模电课程设计--函数发生器.pdf

1 课程设计任务书 学生姓名：专业班级：通信 1005 班 指导教师：工作单位：信息工程学院 题 目:函数发生器 初始条件：利用集成运算放大器和晶体管差分放大器等设计一个方波三角波正弦波函数发生器。要求完成的主要任务:（1）频率可调范围：10Hz10kHz；(2)输出电压：正弦波VPP=03V,三角波VPP=05V,方波VPP=015V；（3）输出电压幅度连续可调（4）方波上升时间小于 2 微秒，三角波线性失真小于 1%，正弦波失真度小于 3%发挥部分 （1）矩形波占空比 50%95%连续可调；（2）锯齿波斜率连续可调。时间安排：12 月 20 日22 日：学习运算放大器和差分放大电路理论知识；12 月 23 日25 日：画电路并在,Multisim 上仿真；12 月 26 日：买元器件并查找器件代替买不到的元件；12 月 27 日：焊接电路并调试；12 月 28 日：完成课程设计实验报告。指导教师签名：年 月 日 系主任（或责任教师）签名：年 月 日 2 函数发生器 摘要 函数发生器是一种多波形的信号源。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。有的函数发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和 VCO 控制。函数发生器有很宽的频率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信号源。可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可以很方便的组成函数发生器，产生各种波形。用集成电路设计的信号发生器与其他信号发生器相比，有波形、幅度、频率稳定等优良性能。3 Abstruct Function generator is a kind of more of the waveform signal source it can produce sine wave square wave triangle wave sawtooth wave,and even some arbitrary waveform generator also has a function of the function,can be an am FM phase-modulation pulse width modulation and VCO control function generator has a wide frequency range,using range is very wide,it is a kind of indispensable general source can be used for production test instrument maintenance and laboratory,also widely used in other areas of science and technology,such as medical education chemical communication geophysics industrial control military and the space,along with the rapid development of the integrated circuit,with integrated circuit can be very convenient component function generator,produce all sorts of wave with integrated circuit design of the signal generator and other signal generator with a wave amplitude frequency stability and good performance 4 目录 1 课程设计的目的及任务.6 1.1 课程设计的目的.6 1.2 课程设计的任务及要求.6 2 电路设计方案与比较.7 2.1 电路设计的多种方案.7 2.1.1 方案一.7 2.1.2 方案二.7 2.1.3 方案三.8 2.1.4 方案四.8 2.2 电路设计方案的比较.8 3 函数发生器的设计方案及单元电路.9 3.1 函数发生器的设计原理框图.9 3.2 各组成部分电路的设计.9 3.2.1 方波发生电路的工作原理.9 3.2.2 方波-三角波转换电路的工作原理.12 3.2.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理.14 3.3 函数发生器的总电路图.16 4 电路的参数选择及计算.16 4.1 芯片的确定.16 4.2 三极管的确定.17 4.3 其他元器件型号及参数的计算.17 5 5 Multisim软件电路仿真.18 5.1 方波三角波发生电路的仿真.18 5.2 三角波正弦波转换电路的仿真.20 6 电路的安装与调试.23 6.1 方波-三角波发生电路的安装与调试.23 6.1.1 安装方波三角波产生电路.23 6.1.2 调试方波三角波产生电路.23 6.2 三角波正弦波转换电路的安装与调试.23 6.2.1 安装三角波正弦波变换电路.23 6.2.2 调试三角波正弦波变换电路.24 6.3 总电路的安装与调试.24 6.4 调试中遇到的问题及分析与总结.24 6.4.1 方波-三角波发生器的装调.24 6.4.2 三角波-正弦波变换电路的装调.25 6.4.3 性能指标测量与误差分析.26 7 仪器仪表电子元器件明细清单.26 8 心得体会.28 9 参考文献.29 6 1 课程设计的目的及任务 1.1 课程设计的目的 通过对课程的设计掌握电子系统的一般设计方法，掌握模拟 IC 器件的应用，培养综合应用所学知识来指导实践的能力，为接下来电子信息学习培养兴趣。1.2 课程设计的任务及要求 函数发生器设计 设计任务：利用集成运算放大器和晶体管差分放大器等设计一个方波三角波正弦波函数发生器。要求：（1）频率可调范围：10Hz10kHz；(2)输出电压：正弦波VPP=03V,三角波VPP=05V,方波VPP=015V；（3）输出电压幅度连续可调（4）方波上升时间小于 2 微秒，三角波线性失真小于 1%，正弦波失真度小于 3%发挥部分（1）矩形波占空比 50%95%连续可调；（2）锯齿波斜率连续可调。7 2 电路设计方案与比较 2.1 电路设计的多种方案 自己设计制作函数发生器，可以使用分立器件（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 5G8038）。为了进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，我在这次课程设计中采用集成运算放大器和晶体管差分放大器共同组成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、三角波方案有多种：2.1.1 方案一 由 RC 桥式电路振荡产生正弦波，再经整形积分产生方波和三角波。原理方框图如图2.1.1。图 2.1.1 方案一函数发生器的设计原理框图 2.1.2 方案二 采用 DDS 作为信号发生核心器件的全数控函数信号发生器设计方案，根据输出信号波形类型可设置、输出信号幅度频率可数控、输出频率宽等要求，选用了 AD9850 芯片，并通过单片机程序控制和处理 AD9850 的 32 位频率控制字，再经放大后加数字衰减网络，从RC 桥式电路 整形电路 积分电路 8 而实现了信号幅度、频率、类型以及输出等选项的全数字控制。2.1.3 方案三 用 ICL8038 集成函数信号发生器所需信号。接入外部电路后 ICL8038 多个引脚产生方波、三角波、正弦波，频率调节通过引脚接外电路来完成。然后从 ICL8038 出来经过选择开关选择所需波形进入 LM31D8 进行放大和幅度调节，最后从 LM31D8 出来的波极为频率和幅度可调的各种波形。2.1.4 方案四 由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较强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。2.2 电路设计方案的比较 方案一：用 RC 桥式电路及整形积分电路构成的函数发生器所产生的信号难以控制，不易调试，可调范围小;方案二：由于我的知识限制，此方法仅仅停留在了解阶段，不懂其中原理；方案三：由运算放大电路、电位器等组成的多功能函数发生器，精确度高，但过于复杂；方案四：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。能实现频率可调的指标要求，且能实现一定范围内的幅度调节。但积分电路的时间参数选择需保证电路不出现积分饱和失真。此电路可以很好地结合已学的知识与实践，且输出波形幅度及频率均可通过改变元 9 件参数进行调整，方便且成本较低。3 函数发生器的设计方案及单元电路 3.1 函数发生器的设计原理框图 图 3.1.1 函数发生器的设计原理框图 3.2 各组成部分电路的设计 3.2.1 方波发生电路的工作原理 方波发生器工作原理如下：若 a 点断开，运算发大器 A1 与 R1、R2 及 R3 组成电压比较器，C1 为加速电容，可加速比较器的翻转。如图 3.2.1.2，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。R1 称为平衡电阻。运放的反相端接基准电压，即 U-=0，同相输入端接输 10 入电压 Uia。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 322323()0CCiaRRUVURRRR 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位 Uia-为 2233()CCCCiaRRUVVRR 若 Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位 Uia+为 2233()EECCiaRRUVVRR 比较器的门限宽度232HCCiaiaRUUUIR 由以上公式可得比较器的电压传输特性，其曲线如图 3.2.1.1，所示。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。其中，图中方波输出 R7 和 R6 中间点，通过两阻值的比值调节输出方波的幅度。图 3.2.1.1 比较器的电压传输特性曲线 11 图 3.2.1.2 方波发生电路 12 3.2.2 方波-三角波转换电路的工作原理 图 3.2.2.1 方波-三角波产生电路图 图 3.2.2.2 方波-三角波变换 13 a 点（R2 左端）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 214221()OOUUdtRRP C 1OCCUV 时，2422422()()()CCCCOVVUttRRP CRRP C 1OEEUV 时，2422422()()()CCEEOVVUttRRP CRRP 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 223OmCCRUVR 方波-三角波的频率 f 为 324224()RfRRRP C 其中，三角波输出在电位器 R8 和电阻 R9 中点，通过调节电位器阻值来控制三角波输出的幅度，而接在芯片 A2 反相输入端和输出端之间的电容 C1、C2、C3 可以粗挑方波和三角波的输出频率。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。电阻 R3 可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。14 3.2.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理 图 3.2.3.1 三角波-正弦波产生电路 三角波正弦波的变换电路主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：022/1idTCEUUaIIaIe 011/1idTCEUUaIIaIe 15 式中 /1CEaII 0I差分放大器的恒定电流；TU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 44434midmUTtTUUTtT 022TtTtT 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 Rp3 调节三角波的幅度，Rp4 调整电路的对称性，其并联电阻 R11 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。图 3.2.3.2 三角波正弦波变换 16 3.3 函数发生器的总电路图 图 3.3 函数发生器的总电路图 4 电路的参数选择及计算 4.1 芯片的确定 函数发生器的运算放大器 A1 和 A2 可以用双运算放大器 UA741，本实验用功能基本相同的 UA747 代替，同样达到效果。其引脚图如图 4.1 所示 17 图 4.1 运算放大器芯片 UA747 引脚图 4.2 三极管的确定 三极管在仿真中用三极管 2N1711。由于器件买不到用 S9018 同样可以达到效果，S9018是 NPN 高频小功率硅管，其放大倍数实测为 100 左右。其他参数如下：Vcb0=30V，Vce0=15V，Icm=50mA，Pcm=400mW，fT=700MHz 4.3 其他元器件型号及参数的计算 比较器 A1 与积分器 A2 的元件计算如下。223O mCCRUVR 即22341123O mCCURRV 取 210RK，则333RK，取333RK 电阻。取平衡电阻123/10RRRK 由 32424()RfR RRw C 即34224RRRwR Cf 18 当110ZHf时，取1CF，则42(82.5 8.25)RRwk，取45.1Rk，Rw2 为100K电位器。当10100ZHf时，取100CnF以实现频率波段的转换，R4 及 RP2的取值不变。取平衡电阻510Rk。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345470CCCF，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。本实验取 C6 为 100Nf。R11=20欧与 Rw4=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 Rw4 及电阻 R 确定。最后确定 R 为 8.2k 欧电阻。电路图中还有电阻 RB1 需要确定值，原定为 6.8k。当 RB1 太大时会出现上下峰被削平的图像，太小时波形为三角波，不能转换为正弦波。调整其阻值，直到出现理想的正弦波输出波形为止，此时 RB1 为 450 欧。5 Multisim 软件电路仿真 5.1 方波三角波发生电路的仿真 接好两个芯片正负直流源和地线，在方波输出端引出一条导线，接到仿真软件中的示波器，注意接好地线，打开开关。这时示波器上面有方波波形出现。调节电位器 Rw2 可以调节波形 的频率;调节电位器 R6，可以看到方波输出的幅值从 0 变化到 7.5V。如图 5.1.1所示。波形为完整的方波，最大输出幅值由图可以读出为 7.512V，与理论设计有微弱的误差。19 图 5.1.1 方波最大输出波形 同样的方法，可以看到三角波的波形输出。调节电位器 R8，则三角波输出幅度从 0 变化到 2.5V，符合课程设计的要求。如图 5.1.2，三角波最大的输出幅度为 2.506V，与设计的要求十分贴切。20 5.2 三角波正弦波转换电路的仿真 如 5.1 节所介绍，可以使正弦波输出在示波器上显示。如图 5.2.1 所示，正弦波的输出波形并不理想，出现的严重的失真。这时电位器 Rw3 阻值是 0%。把 Rw3 调到 100%，这时波形又出现的另一种形状，如图 5.2.2 所示，输出波形为三角波。调节电位器 Rw3，看输出波形，使着输出波形靠近正弦波。最后可以看到电位器调到 12%时，波形为正弦波，如图 5.2.3 所示，这就是理想的正弦波输出。调节电位器 R11 可以使正弦波输出幅值从 0变化到 1.5V。由图可以看到输出的最大幅值为 1.55V。21 图 5.2.1 电位器 Rw3 为 0%时正弦波输出端的波形 图 5.2.2 电位器 Rw3 为 100%时正弦波输出端的波形 22 图 5.2.3 电位器 Rw3 为 12%时正弦波输出端的波形 波形调出来后，接入不同的电容 C1、C2、C7，可以粗调输出信号的频率；当接入 C1=1uF时，调节电位器 Rw3,频率可以从 10H 到 160Hz；当接入 C2=100nF 时，调节电位器 Rw3,频率可以从 78H 到 1.42kHz；当接入 C3=1nF 时，调节电位器 Rw3,频率可以从 4kHz 到 9.2kHz;但是当频率达到太大的情况下输出波形出现失真情况。23 6 电路的安装与调试 6.1 方波-三角波发生电路的安装与调试 6.1.1 安装方波三角波产生电路（1）把两块 UA741 集成块插入洞洞板；（2）分别把各电阻和电容按照电路图插入板，在背面大致确定线路的走向；（3）安装输出和直流源的正负及接地端。（4）焊接，注意安全。6.1.2 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）分别调节方波和三角波的输出端电位器 R6、R8，可以使两个波形幅值满足指标要求；（3）先选择接入电容 C1、C2、C7 粗调波形频率，再调节 Rw2，微调波形的频率；可以看到波形随调节有周期的变化；6.2 三角波正弦波转换电路的安装与调试 6.2.1 安装三角波正弦波变换电路（1）在洞洞板上接入差分放大电路各个元件，要提前查阅三极管的各管脚的接线，以便在焊接时能清楚的辨认；（2）接入各电容、电阻及电位器；（3）插入正弦波的输出的排针；（4）按图焊接，注意直流源的正负及接地端与方波三角波的正负直流电源和接地端 24 相连。6.2.2 调试三角波正弦波变换电路（1）接入直流源后，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 Rw3 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，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压；6.3 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。6.4 调试中遇到的问题及分析与总结 方波三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。6.4.1 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 Rw 与电阻 R3 之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使 R3=30K 左右,Rw2 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 25 输出为三角波，分别调节电位器 R6、R8，可以使得波形的输出幅度满足设计指标要求微调 Rw2,则输出频率在对应波段内连续可变。若不能达到效果，则很可能是电路接线错误，应再认真检查。6.4.2 三角波-正弦波变换电路的装调 按照电路，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。经电容 C4 输入差摸信号电压 Uid=50mv，f=100Hz 正弦波。调节 Rw4 及电阻 R10,是传输特性曲线对称。再逐渐增大 Uid。直到传输特性曲线形状如图 3.2.3.2，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Io,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.R3 与 C4 连接，调节 Rw3使三角波输出幅度经Rp3等于 Uidm值，这时 Uo3的出波形应 接近正弦波，调节C6 大小可改善输出波形。如果Uo3 的波形出现正弦波失真，则应调节和改善参数，产生失真的原因及采取的措施有；(1)钟形失真 传输特性曲线的 线性区太宽，应减小Re2。如图6.4.2.2.1所示。(2)半波圆定或平顶失真 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。如图6.4.2.2.2所示。(3)非线性失真 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。如图6.4.2.2.3所示 26 6.4.3 性能指标测量与误差分析 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。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。7 仪器仪表电子元器件明细清单 器件名称型号 参数 数量 芯片 UA747CN 2 三极管 S9018 4 电阻 33K 1 电阻 12K 1 电阻 10K 6 电阻 8.2K 1 电阻 6.8K 1 电阻 5.1K 1 电阻 3.3K 1 电阻 2K 1 27 器件名称型号 参数 数量 电阻 450 1 电阻 20 1 电位器 100K 1 电位器 50K 2 电位器 10K 2 电位器 100 1 电解电容 470uF 3 电解电容 1uF 1 电解电容 100nF 1 电解电容 1nF 1 电容 100nF 1 电烙铁 1 锡 1 28 8 心得体会 刚开始的时候，由于对理论知识的学习不是很透彻，不知道从哪里开始入手。所以从童诗白老师的模拟电子技术基础和康华光老师的电子技术基础（模拟部分）找相关的内容，看了三极管，运算放大器等很多内容，从书上的原型有了基本的认识，后来看了谢自美老师的电子线路设计实验测试后对函数发生器有了整体的方案和构图。经过网上查阅资料后决定从本报告的设计方案入手。画了电路图，算好了参数，我就开始仿真。可是弄了一天，方波就是没有出来，当时我特别着急，觉得太难了，即使理论都没有错，但是就是出不来波形。又经过了多天的查阅资料和问同学，我开始调电路，后来慢慢地知道了电路的原理，也看到波形了。那时我特别高兴，有了做下去的冲动，那天晚上我没有睡觉。直到把正弦波也调出来。等全部仿真都做完了之后，我去电子市场买电子器件。去了之后才发现，并不是仿真软件上面有的芯片，三极管都能买得到，还得用参数相近的器件代替。从电子市场回来后我查找了很多资料，最终用了几个相近的代替。这让我懂得理论与实际并不是时时刻刻相符的，理论再完美，也要与实际相结合。焊电路时，由于我从来没有碰过电烙铁，不知道怎么用锡把线路连起来，锡珠总是在两个孔上转，总是不能练成一条通路。焊了很久之后才有一点感觉。经过这次课程设计，我对运算放大器，差分放大电路有了更加深刻的理解，对课程设计有了了解，对自己制作电子设计有了浓厚的兴趣。但是更加深刻的是，我理解了“读万卷书，行万里路”这句话的深刻含义。在以后的专业学习中，我将会注重实践，将理论知识应用到实践中去，以便更好的学习知识。29 9 参考文献（1）电子线路设计实验测试 第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社（2）模拟电子技术基础第四版，童诗白 主编，高等教育出版社（3）电子技术基础（模拟部分）第五版，康华光 主编，高等教育出版社（4）晶体管电路设计第一版，铃木雅臣 主编，科学出版社（5）电子技术基础课程设计第一版，孙梅生 主编，高等教育出版社（6）新型集成电路的应用电子技术基础课程设计梁宗善 主编，华中科技大学出版社