电子电工课程设计-函数发生器

电子电工技术课程设计
题目：函数发生器
班级：10材化（2）班
学号：201010230232
姓名：彭丹
指导：张老师
时间：2012年6月12日
景德镇陶瓷学院
电工电子技术课程设计任务书
姓名彭丹_ 班级_10材化（2）班_ 指导老师张老师
【9】刘丹.《例说8051》.北京：人民邮电出版社
【10】李群芳.《单片微型计算机与接口技术(第二版)》.北京：电子工业出版社
【11】王琼.《单片机原理及应用实践教程》.合肥：合肥工业大学出版社【12】蒋立培.《单片危机系统使用教程》.北京：机械工业出版社【13】谢自美.《电子线路设计·实验·测试（第三版）》.湖北：华中科技大学出版社
【14】杨翠娥.《高频电子线路实验与课程设计》.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社
【15】张肃文.《高频电子线路（第三版）》：高教出版社
【16】曾兴雯陈健刘乃安.《高频电子线路辅导》.西安：西安电子科大出版社
目录
1、总体方案与原理说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
2、方波发生电
路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (5)
3、方波—三角波产生电路
图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (6)
4、三角波—正弦波产生电路 (8)
5、总体电路原理相关说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
6、函数发生器总电路图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
7、元件清单. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (12)
8、设计心得体会. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..13
9、参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (14)
1、总体方案与原理说明
（1）函数发生器介绍
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。

电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。

根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器。

函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有广泛的用途。

现在我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。

我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。

在达到课程要求的前提下保证经济、方便、优化的设计策略。

按照设计的方案选择具体的原件，焊接处具体的实物图，并在试验室对焊接好的实物图进行测试，观察效果并与最初的设计要求的性能指标作对比。

最后分析出现误差的原因以及影响因素。

图1 函数发生器电路组成框图
（2）电路设计方案设计
由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方差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，抗干扰能力强等优点。

特别是作为直流放大器是，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。

能实现频率可调的指标要求，且能实现一定范围内的幅度调节。

但是积分电路的时间参数选择需要保证电路不出现饱和失真。

2、方波发生电路
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，再稍增长，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
于无穷大时候，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，电容有开始正相充电。

上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

图2 方波发生电路
U-=Uc
U+=（R3/（R3+R4+Rp2））（+Uz）
Ut=（R3/(R3+R4+Rp2)）（+Uz）
Uc（t）=Uc（oo）+[Uc(0)-Uc(00)]e^-t/τUt+=Uz+[Ut_-Uz]
T=2τ/ln(1+2R3/（R4+Rp2））
3. 方波—三角波产生电路图
图3 方波—三角波产生电路图
±UT=±[R2/(R3+Rp1)]*Uo2m
T=4R2(R4+Rp2)C1/(R3+R6)
±UT=±[R5/(R3+R6)]*U2
T=4R5(R2+R4)C1/(R3+R6)
图4 比较器的电压传输特性图5 方波—三角波变换
工作原理如下：
如a点断开，运算放大器A1与R1、R2及R3、Rp1组成的电压比较器，C1为加速电容，可以加速比较器的翻转。

运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输乳端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。

比较器的输出Uo1的高电平等与正电源电压+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天道高电平Vcc。

设Uo1=Vcc，则
U+=R2/(R2+R3+Rp1) (+Vcc)+ (R3+RP1)/(R2+R3+Rp1)
Uia=0
将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为
Uia-=-R2/(R3+RP1)( +Vcc)=-R2/(R3+RP1) (+Vcc)
若Uo1=-Vee，则比较器翻转的上门限电位Uia+为
Uia+=-R2/(R3+RP1)(-Vcc)= R2/(R3+RP1) (+Vcc)
比较器的门限宽度UH= Uia-Uia-=2R2Icc/(R3+RP1)
a点断开后,运放A2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Uo2为
Uo2=-1/(R4+RP2)C2
Uo1=+Vcc时，Uo2=-（+Vcc）t/(R4+RP2)C2=(-Vcc)t/(R4+RP2)C2
Uo1=-cc时，Uo2=-（-VEE）t/(R4+RP2)C2=tVcc/(R4+RP2)C2 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相等的三角
波，其波形关系图7所示。

a点闭合，既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Uo2m=R2Vcc/(R3+RP1)
方波-三角波的频率f为f=(R3+RP1)/4R2(R4+RP2)C2 由以上两式可以得到以下结论：
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。

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。

4、三角波—正弦波产生电路.
图6 三角波—正弦波产生电路
三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。

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，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曲线的非线性。

分析
表明，传输特性曲线的表达式为：
Ic2=aIE2=aI0/(1+e^Uid/UY)
Ic1=aIE1=aI0/(1+e^-Uid/UY)
式中a=Ic/IE≈1
Io——差分放大器的恒定电流；
UT——温度的电压当量，当室温为25oc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�由图可见：
传输特性曲线越对称，线性区越窄越好：
三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

图为实现三角波——正弦波变换的电路。

其中Rp3调节三角波的幅度，Rp4
调整电路的对称性，其并联电阻R11用来减小差分放大器的线性区。

电容
C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

图7 三角波—正弦波变换
5、总体电路原理相关说明
函数信号发生器是可用于测试或检修各种电子仪器设备中的低频放大器的频率特性、增益、通频带，也可用作高频信号发生器的外调制信号源。

顾名思义肯定可以产生函数信号源，如一定频率的正弦波，有的可以电压输出也有的可以功率输出。

下面我们用简单的例子，来说明函数信号发生器原理。

（a）信号发生器系统主要由下面几个部分组成：主振级、主振输出调节电位器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器(输出变压器)和指示电压表。

（b）工作模式：当输入端输入小信号正弦波时，该信号分两路传输，其一路径回路，完成整流倍压功能，提供工作电源;另一路径电容耦合，进入一个反相器的输入端，完成信号放大功能。

该放大信号经后级的门电路处理，变换成方波后经输出。

输出端为可调电阻。

（c）工作流程：首先主振级产生低频正弦振荡信号，信号则
需要经过电压放大器放大，放大的倍数必须达到电压输出幅度的要求，最后通过输出衰减器来直接输出信号器实际可以输出的电压，输出电压的大小则可以用主振输出调节电位器来进行具体的调节。

它一般由一片单片机进行管理，主要是为了实现下面的几种功能：
a) 控制函数发生器产生的频率;
b) 控制输出信号的波形;
c) 测量输出的频率或测量外部输入的频率并显示;
d) 测量输出信号的幅度并显示;
e) 控制输出单次脉冲。

方波—三角波—正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的，在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。

该电路是这个课程设计的核心电路，此电路可以获得变动的平率可调信号，可以输出方波、正弦波、三角波，很好的完成了我们的课程设计，并且波形不易失真。

函数发生器有很宽的频率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信号源。

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。

此外，函数发生器发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制。

6、函数发生器总电路图
图8 函数发生器总电路图7、元件清单
8、设计心得体会
为期一个星期的课程设计任务已经快要结束，最后我们也完成了电子电工课程实验设计报告，圆满结束了这个星期的任务。

这次课程设计给了我们很多的学习机会，我学会了很多。

这次课程设计给了我们一次实际掌握知识的机会，离开了课堂严谨的环境，离开了老师的细心指导，一切都得靠自己，让我们的知识得到实际应用。

譬如，在选择一个电表时，要考虑到它的量程，是太大还是太小，太大了的话会严重影响结果，造成很大的误差；太小的话，仪器将可能会被烧毁，从而造成整个电路短路，无法进行实验；在选取电阻箱的时候，要预先估算需要多大的阻值，不能选择与估算电阻相差太大的电阻；选取电容的时候，太大会造成极大的误差，甚至在实验的时候都无法读取数值，同样太小的话，将会被击穿。

所以在选择实验原件的时候，要对整个电路有一个很清晰的认知，万不可盲目选取。

在用CAD软件画电路图时候，一定需要耐心，不可急躁，在一遍画图的时候，要一边思考整个电路的布局。

如在画一个电阻时候，要考虑该电阻在这个地方有什么用，为什么要用这么大的阻值。

这些都是我们在实习时需要注意的问题。

这实习中，也让我意识到了相互帮助的重要性，这次实习的难度很大，一个人来说很具有难度。

比如有的同学CAD软件学得很棒，有的同学在电路、仪器的选取上学得好，同学们的优点结合在一起后，这将很大程度上提高了我们的工作效率。

所以在遇到困难时候，同学们应该要互相帮助，而且有个好的搭档对我们的实习也起到了一个事半功倍的效果，遇到困难时候，自己一个人苦苦思索远不如找一个搭档来沟通交流。

我们整个过程中都是通过互相讨论来一起解决遇到的种种难题，所以说以后的学习和工作中，与搭档的好好相处与互相协助也是必不可少的一件事情。

这一个星期的实习，让我学到了很多，当然也有许多感触。

在学校，我们应该尽自己最大的努力去学习，多掌握一些技能，这将会在未来我们在社会上闯荡拼搏是起到至关重要的作用。

如果我们不能学到一点技能的话，出了校门我们能够去干什么样的工作呢，如果真是那样，到时候就会平平庸庸，成为社会的负担。

这次实习也让我对于以后自己是从事技术开发工作还是其他的车间操作还是其他的等等都有了一些了解，能够为自己未来的工作方向有个明确的意识，也能够为自己的将来做个正确的决定。

9、参考文献
【1】李万臣、《模拟电子电工技术基础实验与课程设计》、2001、哈尔滨工程大学出版社
【2】华成英、《模拟电子技术基础》、2005、高等教育出版社【3】董平、《电子技术基础》、2003、电子工业出版社【4】童诗白、《模拟电子技术基础》（第四版）、2006、高等教育出版社
【5】于卫、《模拟电子技术实验及综合实训教程》、2008、华中科技大学出版社
【6】谢自美、《电子线路设计·实验·测试》（第三版）、2006、华中科技大学出版社
【7】李万臣、《模拟电子技术基础设计仿真编程与实践》、哈尔滨工程大学
【8】凌玉华.《单片机原理及应用系统设计》.长沙：中南大学出版社
【9】刘丹.《例说8051》.北京：人民邮电出版社
【10】李群芳.《单片微型计算机与接口技术(第二版)》.北京：电子工业出版社
【11】王琼.《单片机原理及应用实践教程》.合肥：合肥工业大学出版社
【12】蒋立培.《单片危机系统使用教程》.北京：机械工业出版社
【13】谢自美.《电子线路设计·实验·测试（第三版）》.湖北：华中科技大学出版社
【14】杨翠娥.《高频电子线路实验与课程设计》.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社
【15】张肃文.《高频电子线路（第三版）》：高教出版社
【16】曾兴雯陈健刘乃安.《高频电子线路辅导》.西安：西安电子科大出版社
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