模拟电子技术课程设计报告

课程设计报告

题      目   方波、三角波、正弦波信号发生器设计        

课 程 名 称    模拟电子技术课程设计 

院部名称      机电工程学院    

专       业   电气工程及其自动化 

班       级                       

学 生 姓 名                      

学       号                       

课程设计地点                     

课程设计学时         1周         

指 导 教 师         

金陵科技学院教务处制

目录

1、绪论…………………………………………………………………1

1.1相关背景知识…………………………………………………1

1.2课程设计条件…………………………………………………1

1.3课程设计目的…………………………………………………1

1.4课程设计的任务………………………………………………1

1.5课程设计的技术指标…………………………………………2

2、信号发生器的基本原理……………………………………………6

2.1原理框图………………………………………………………6

2.2总体设计思路…………………………………………………7

3、各组成部分的工作原理……………………………………………8

3.1 正弦波产生电路………………………………………………8

3.1.1正弦波产生电路…………………………………………8

3.1.2正弦波产生电路的工作原理……………………………8

3.2 正弦波到方波转换电路………………………………………9

3.2.1正弦波到方波转换电路图………………………………9

3.2.2正弦波到方波转换电路的工作原理……………………9

3.3 方波到三角波转换电路………………………………………9

3.3.1方波到三角波转换电路图………………………………9

3.3.2方波到三角波转换电路的工作原理……………………10

4、电路仿真结果………………………………………………………11

4.1正弦波产生电路的仿真结果………………………………11

4.2正弦波到方波转换电路的仿真结果………………………11

4.3方波到三角波转换电路的仿真结果………………………11

5、总原理图及元器件清单…………………………………………12

6、设计结果分析与总结……………………………………………13

7、参考文献…………………………………………………………14

方波、三角波、正弦波信号发生器设计

1 绪 论

1.1相关背景知识

   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)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，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。

本课题采用先产生方波—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。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。

1.2课程设计条件

 仿真软件Multisim

 工科楼C304

 参考《电子技术基础模拟部分（第五版）》相关知识

1.3课程设计目的

通过本次课程设计所要达到的目的是：提高学生在模拟集成电路应用方面的技能，树立严谨的科学作风，培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力。学生通过电路设计初步掌握工程设计方法，逐步熟悉开展科学实践的程序和方法，为后续课程的学习和今后从事的实际工作打下必要的基础。

1.4课程设计的任务

①设计一个方波、三角波、正弦波函数发生器；

②能同时输出一定频率一定幅度的三种波形：正弦波、方波和三角波；

③用±5V电源供电；

1.5课程设计的技术指标 

①输出波形：正弦波、方波、三角波；

②频率范围在10Hz~10000Hz范围内可调；

③比较器用LM339,运算放大器用LM324，双向稳压管用两个稳压管代替。

2 信号发生器的基本原理

信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。 信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。正弦信号是使用最广泛的测试信号。

这是因为产生正弦信号的方法比较简单，而且用正弦信号测量比较方便。正弦信号源又可以根据工作频率范围的不同划分为若干种。

2.1原理框图

2.2总体设计思路

信号发生器是一种能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途，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。它是一种不可缺少的通用信号源。

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如：

①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；②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；③也可以通过单片集成函数发生器8038来实现……。

先是对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。然后运用仿真软件Multisim对电路进行仿真。观察效果并与课题要求的性能指标作对比。

3 各组成部分的工作原理

3.1 正弦波发生电路的工作原理

 

正弦波信号发生器使用文氏桥电路。电路由放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个部分组成。

 放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻以减少放大电路对选频特性的影响，使振荡频率几乎仅决定于选频网络，因此通常选用引入电压串联负反馈的放大电路。

     选频网络由图中的C1、C2、R1和R2构成，由图可知：                                             

  

图中所取的且，那么反馈网络的反馈系数为：

就实际的频率而言，可用替换，则得：

如令=，则上式变为

由此可得RC串并联选频网络的幅频响应及相频响应：

 和

由此可知，当 或  时，幅频响应的幅值为最大，即

，而相频响应的相位角为零，即

正弦波电路参数设计：由于RC桥式振荡的振荡频率是由RC网络决定的，因此选择RC的值时，应把已知的振荡频率作为主要依据。同时，为了使选频网络的特性不受集成放大器输入和输出电阻的影响，选择R时还应考虑R应该远远大于集成远放的输出电阻，并且要远远小于集成远放的输入电阻。根据已知条件，由fo =1/（2πRC）可以计算电容的值，实际应用时要选择稳定性好的电阻和电容。R1和Rf的值可以由起振条件来确定，通常取Rf=2.1R1，这样可以保证起振又不会使输出波形严重失真。

 因为0.2KHz ＜ ＜20KHz 得R。又因Rf2R1取Rf=2.1R1  可得R1=。设计R要考虑失调电流及其漂移影响，应该取R=R1//Rf。综合上述两个条件可以算出R1的值为11.7～11.7K，则Rf应为24.49～24.49K。实际应用时应当调节这两个电阻的值使其满足要求。

3.2 正弦波到方波转换电路                                                                      

正弦波到方波的转换采用的是滞回比较器，从集成运放输出端的限幅电路可以知道：U0=±R11/(R11+R8)Uz

由幅值要求是2V，所以选Uz=±5的稳压管，如果选R11为1 K?，则(R8+R11)的值约为3 K?。

此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。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

电压比较器电路，双稳压管用于输出电压限幅，R3起限流作用，R2和R1构成正反馈，运算放大器当Up＞Un时工作在正饱和区，而当Un＞Up时工作在负饱和区。从电路结构可知，当输入电压Ui小于某一负值电压时，输出电压Uo= -UZ；当输入电压Ui大于某一电压时，Uo= +UZ。又由于“虚断”、“虚短”Up=Un=0，由此可确定出翻转时的输入电压。Up用Ui和Uo表示，有Up=Un=0

得此时的输入电压。

Uth称为阈值电压。设输入电压初始值小于-Uth，此时Uo= -UZ ；增大Ui，当Ui=Uth时，运放输出状态翻转，进入正饱和区。如果初始时刻运放工作在正饱和区，减小Ui ，当Ui= -Uth时，运放则开始进入负饱和区。

3.3 方波到三角波转换电路    

三角波的产生主要是运用积分电路模拟形成的。

此电路由反相输入的过零比较器和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。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un≥0,Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un≤0,Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

±UT=±R2∕(R6+RW)U02m               T=2R6(R6+RW)C3∕R7

    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，R6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。

由以上公式可得比较器的电压传输特性.

　当输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo3为

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不相等的占空比可调的锯齿波.

4、电路的仿真结果

1、正弦波发生部分的仿真电路图

2、方波发生部分的仿真电路图

3、三角波发生部分的仿真电路图

5、总原理图及元器件清单

1．总原理图

2．元件清单

6、设计结果分析与总结

1.波形产生

①．输出波形频率范围为10Hz－10000KHz且连续可调。

②．正弦波幅值为2.3Ｖ

③．方波幅值为2.1Ｖ

④. 三角波峰-峰值为1.8Ｖ，占空比可调．

2.误差分析

①.参数设计不够精确。

   ②.所选可调电阻的调节范围太大，调节不够精确。

③.调试没能很精确，产生的波形还有细微的失真现象，记录数据时，读数不精确导致误差产生．

④.选用的实验元件存在系统偏差．

⑤.选用的实验元件受温度的影响，实验时间过长导致的误差产生.

3.改进该实验，减少实验误差的方法：

选取精确度较高的实验器件，在选择可变电阻时要考虑到其要调节的范围，尽可能的选用与要用最大限度接近的可调电阻，在振荡电路中可调电阻最好用双滑式可调电阻

在调试过程中要尽可能的把波形调节到不失真，调节频率时用同轴电位器，这样不仅避免了调节困难，还能使调节的精确度更高．

7、参考文献

1.康华光.《电子技术基础》模拟部分(第五版).高等教育出版社. 2007

2.杨欣. 莱.诺克斯. 王玉凤. 刘湘黔. 《电子设计从零开始》第2版.清华大学出版社，2010

3. 郭培源.《电子电路及电子器件》（第2版）．高等教育出版社，2003