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... - 2 -

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 -

2.２ 三角波发生电路... - 6 -

2.３　正弦波发生电路... - 7 -

2.４ 方波---三角波转换电路的工作原理... - 10 -

2.５ 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：10～100Hz、100～1kHz；

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Um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 

2.２ 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　　

2.３　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Ｕpp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

2.４ 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741－DIV

　　　　　　　　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1～10Hz、10～100Hz：

    当需要1～10Hz时，开关选择C2=1μF，取，RP2为100Ω电位器；

    当需要10～100Hz时，取C2=100nF，以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。平衡电阻。

工作原理如下：

    若a点断开，运算发大器A1（左）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A2（右）与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1,则积分器的输出电压Uo2为                   　

　  当时，

  当时，

若a点闭合，即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：

方波-三角波的频率f为：

由此可见积分器在输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如下图５－８所示

　　　　

             图5-8

三角波的幅度为：

方波-三角波的频率f为：

　　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。

2.５ 三角波—正弦波转换电路工作原理

　　　　　　　　图5-9

参数选择：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。RE2=100欧与RP₄=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP₄及电阻R6确定。

                 图5-10

分析表明，传输特性曲线的表达式为：

             　

上式中：；—差分放大器的恒定电流；

—温度的电压当量，当室温为25℃时，UT≈26mV。

如果Uid为三角波，设表达式为

　　　　　　　

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5-10可知：

（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. 总电路图

                                图5-11

仿真图为：

                        图5-12

六、实验结果分析

   比较器与积分器组成正反馈闭环电路，方波、三角波同时输出。电位器Rp1与Rp2要事先调整到设定值，否则电路可能会不起振。只要接线正确，接通电源后便可输出方波、三角波。微调Rp1，使三角波的输出幅度满足设计要求，调节Rp2，则输出频率在对应波段内连续可变。

    调整RP₄及电阻R₇，可以使传输特性曲线对称。调节Rp3使三角波的输出幅度经Rp3输出等于Uidm值，这时输出波形应接近正弦波，调节C6的大小可改善波形。

     因为运放输出级由PNP型与NPN型两种晶体管组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，导通时受输出电阻的影响，使方波输出值小于电源电压值，故方波输出电压Up-p≤2Vcc。方波的上升时间tr主要受运算放大器转换速率的限制。

     实验中若波形幅值太小，可适当添加一个放大电路以达到课设要求。

七、实验总结

 本课题根据设计中要实现的功能，经过自己认真地分析、实践，确立方案，书写文档，设计出电路，在设计过程中翻阅了大量资料，通过对所得的各种资料的综合分析，提炼出自己需要的信息，从而提高自己的分析能力；通过对主要技术指标的分析，认真体会了设计时的各项技术政策；通过对设计时出现的各种问题的分析与解决，锻炼了独立分析，进行工程设计的能力；通过对电路设计中的某些问题的较为深入的探索，培养了自己的科研工作能力；通过设计论文的书写，进一步锻炼了绘图技巧，文字表达能力和对工作的认真态度。

 当然，在设计中遇到了一些实际困难，通过本人及同组同学多次查找参考资料，以及指导老师的悉心讲解，终于豁然开朗；通过这次设计不仅巩固了本专业的知识，加深了对课本知识的理解，为本人在这一学期所学专业知识做了一个系统的把握。

八、参考资料

[1]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社

[2]孙梅生，李美莺，徐振英. 电子技术基础课程设计[M]. 北京：高等教育出版社

[3]梁宗善. 电子技术基础课程设计[M]. 武汉：华中理工大学出版社

[4]张玉璞，李庆常. 电子技术课程设计[M]. 北京：北京理工大学出版社

[5]薛鹏骞，梁秀荣. 电子设计自动化技术实用教程[M]. 北京：中国矿业大学出版社

九、附录：元器件列表

第二篇：华北科技学院机械设计试卷

华北科技学院

考试课程名称： 机械设计标答奇评分标准 学时： 60

考试方式：闭卷，笔试

考试内容：

1．是非判断题（你认为命题正确的，请在答题纸上写好题号后面打√，否则画×；每题2分，共10分）

（1）细牙普通螺纹，牙细不耐磨，容易滑扣，所以自锁性能不如粗牙普通螺纹。（ × ）

（2）直齿圆柱齿轮传动中节圆与分度圆永远相等。（ × ）

（3）齿轮的载荷变化较大、齿宽系数较大，齿轮在轴上相对于轴承为非对称布置时，其载荷系数应取大些。（ √ ）

（4）对于受轴向变载荷的紧螺栓连接, 在限定螺栓总拉力的条件下,提高螺栓疲劳强度的有效措施为同时增加螺栓和被连接件的刚度。( × )

（5）滚动轴承的基本额定动载荷是指在此载荷作用下轴承工作10转时，轴承的90%不发生疲劳点蚀。（ √ ）

2．单项选择题（每小题2分，共2分，多选不得分）

（1）静联接的平键联接，其主要失效形式是 B 。

A、工作面扭曲； B、键工作面压溃；

C、工作面磨损； D、键拉断。

（2）带传动中，选择V带的型号是根据 C 。

A、小带轮直径； B、转速；

C、计算功率和小带轮转速； D、传递功率。

（3）带、齿轮与链组成传动系统，其传动链接顺序应当____A__．

Ａ、带→齿轮→链传动→输出 Ｂ、链→齿轮→带传动→输出

Ｃ、齿轮→带→链传动→输出

(4)开式齿轮传动的主要失效形式是 C 。

齿面磨损；

(5)链传动中，限制大链轮齿数不超过120是为了防止 A 发生。

A、跳齿或脱链；

（6）标准齿轮的齿形系数 6YFa 的大小主要取决于 D 。

D、齿轮的齿数、。

（7）齿宽系数?d在 A 情况下可取较大值.

A、齿轮在轴上为悬臂布置；

（8）验算滑动轴承最小油膜厚度hmin的目的是 A 。

A、确定轴承是否能获得完全的液体摩擦；

（9）按基本额定动负荷选定的滚动轴承，在预定的使用期限内其破坏率最大为 B 。

B、 10%、；

(10)某45钢的轴刚度不足，可采取 C 措施来提高其刚度。

A、用40Cr钢代替； B、淬火 ；

C、增大轴的尺寸； D、提高材料的抗腐蚀性能。

3.简答题（每小题6，共30）

（1）公称尺寸相同的粗牙螺纹和细牙螺纹的螺杆和螺纹牙的强度是否相同?各适用于什

么场合? （2）链传动设计中，选择节距p、小链轮齿数

z和链速v对传动各有何影响?

1

（3） 根据液体动压润滑的一维雷诺方程式:

?p?x=6?V(h?h0)/h

指出形成能够承受外载荷的液体动压油膜的基本条件。

（4）在设计V带传动时，为什么要限制其最小中心距和最大传动比？ （5）联轴器与离合器的工作原理有何相同点与不同点？ 4．分析题（10分）

如题4图斜齿圆柱齿轮与蜗杆传动组成的两级传动，Ⅰ轴为输入轴，蜗杆螺 旋线为右旋，转向nⅡ如图所示。要求：

（1）确定Ⅰ、Ⅲ轴的转动方向；

（2）若要使Ⅱ轴上所受轴向力互相抵消一部分，试决定齿轮1、2及蜗轮螺旋线方向； （3）在图中用箭头画出Ⅱ轴上齿轮2与蜗杆3所受各力（Ft 、Fr 、Fa）的方向。

3

题-4图

考试课程名称： 机械设计 标答及评分标准 学时： 56 考试方式：闭卷，笔试 考试内容：

5．计算题（每题10分，共20分）

（1）一牵曳钩用2个M10（d1=8.376mm）的普通螺栓固定于机体上，如题5（1）

图所示。已知接合面间的摩擦系数f=0.15，螺栓材料为Q235钢(σS=24OMPa 、S=1.35)，试求螺栓组联接允许的最大牵引力R 。

题5-（1）图

（2）如5（2）图所示轴上面对面安装有一对7308AC轴承，已知：轴的转速n＝750 r/min，FR1＝5500 N，FR2 ＝ 3000 N。轴上的外部轴向载荷Fa=3500 N，常温下工作，载荷有轻微冲击（f P = 1.2）。试计算轴承的寿命（注：7308AC轴承的基本额定动载荷Cr = 38.5 kN，内部轴向力FS = 0.7R，轴向载荷影响系数e = 0.68，当FA/FR ≤ e时X = 1，Y = 0；FA/FR＞e时X = 0.41，Y = 0.87）。

6．指出研卷题6图中结构错误和不合理之处，并作简明注释。如：错误！未找到引用源。、缺少调整垫片，已知齿轮用油润滑，轴承用脂润滑。（10分）

3。简答题(每小题6分,30分)

（1）不相同。 粗牙螺纹的螺纹联接强度比较高,而和细牙螺纹的螺杆联接强度比较高。粗牙螺纹用于一般常用的联接,没有特殊要求；细牙螺纹用于要求联接的可靠性能比较高或要求自锁的场合,用于受变载荷、冲击、振动载荷的联接,还可以由于一些薄壁、微调机构。

（2）链传动中，节距p越大，链的尺寸、重量和承载能力就越大；但节距p越大，多边

形效应越明显，产生的冲击、振动和噪声越大。小链轮齿数Z1影响传动的平稳性和使用寿命； 小链轮齿数Z1越少，运动速度的不均匀性和动载荷越大； 小链轮齿数Z1过多， 大链轮齿数Z2

也随之增大，轮廓尺寸和重量增加，易产生跳齿和脱链。

链速v影响传动的平稳性和使用寿命；链速v越高， 多边形效应越明显，相应动载荷也越大。

（3）①两相对滑动表面具有收敛的楔形间隙；

②相对滑动速度足够大(即v?0)，并且使液体由大口带入小口；

③ 流体（润滑油）必须有一定的粘度(即

),且供油要充分.

（4）中心距ɑ小，则包角减小，传动能力降低；同时，中心距ɑ小，带的长度就短，在带

速一定时，带的应力变化加快，使带的疲劳强度降低。中心距过大，将引起严重抖动。在中心距一定条件下，传动比大，小带轮包角减小，传动能力下降。

（5）联轴器和离合器主要是用来联接两回转轴以传递运动和转矩的机械装置。不同之处

在于，联轴器联接的两轴必须在停转并经过拆卸才能使它们分离；而离合器则可使两轴在工作时随时接合与分离。

6．计算题（20分）

（1）①求预紧力F′：

由σS =240MPa，S=1.35，则许用拉应力： [σ]= σS /S =240/1.35 MPa=178 MPa ，

2根据螺栓强度条件： 1.3F′/（πd1/4）≤[σ] MPa 得：

2F′=[σ]πd1/（4×1.3）=178 ×π×8.3762/5.2 N =7535 N

②求牵引力R：

由联接接合面静力平衡条件得：

R=F′fzm/Kf=7535×0.15×2×1/1.2 N=1883.8 N （取Kf=1.2）

（2）① 求两轴承的内部轴向力FS：

FS1 = 0.7FR1=0.7×5500 N = 3850 N FS2 = 0.7FR2=0.7×3000 N = 2100 N ②求两轴承的总轴向力FA：

∵ FS1 + Fa = 3850 + 3500 N = 7350 N ＞ FS2 = 2100 N

∴ FA1（松）= FS1 = 3850 N FA2（紧） = FS1 + Fa = 7350 N

③

求两轴承的当量动载荷P：

∵ FA1 / FR1 = 3850/5500 = 0.7＞e = 0.68 ， ∴ X1 = 0.41，Y1 = 0.87 P1 = fP（FR1X1 + Y1 FA1）= 1.2×（0.41×5500 + 0.87×3850）N = 6725.4 N ∵ FA2/ FR2= 7350/3000 = 2.45＞e = 0.68 ， ∴ X2 = 0.41，Y2 = 0.87 P2 = fP（X2 FR2 + Y2 FA2）= 1.2×（0.41×3000 + 0.87×7350）N = 9149.4 N ④求轴承的寿命：因 P2＞P1 ， 只须计算2轴承的寿命Lh2 。

Lh2106?ftCr??60n??P2?106???60?75???1?3850?0??h = 1655.739 h 09??914.43

6．．错误！未找到引用源。、缺少调整垫片。

②轴承盖的透孔要大些，不能与转轴接触；

③该轴段不应选用轴套定位，应该设计轴肩；

④套筒外径较大，要低于轴承内圈外径；

⑤该段轴头太长，不能保证定位；

⑥轴端挡圈不能与轴端接触，要确保轴端挡圈挡住锥齿轮； ⑦套杯右面的孔径太小，左轴承外圈无法拆卸； ⑧套杯外圈中间部分直径可小些，减少精加工面； ⑨套杯内圈中间部分直径可大些，减少精加工面。

②