设计能产生方波、三角波、正弦波的函数信号发生器电路

目录
1 课程设计的目的与作用 (1)
2 设计任务及所用multisim软件环境介绍 (1)
2.1设计任务 (1)
2.2所用multisim软件环境介绍 (1)
2.2.1 Multistim 10简介 (1)
2.2.2 Multistim 10主页面 (2)
2.2.3 Multistim 10元器件库 (2)
2.2.4 Multistim 10虚拟仪器 (3)
2.2.5 Multistim 10分析工具 (3)
3 电路模型的建立 (3)
3.1原理分析 (3)
3.2函数信号发生器各单元电路的设计 (5)
3.2.1方波产生电路图 (5)
3.2.2方波—三角波转换电路图 (5)
3.2.3正弦波电路图 (6)
3.2.4方波-三角波-正弦波函数发生器整体电路图 (6)
4 理论分析及计算 (7)
4.1方波发生电路 (7)
4.2方波—三角波 (7)
4.3正弦波 (7)
5 仿真结果分析 (8)
5.1仿真结果 (8)
5.1.1方波、三角波产生电路的仿真波形如图所示 (8)
5.1.2方波—三角波转换电路的仿真 (10)
5.1.3三角波—正弦波转换电路仿真 (11)
5.1.4方波—三角波—正弦波转换电路仿真 (12)
5.2结果分析 (13)
6 设计总结和体会 (133)
7 参考文献 (144)
I
1 课程设计的目的与作用
1．巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。

2．培养根据课题需要选学参考书籍，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。

通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。

3．通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件;初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。

4．了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。

5．培养严肃、认真的工作作风和科学态度
2 设计任务及所用multisim软件环境介绍
2.1 设计任务
设计能产生方波、三角波、正弦波的函数信号发生器电路
1）输出各种波形工作频率范围：10—100Hz,100—1KHz,1K—10KHz。

2) 输出电压：正弦波U=3V , 三角波U=5V , 方波U=14V。

3) 波形特征：幅度连续可调，线性失真小。

4)选择电路方案，完成对确定方案电路的设计;计算电路元件参数与元件选择、并画出各部分原理图，阐述基本原理。

2.2所用multisim软件环境介绍
2.2.1 Multistim 10简介
Multistim是美国IIT公司推出的基于Windows的电路仿真软件，由于采用交互式的界面，比较直观，操作方便，具有丰富的元件库和品种繁多的虚拟仪器，以及强大的分析功能等特点，因而得到了广泛的应用。

2.2.2 Multistim 10主页面
启动Multistim 10后，屏幕上将显示主界面。

主界面主要由菜单栏、系统工具栏、设计工具栏、元件工具栏、仪器工具栏、使用中元件列表、仿真开关、状态栏以及电路图编辑窗口等组成。

2.2.3Multistim 10元器件库
Multistim 10提供了丰富的元器件，供用户构建电路图时使用。

在Multistim 10的主元器件库中，将各种元器件的模型按不同的种类分别存放若干个分类库中。

这些元器件包括现实元件和虚拟元件。

从根本上说，仿真软件中的元器件都是虚拟的。

这里所谓的现实元件，给出了具体的型号，它们的模型参数根据该型号元件参数的典型值确定。

现实元件有相应的封装，可以将现实元件构成的电路图传送到印刷电路板设计软件Uliboard 10中去。

而这里所谓的虚拟元件没有型号，它的模型参数是根据这种元件各种型号参数的典型值，而不是某一种特定型号的参数典型值确定。

虚拟元件的某些参数可以由用户根据自己的要求任意设定，如电阻器的阻值，电容器的容值以及三极管β值等，这对于教学实验的仿十分方便。

虚拟元件没有相应的封装，因而不能传送到Uliboard 10中去。

另外，Multistim 10的元器件库还提供一种3D虚拟元件，这是Multistim以前的版本并没有。

这种元件以三维图形的方式显示，比较形象，直观。

Multistim 10还允许用户根据自己的需要创建新的元器件，存放在用户元器件库中。

如图1所示
图1 Multisim 10 主界面
2.2.4 Multistim 10虚拟仪器
Multistim 10提供了品种繁多，方便实用的虚拟仪器。

取用这些虚拟仪器，只当连接在构建的电路图中，可以将仿真的结果以数字或图形的方式实时显示出来，比较直观。

虚拟仪器的连接和操作方式与实验室中的实际仪器相似，比较方便。

点击主界面中仪表栏的相应按钮即可方便地取用所需的虚拟仪器。

元件工作栏如图2所示，虚拟仪表栏如图3所示。

图2 元件工具栏
图3 虚拟仪表栏
2.2.5 Multistim 10分析工具
分析菜单如图4所示。

图4 分析菜单
3 电路模型的建立
3.1原理分析
函数信号发生器是是由基础的非正弦信号发生电路和正弦波形发生电路组合而成。

由
运算放大器单路及分立元件构成，方波——三角波——正弦波函数信号发生器一般基本组成框图如图1所示。

图1 函数信号发生器框图
1、方波—三角波—正弦波信号发生器电路有运算放大器及分立元件构成，其结构如图1所示。

他利用比较器产生方波输出，方波通过积分产生三角波输出，三角波通过差分放大电路产生正弦波输出。

2、利用差分放大电路实现三角波—正弦波的变换
波形变换原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性，波形变换过程如图2所示
图 2 三角波和正弦波得转换示意图
由图2可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好；三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。

3.2函数信号发生器各单元电路的设计
3.2.1方波产生电路图
3.2.2方波—三角波转换电路图
3.2.3正弦波电路图
3.2.4方波-三角波-正弦波函数发生器整体电路图
4 理论分析及计算
4.1方波发生电路
方波发生电路构成同相输入迟滞比较器电路，用于产生输出方波。

可变电容C1具有调频作用，可用于调节方波的频率。

使产生的频率范围在10~~100Hz。

方波振荡周期 T = 2 R1 C1 ln(1+2R4/R3)。

R1=7K，R3=7K ，R4=7K。

振荡频率 f = 1/T。

可见，f与C1成反比，调整电容C1的值可以改变电路的振荡频率。

图中稳压管 D1 D2 为调整方波幅值，UP-P = D1 +D2=14V。

4.2方波—三角波
方波——三角波电路中构成同相输入迟滞比较器电路，用于产生输出方波。

可变电容C1具有调频作用，可用于调节方波的频率。

运算放大器U1与电阻R5及电容C2构成积分电路，用于将U2电路输出的方波作为输入，产生输出三角波。

图中R6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。

若要求三角波的幅值，可以调节可变电容C2。

三角波部分参数设定如下：
对于输出三角波其振荡周期 T = (4 R5 R6 C2) / R3 ，f = 1/T。

而要调整输出三角波的振幅，则需要调整可变电容C2的值。

以使三角波UP-P = 5V。

4.3正弦波
改变输入频率，是电路中的频率一定时三角波频率为固定或变化范围很小。

加入低通滤波器，而将三角波转化为正弦波。

在图5中当改变输入频率后，三角波与正弦波的幅度将发生相应改变。

由于
振荡周期 T = (4 R5 R6 C2) / R3，
C2为调节三角波的幅度使UP-P = 5V，R10调节输出正弦波得幅值UP-P = 3V。

三角波→正弦波的变换主要用差分放大器来完成。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。

特别是做直流放大器时，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的非线性。

5 仿真结果分析
5.1仿真结果
5.1.1方波、三角波产生电路的仿真波形如图所示
方波仿真图形
三角波仿真图形
5.1.2方波—三角波转换电路的仿真
方波—三角波转换电路的仿真图形
5.1.3三角波—正弦波转换电路仿真
三角波—正弦波转换电路仿真图形
5.1.4方波—三角波—正弦波转换电路仿真
方波—三角波—正弦波转换电路仿真图形1
方波—三角波—正弦波转换电路仿真图形2
5.2结果分析
输出电压
方波信号接入示波器仿真，调节C1，得方波峰峰Vpp=14 V；
撤除方波信号并接入三角波信号，调节C2，测得三角波峰峰值Upp=5 V；
将正弦波信号接入示波器，调节R10，测得正弦波峰峰值Upp=3V。

6 设计总结和体会
从课程设计开始就纠结实验方案，太简单感觉没啥意思，太难了又担心调试不出来。

抱着试试看看的态度，先选了一个比较复杂的电路，连了半天才连出来，调试的时候发现没有达到效果。

于是，接着该方案，越改越简单，最后一次课验收才通过。

通过这次的课程设计，我发现《模拟电子技术》这门课没有学好，理论知识掌握得不
够牢靠，很多原理还不是很明白，电路的分析能力有待提高，需要更好的掌握各种数电以
及模电的元器件原理性能参数，应提高自己查阅资料以及使用仿真软件Multisim，画图软
件Altium Designer的能力。

通过这次设计也使我得到了极大的锻炼。

在设计的过程中遇到了不少问题，虽然整体思路上时没有错误的，但是在细节方面把
握不足，而设计一个电路重要的一面就是对细节的把握
这次课程设计，我通过操作可以较熟练地运用Multisim进行一些电路的仿真实验，
并且能够运用一些虚拟仪器一些以理想化的数据进行分析，从而形象的理解各种电路的特
点，从而可以利用其特点进行一些电路的设计。

实践是检验真理的唯一标准，本次课程设计让我对自己的专业有了更深层次的了解，
也锻炼了我们以后作为一名电子工作者应该具备的素质。

7 参考文献
[1] 清华大学电子学教研组编. 杨素行主编. 模拟电子技术基础简明教程.3
版.北京：高等教育出版社，2006.
[2] 童诗白主编．模拟电子技术基础．3版.北京：高教出版社，2001.
[3] 李万臣主编．模拟电子技术基础与课程设计.黑龙江：哈尔滨工程大学出版
社，2001.
[4] 胡宴如主编. 模拟电子技术. 北京：高等教育出版社，2000.。