函数信号发生器62228.doc

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1、 课程设计报告 题目 函数信号发生器的设计 系 别 年 级 专 业_ 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 设计时间 0目 录1 设计任务和要求.1 1.1题目概述.1 1.2设计任务和要求.1 1.3设计提示.12设计方案与论证.22.1 方案一 .22.2 方案二 .22.3 各方案分析比较.23电路设计与仿真.33.1 RC震荡方波产生电路.33.1.1 模块电路及参数计算 .33.1.2 工作原理和功能说明 .33.1.3 器件说明.43.2 三角波积分电路.43.2.1 模块电路及参数计算 .43.2.2 工作原理和功能说明.43.2.3 器件说明.53.3 带通滤波电路 .53.3.

2、1 模块电路及参数计算 .53.3.2 工作原理和功能说明 .53.3.3 器件说明.53.4 运放放大电路.63.4.1模块电路及参数计算.6 3.4.2工作原理和功能说明 .63.4.3器件说明.63.5电路仿真.63.5.1仿真软件简介 .63.5.2仿真电路图.73.5.3仿真结果 .74电路的制作与调试.94.1 电路安装.94.2 电路调试.94.2.1 调试步骤及测量数据 .104.2.2 故障分析及处理.104.3 整机性能指标测量.115小结.14参考文献.15附录1：电路原理图.16附录2：元器件清单.1711.设计任务和要求1.1题目概述设计能够方波/三角波/正弦波/锯齿

3、波函数发生器1.2设计任务和要求要求完成能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的波形发生器电路的设计、仿真、制作和调试。（1）正弦波信号源：信号频率范围20Hz20kHz 连续可调；频率稳定度较高。信号幅度可以在一定范围内连续可调；（2）各种输出波形幅值均连续可调，方波占空比可调；（3）设计完成后可以利用示波器测量出其输出频率的上限和下限，还可以进一步测出其输出电压的范围。（4）利用仿真软件Multisim仿真电路，并绘制电路的原理图，要求图纸绘制清晰，布线合理，符合绘图规范；（5）制作电路，完成电路的调试、测试和分析（6）完成课程设计报告。1.3、设计提示（1）迟滞电压比较器和RC电路

4、组成矩形波信号发生器。矩形波经积分电路产生三角波（改变方波的占空比可得锯齿波），三角波经低通滤波产生正弦波。各种信号经比例放大电路实现幅值的调节。 2.设计方案与论证2.1 方案一 设计思路如下：首先由一个同相滞回比较器产生方波，然后再将此波通过一个积分运算电路产生三角波，最后用二阶RC低通滤波器将三角波转换成正弦波，从而达到实验所需结果。积分运算电路方波同相滞回比较器正弦波二阶RC低通滤波电路三角波图1方案一流程图 2.2 方案二设计思路如下：首先由一个RC振荡电路产生方波，然后将此波形接入一个积分电路产生三角波，用带通滤波电路将三角波转换成正弦波，从而达到实验结果。积分电路方波RC振荡电路

5、三角波带通滤波电路正弦波 图2方案二流程图2.3 各方案分析比较方案一在执行时只能通过低频信号，而高频信号无法通过，无法满足条件所需的频率可调，所以此方案不可用。而方案二频率幅值均可调，线路简单，故采用。3 电路设计与仿真3.1 RC振荡方波产生电路3.1.1 模块电路及参数计算第 16 页 图3 RC振荡电路 由图3电路可以看出，用12V的电压接入振荡电路，所用电容C1为固定值0.01uf，R2为510欧姆，R3为330欧姆，可调电阻R9的范围为0-500千欧姆，其中，由此公式可知，此方波的频率随着电阻R9的变化而变化。起振条件：R2/R3大约为1.2。频率范围为20Hz到4KHz。3.1.

6、2 工作原理和功能说明 方波产生的电路如图所示，它是通过500千欧姆的可调电阻R9和0.01微法电容C1反馈到集成运放的反向端，在运放的输出端引入电阻R2，R3产生滞回比较器，将电路自激振荡产生的波经迟滞比较器产生方波。滞回比较器的参考电压U=0V。周期T=2R9C1。3.1.3 器件说明电容C1固定为0.01uf，与可调电阻R9（最大500K）组合使频率可调。运放的正负电压分别为正负12V，电阻R2和R3的比值接近1.2左右为宜。 图5 电容 图6 LM324 图7 电阻3.2 三角波积分电路3.2.1 模块电路及参数计算 图8积分电路 如图8所示，积分电路中接入12V的电压，所用的电阻R1

7、为固定值1千欧姆，电容C5为2.2.uf。 3.2.2 工作原理和功能说明当方波输入的时候，用电阻R1和电容C5与运放构成RC积分电路，将RC振荡电路的输出端与积分电路的输入端相连接，从而将输入的方波转换成三角波。3.2.3 器件说明 R1为1千欧姆，电容C5值不宜太小，否则会产生削波的情况，使三角波发生严重失真。运放LM324电源接入端分别接正负12V。3.3 带通滤波电路3.3.1 模块电路及参数计算 由图10可以看出所用的元器件R4为47千欧，R5为5千欧，C2、C3为0.1uf，接入12V的电压。频率fo=1/2RC;但电路本身放大倍数Af3,否则电路不能工作。上下限频率分别为f1和f

8、2。Au=1/(1+j/(3-Af)*(f/fo-fo/f)*Af/(3-Af);通带B=f2-f1=（3-Af）fo=(2-Rf/R1)*fo;品质因数Q=fo/B=1/(3-Af); 图10带通滤波电路 3.3.2 工作原理和功能说明电阻R4，R5和电容C2，C3与运放构成带通滤波电路，允许一定频率的正弦波通过。3.3.3 器件说明电容值为0.1uf，R4与R5的比值约为10。3.4 运放放大电路3.4.1 模块电路及参数计算 图12 运算放大电路 由图12运算放大电路可以知道，所用电阻R1与R3为1千欧，R2为5千欧，接入12V的电压。 3.4.2 工作原理和功能说明由于电容存在，信号被

9、衰减，通过放大电路，将输入端的信号反相放大为原来的5倍，可将幅值较小的方波，三角波，正弦波放大。3.4.3 器件说明反相端接地，R2与R1的比值为5，即放大倍数为5。3.5 电路仿真 3.5.1 仿真软件简介Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。3.5.2仿真电路图 图14仿真电路图3.5.3仿真结果示波器出现预期中的电路图。正弦波信号频率范围20Hz4kHz连续可调，超过4KHz时波形出现一定的失真，频率越大失真越大。信号幅度

10、可以在一定范围内连续可调，最大不超过正负12V。后续输出波形幅值均连续可调，方波占空比可调。 图4RC振荡波形 图9积分电路波形 图11带通滤波电路波形 图13运算放大波形如图13为波形放大的模拟波形图，A=5。由上图可以读出下列数据，与下面的实际操作进行比较。Vpp/vT/msf/Hz方波204.8202三角波11.64.6203正弦波1.24.6202图20仿真波形数据值4 电路的制作与调试4.1 电路安装根据上面的原理图，可以在面包板上进行元器件的制作与调试。在对电路的制作时，先将核心元件芯片LM324插入槽中，对芯片的插入，两边管脚在凹槽的两边。根据原理图从左到右的顺序，将电阻，电容，

11、滑动变阻器依次插入面包板中。根据横向短路，竖向不相关的原理，调整电路图。对于接地线，将所有地线同时导入到最边缘的插孔中，同时用导线连到电路箱的接地端。电源连接到电路箱的电源端。其电路接线图如图15所示 图154.2 电路调试 4.2.1 调试步骤及测量数据 1.安装核心器件LM324，搭出方波产生电路实物电路。将相应管脚正确接上示波器和直流稳压电源。改变可调电阻大小，使示波器上产生一个完整的方波，提高频率，方波较为完整。调试成功。 2.将方波电路输出端接入三角波电路的输入端，产生微小失真的三角波。在通过改变方波部分的电阻，使三角波的失真消失。 3.三角波输出端接入带通滤波电路的输入端，观察示波

12、器。峰峰值(Vpp)/V频率(f)/Hz周期(T)/ms方波16.0106.61610.25三角波15.6106.75610.25正弦波15.8106.6569.80图19波形所测值4.2.2 故障分析及处理 方波到三角包再到正弦波函数发生器是由三级单元组成的，在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级调试。1. 方波到三角波 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，安装电位器之前，要先将其调整到设计值，否则电路可能不会起振。只要电路接线正确，上电之后，示波器通道一端口输出为方波，通道二端口的输出为三角波，微调R9，是三

13、角波的输出幅度满足设计指标要求有，使输出频率在对应波段内连续可变。 在调试的时候，发现方波输出的方波不是很标准，存在一定的差异，几经调试结果机会不变，后来经过反复检查之后，发现其中一个电阻出现了问题，阻值选的不够合理。2. 三角波到正弦波 按照图所示电路，装调三角波到正弦波变换电路，电路的调试如下： 先将电位器调到仿真时的阻值，连上示波器，看下输出结果，结果出现的正弦波有一定的失真，几经调试发现是电位器的阻值不合适，后经过改正后，得到了比较标准的正弦波，波形满足题目要求，但是参数有差异，经过反复的调试，反复的尝试，是的最终的参数与题目要求参数相差不大，基本满足题目要求，满足设计要求。3. 第二

14、次调试时，LM324芯片两端加12v电压，结果芯片发热很严重。通过检查面包板电路，检查芯片两端连接电源的引脚是否连接错误，检查无误后，芯片仍然发热。断开第二部分电路之后，芯片停止发热。4.3 整机性能指标测量图16根据示波器读数，方波的频率f=106.6Hz。方波的幅值为7.9V，调节R9，可改变电路的振荡频率，方波的占空比。电路的振荡频率在20Hz4kHz之间。由图20可以看出与模拟波形相比较，Vpp有所衰减，频率也发生一定改变。因为实际电路中电容将幅值衰减的较大，Vpp就发生减小，而频率改变是因为在实际操作之中不可以正确的调解可调电阻R9所导致的。图17根据示波器，可得此时三角波的频率f=

15、106.8kHz，其幅值为7.8V对图20 相比较可得，由于三角波是自方波变换而来，所以频率没有改变，幅值与仿真值相比偏小，可能是由于电容对幅值的衰减作用。图18根据示波器可以读出频率为106.6Hz，幅值为7.9V。对图20相比较可得，由于三个波形的频率是一样的，所以频率方面是没有变化的，幅值与仿真时相比偏小，因为电容的衰减作用。可以看出波形微有消波的现象，这是由于带通滤波电路中带宽B不够小，品质因数不够大的原因所致。接入运算放大器，可通过接入不同的输入，将方波，三角波，正弦波的幅值进行放大。5 小结一比较两个方案选择方案二。二利于RC振荡电路产生的波经滞回比较器产生方波。3 在面包板连接电

16、路时，倘若是接地端连在一行然后导入接地，可能会导致线路之间的互相影响，使波形不够稳定。一般来说，尽量将电路中接地端分别接地，以达电路的最佳状态。参考文献1 高等教育出版社 彭介华 主编 电子技术课程设计指导2 国防科技大学 高吉祥 主编 电子技术基础实验与课程设计第二版3 华中理工大学 陈大钦 主编 电子技术基础实验电子电路实验.设计.仿真第二版34清华大学 童诗白、华成英主编 模拟电子技术基础第三版5 清华大学 阎石主编 数字电子技术基础第四版6 国防工业出版社 彦永军 李梅编 Protel 99 电路设计与应用附录1：电路原理图方波积分电路RC振荡电路三角波带通滤波电路正弦波附录2：元器件清单序号名称规格数量1集成电路运放LM324N22电位器3296w 504（500 K）13电容0.1F24电容0.01uF15电容2.2uF16电阻33017电阻510W18电阻1KW29电阻47k110电阻4.7K211导线若干12面包板113示波器114电源1