压 控 函 数 发 生 器

课程设计报告

班级：

学号

姓名：

东华大学信息科学与技术学院

摘要：

  该压控函数发生器课程设计，由集成运算放大器电路和差分放大电路两部分组成，总电路包含输入电路、极性变换电路、积分电路、施密特比较反馈电路和非线性转换电路五个单元模块，最终实现三角波、方波和正弦波的生成，并且达到输入电压的大小控制输出信号的频率的功能，即 。

关键字：  施密特比较反馈电路  压控

Abstract:

The pressure control function generator curriculum design, the integrated operational amplifier circuit and differential amplifier circuit of two parts, the total circuit includes input circuit, polar transformation circuit, integral circuit, schmidt comparison feedback circuit and nonlinear switching circuit five unit module, finally realizes the triangular wave and square wave and the generation of sine wave, and the size of the input voltage to control the output frequency of the signal function, namely.

Key word:   schmidt comparison feedback   circuit voltage controlled

目  录

1. 设计任务.............................................................................................................. 1

2. 方案选择.............................................................................................................. 1

2.1 方案选择............................................................................................................ 1

  2.2 方框图................................................................................................................ 1

3. 理论分析与电路设计..................................................................................... 2

3.1  0—10V直流信号的产生电路......................................................................... 2

  3.2  极性变换电路.................................................................................................. 2

  3.3 积分电路............................................................................................................ 3

  3.4 比较反馈电路.................................................................................................... 4

  3.5 三角波—方波总电路........................................................................................ 5

  3.6  非线性比较电路.............................................................................................. 6

4．计算机仿真....................................................................................................... 7

5．组装与调试....................................................................................................... 7

 5.1  输入电路.......................................................................................................... 7

  5.2  极性变换电路.................................................................................................. 7

  5.3 积分电路............................................................................................................ 8

  5.4 比较反馈电路.................................................................................................... 8

  5.5 非线性转换电路................................................................................................ 8

  5.6  电路调试.......................................................................................................... 9

6．测试结果............................................................................................................ 9

6.1  测试波形........................................................................................................ 10

  6.2  测试数据......................................................................................................... 11

7．仪器仪表与元件使用.................................................................................. 12

参考文献................................................................................................................ 13

收获与体会........................................................................................................... 14

1.设计任务：

 设计一个压控函数发生器，可以产生方波、正弦波和三角波。

    要求：（1）输入为的直流电压，对应输出的函数。

         （2）输出的三角波电压为；正弦波为；方波为。

2.方案设计与论证

2.1 方案选择

函数发生器能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形，其电路中使用的器件可以是分立器件，也可以是集成电路。利用所提供的运算放大器、三极管等器件，可实现题目要求的有如下三种方案：

方案一：

方案二：

方案三：

 

比较以上三种方案：有分立元件的设计方案，也可采用集成电路的设计，前者在实际操作调试过程中过于复杂，且其性能难以得到保证，后者虽然操作简单，缺不利于实验者调试技能的锻炼，同时器件的价格比较高。本设计方案结合了两者的优点，因而经由各方面考虑采用方案一。方案一具有较高的性价比，同时对于实验者基本理论的掌握和实验调试技术的锻炼大有裨益。

2.2 方框图

3. 理论分析及电路设计

3.1   0~10v直流信号的产生电路

采用电阻分压方法，运用滑动变阻器产生0~10v的直流信号，运算放大器组成电压跟随器作为缓冲级，根据其输入阻抗大输出阻抗小的特点，使信号可以接近无衰减的传输到下一级。

在实际操作中，远方输入端电阻主要用于平衡，减小失调电流引起的误差，开始可以不考虑；运放的反馈端由于没有电阻会造成一定的信号传输误差，故在调试阶段可以加一个小电阻来进行误差调整。

数据计算

实际操作中可选择  R1=1K, R2=10K(滑动变阻器)， =12V

3.2极性变换电路

利用三极管b端电压控制其导通与截止，当三极管截止时推导公式为

当三极管导通时运放为反向放大器，推导公式为

根据运算放大器的电阻平衡原则和极性变换电路只改变电压极性而不改变电压大小的原则，各电阻之间应该满足的关系为

故三极管截止时和大小、极性均相同，三极管饱和时和大小相等、极性相反。

三极管以一定频率在截止和饱和之间变换时，极性变换电路的输出电压为对称方波，幅值为。

3.3积分电路

该电路利用电容的充放电原理，计算公式为

根据运算放大器的电阻平衡原则

此时，输出波形即为三角波。

3.4比较反馈电路

该电路为施密特比较反馈电路，将三角波变换为方波，由施密特电路原理可知，当，会变换极性，利用二极管的单向导通性，得到仅有正向电压的方波信号，其中电压之间满足的关系为

3.5三角波——方波总电路

公式推导过程如下

  

由上式得到三角波的频率为

由公式结果可知，根据公式得到定值，输出信号频率与控制电压呈线性关系，达到了电压控制函数发生器输出信号频率的目的。

3.6非线性转换电路——差分放大器

差分放大电路具有工作点稳定、输入阻抗高、抗干扰能力强、抑制零点漂流的特点，利用其传输特性的非线性可以将频率较低的三角波转化为正弦波。

在实际操作中为了得到较好的正弦波形，需要注意调节三角波幅值使其大小正好使晶体管接近饱和区或截止区；调节电容大小可以改善波形：利用滑动变阻器调节晶体管的静态工作点，以避免图形失真。

4. 计算机仿真

 、

5. 组装与调试

5.1输入电路

根据公式，结合实际取=12V，,为10的滑动变阻器，在实际操作的误差调整中，为了达到更高的精度要求，可以在电压跟随器的反馈支路上加小电阻

5.2极性变换电路

5.3积分电路

由公式可知，频率的变化范围由决定，为了使电路在高频下正常功过，取0.01，可得到大约为6.25，在实际操作中为了调试方便，采用10的滑动变阻器，=6.2。

5.4比较反馈电路

由公式决定三角波幅值，在已定的条件下，幅值由的大小决定，性能指标要求三角波幅值为4v，取  ,在实际操作中因为有误差存在，可用定值电阻和的滑动变阻器代替，以便于调试。

5.5非线性转换电路

   其中和的选取考虑进入非线性转换电路的三角波幅值不可以过大的要      求；和是集电极电阻，取值较大；和考虑差分放大器的静态工作点；和影响输出正弦波的对称性；取值较大是为了输出正弦波有较大幅值变化范围。

5.6电路调试

5.6.1 电路调试过程中，三角波幅值与要求不相符，这时调节中的 滑动变阻器使幅值为4v

5.6.2  电路调试过程中，方波幅值与要求不相符，这时改变、的大小可以使方波幅值为0~10v

5.6.3  频率变化范围并未达到0~10kHz，这时调节积分器与极性变换电路之间的滑动变阻器，使频率达到要求，必要时加入补偿电路，在其两端并联一个级的电路，

5.6.4  对于正弦波产生电路的调试，先调节滑动变阻器使差分放大电路静态工作点合适，再调节滑动变阻器使正弦波形达到要求,最好是两个滑动变阻器一起调试，可以得到讲好的正弦波形。

5.6.5  调正弦波时，波形出现毛刺或者不光滑现象，这时分别改变100和10的电容来调整。

6. 测试结果

6.1 测试波形

6.2测试数据

7.仪器仪表与元器件使用

参考文献

《数字电子技术基础》 张申科 崔葛瑾编 电子工业出版社出版

《模拟电子技术基础》（第四版） 华成英 童诗白主编  高等教育出版社出版

收获与体会

    通过对压控函数发生器设计原理的学习和实验，充分理解了运算放大器、积分器、施密特电路以及改进型差分放大的工作原理，熟悉了电路设计软件的操作，并了解了其仿真过程的优缺点，同时提高了实际的操作能力。

经过这次电子技术课程设计实验的实际动手操作，让我在硬件设计与实现方面有所提升。并且，这次课程设计提高了我的动手操作能力，加强了我对理论知识的学习，对于后续专业课程的学习和未来工作都有很大帮助。在电路设计与仿真过程中，对于设计的原理并没有透彻理解，所以导致硬件调试过程中问题不断，自己又查不到原因，因此我以后会更加注重理论与实际的结合，这样可以让我更加自主、有效率地完成硬件组装与调试，设计出更加的电路板。

第二篇：函数信号发生器实验报告

函数信号发生器

实验报告

实验题目：函数信号发生器的设计与调测

班级：电信1017班

姓名：  

学号： 

20##年6月18日

 函数信号发生器的设计与调测

摘要

使用运放组成的积分电路产生一定频率和周期的三角波、方波（提高要求中通过改变积分电路两段的积分常数从而产生锯齿波电压，同时改变方波的占空比），将三角波信号接入下级差动放大电路（电流镜提供工作电流），利用三极管线性区及饱和区的放大特性产生正弦波电压并输出。

关键词

三角波-正弦波       运放积分电路      差动放大电路         镜像电流源        

实验内容

1、 基本要求：

a)  设计制作一个可输出正弦波、三角波和方波信号的函数信号发生器。

1）输出频率能在1-10KHz范围内连续可调，无明显失真；

2）方波输出电压Uopp=12V，上升、下降沿小于10us，占空比可调范围30%-70%；

3）三角波Uopp=8V；

4）正弦波Uopp＞1V。

b)  设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）

2、 提高要求：

a)  三种输出波形的峰峰值Uopp均可在1V-10V范围内连续可调。

b)  三种输出波形的输出阻抗小于100欧。

c)  用PROTEL软件绘制完整的印制电路板图（PCB）。

实验原理

1，方波三角波产生电路

如图所示为方波-三角波产生电路，由于采用了运放组成的积分电路，可得到比较理想的方波和三角波。该电路振荡频率和幅度便于调节，输出方波幅度的大小由稳压管VDW1，VDW2的稳压值决定。改变R1和Rf的比值可调节Uo2m的大小。

电路与原件的确定：

①根据所需振荡频率的高低和对方波前后沿陡度的要求，选择电压转换速率合适的运放。

②根据所需输出方波幅度的要求，选择稳压值合适的稳压管的型号和限流电阻Ro的大小。

③根据输出三角波的幅度要求，确定R1与Rf的大小

R1=Uo2m*Rf/（Uz+Ud）

2，电流镜偏震差动放大器的设计

差动放大器具有很高的共模抑制比，被广泛地应用于集成电路中，常作为输入级或中间放大级。

⑴确定静态工作点电流Ic1.Ic2和Ic3

静态时，差动放大器不加输入信号，对于电流镜Re3=Re4=Re

Ir=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4=Ic4+2Ic4/β=Ic4=Ic3

上式表明恒定电流Ic3主要有电源电压和电阻R，Re4决定，与晶体管的参数无关。

⑵差模特性

差动放大器的输入和输出各有单端和双端输入两种方式，因此，差动放大器的输入输出共有四种不同的连接方式。连接方式不同，电路的特性参数不同，各种情况下的差模特性也不同。

3，三角波-正弦波产生电路

三角波-正弦波变换电路的种类很多，有二极管桥式电路，二极管可变分压器电路和差分放大电路等。利用差分放大器传输特性曲线的非线性，实现三角波-正弦波变换的过程如图：

可见：

①差分放大器传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。

②三角波的幅度应正好使晶体管接近截止区。

 

设计思路、总体结构框图

分段设计，首先产生方波-三角波，再与差动放大电路相连。

 

分块电路和总体电路的设计

（1）方波-三角波产生电路：

首先，稳压管采用既定原件2DW232，保证了输出方波电压Uo1的峰峰值为12V，基本要求三角波输出电压峰峰值为8V，考虑到平衡电阻R3的取值问题，且要保证R1/Rf=2/3,计算决定令Rf=12K，R1=8K，R3=5K。又由方波的上升、下降沿要求，第一级运放采用转换速度很快的LM318，Ro为输出限流电阻，不宜太大，最后采用1K欧电阻。二级运放对转换速度要求不是很高，故采用UA741。考虑到电容C1不宜过小，不然误差可能较大，故C1=0.1uF，最后根据公式，Rw抽头位于中点时R2的值约为300欧，进而确定平衡电阻R4的阻值。考虑到电路的安全问题，在滑阻的接地端串接了一个1K的电阻。（注：实际调测时因为滑阻转动不太方便，所以通过不断换滑阻的方式确定适当频率要求下Rw的阻值，我的电路最后使用的是1K欧的滑阻）

（2）正弦波产生电路：

电容C2，C3，C4为隔直电容，根据电路实际情况，采用10uF的足够了，调测效果也很好。C5为滤波电容，需要根据最后的正弦波波形选择最合适的，我的电路最后采用的是10000pF。T1,T2,T3,T4采用8050NPN管。根据电路要求电流镜电流为1mA，以保证T1,T2的集电极电流都是0.5mA，由于正负电压的大小都是12V，Re3,Re4又不能太大（有负反馈），故最后令R=18K,Re3=Re4=Re5=5K（其中Re5为电流镜的负载，需要与之匹配）Rp2为调零电阻，100欧就可以。Rb1,Rb2为差放的基极电阻，对整个放大影响不大，都采用50欧以减小电路输出阻抗。Rc1,Rc2为集电极负载，需要足够大以保证正弦电压的放大倍数，选择18K欧的电阻。Rp1理论上是用于调节输出正弦波电压的幅值的，但是实际调测中，它的大小还会影响到前一级电路，在不断调测中决定使用10K欧的滑阻。

（3）提高之三角波幅度可调：

一者可以在Uo2的输出口接上一个分压电路（使用滑阻），这样只改变输出三角波幅值，不会影响其他电路。

二者可以利用三角波产生的原理，改变R1和Rf的比值。

考虑到后者实现的难度稍小，所以采用第二种方法，在Rf支路上串联一个10K欧的滑阻，最后可以实现赋值及频率同时可调。

（4）方波占空比可调：

只需改变正负积分电路的积分常数即可，由此联想到锯齿波电压的产生电路，将R2替换为两条支路，用不同方向的二极管控制电路的通断。最后成功输出锯齿波电压和占空比可调的方波电压。

电路仿真的实现（Multisim）：

电路图：

方波波形：

三角波波形：

正弦波波形：

PCB布板图：

所实现功能说明

接入工作电压后可以产生频率、幅度、占空比可调的方波、三角波、正弦波电压波形。

主要测试数据为 频率F可调节的范围，幅值最大是否符合要求，后级差动放大电路的直流工作点以及频率变化时输出正弦波电压幅值的微小变化。

测试方法：利用直流电压元产生工作电压，用示波器测试输出电压波形、幅值、频率等，用电压表测量Re，Rc两端电压，并计算得到二者的工作电流。

故障及问题分析

1、方波的峰峰值过低或者过大，稳压管没有起到相应的作用。通过不断改变Ro的值（由于Rw改变不方便，还调过它）最终得到满足要求的波形。

2、三角波的上升沿比较粗，下降沿比较细。通过改变R2和C1的值不断改变波形频率，最后得到相对对称的三角波上升下降沿。

3、后级在直流工作点正常的情况下，没有正弦波的输出波形。通过逐段测试发现在信号经过Rp1后就已经为零了，这个滑阻本应是调节正弦波的幅度的，但粗浅分析应该会影响到前级的积分电路，将之换上一个调节方便的10K欧电阻，调解过程中发现确实有所影响，在不断调节下得到了输出的正弦波波形。

4、正弦波输出端输出的是三角波电压或是类似于香蕉波的波形，解决方式是调整滤波电容的值，使之达到滤波的效果，最后输出比较圆滑的正弦波。

5、在调节输出电压频率的时候，最后的正弦波电压输出幅度会有较大的改变，这应是后级差放电路还不够稳定，几个电容的值还不是很好导致的，因为当时已经验收了，后来也就没有调测。

总结和结论

通过这次实验，在对上学期的模电课程有了更深的理解，把理论与实际相结合的基础上，我学会了电路的具体搭建和故障初步排除。实践过程中遇到了很多困难，不论是知识方面的还是搭建方面的。比如运放的易坏，让实验的调测过程都增加了不少难度。还有，在实验过程中器材的不足以及未对面包板检测，让实验一度陷入僵局，所幸最后都能得到了解决，这次实验中还让我们学会了PROTEL绘制电路，过程虽然艰辛，但还是觉得是有所收获的。唯一觉得遗憾的是在答辩的时候准备不够充分以及对于电路“出波形”比“具体数值符合要求”的心理，导致最后搭建的电路有失偏颇，答辩的时候不能对老师的提问做出很好的回答，是我的错。我应该在事先调研得更清楚，明白，深刻领会实验要求的主旨和实验所要求我们掌握的知识点。

所用元器件及测试仪表清单

元器件

8050  4个；  2DW232  1个；  LM318  1个；  UA741  1个