 3、RP 1组成电压比较器，C 1为加速电容，可加速比较器的翻转。运放A 2（右）与R 4、RP 2、C 2及R 5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo 1,则积分器的输出电压Uo 2为 214221 ()O O U U dt R RP C -= +?
