波形发生器--课程设计报告材料

课程设计报告书
波形发生器
学院电子与信息学院
专业班级
学生姓名
学生学号
指导教师
课程编号
课程学分 1
起始日期 2017
波形发生器
一、选题背景
波形发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。

函数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。

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。

通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、矩形波的函数波形发生器。

二、方案论证
1、设计题目要求
1.1、功能要求
1.1.1、同时三通道输出，采用正弦波、矩形波、三角波的级联结构；
1.1.2、电源由稳压电源供给；
1.2、指标要求：
1.2.1、输出电压要求正弦波Vp-p>10V、矩形波Vp-p>10V、三角波Vp-p>4V；
1.2.2、输出波形频率范围为100Hz—2kHz；
1.2.3、通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于5%；
1.2.4、矩形波占空比可调整，调整范围：10%～90%；
2、总体设计方案
2.1 设计思路
根据模拟电子技术基础课程，可通过RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波，通过比较器变换成矩形波，再通过积分电路变换成三角波；或者同过滞回比较器和RC电路组成的矩形波发生电路产生矩形波，通过积分电路变换成三角波，再用滤波法变换成正弦波。

2.2 设计方案
满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出以下几种方案：
2．2．1方案一
①原理框图
图2.2.1 方案一原理框图
②基本原理
通过RC桥式正弦波振荡电路，产生正弦波，改变电阻R和电容C的值实现频率可调；通过单限比较器，产生矩形波，接入参考电压，通过改变与参考电压串联电阻的阻值，实现占空比可调；通过积分电路，产生三角波。

2．2．2方案二
①原理框图
图2.2.2 方案二原理框图
②基本原理
通过矩形波发生电路产生矩形波，改变阻值和电容实现频率可调，利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路，改变电位器阻值实现占空比可调；通过积分电路产生三角波；通过低通滤波器产生正弦波。

2.3 方案论证与比较
方案一中的RC桥式正弦波振荡电路，因为两个电位器阻值须相等才能实现减少失真，所以改变频率时，两个电位器的改变量必须相等，增加了调节的难度；方案二的滤波法要求三角波为固定频率或者频率变化范围很小，而题目要求频率范围为100Hz—2kHz，不符合要求；而若用折线法需要大量电阻与二极管，成本较高；综上所述，方案一在成本与指标实现上更具优势，所以采用方案一。

三、 单元电路设计
3．1 、RC 桥式正弦波振荡电路
3．1．1、 RC 桥式正弦波振荡电路及其工作原理或功能说明
图3.1.1 RC 桥式正弦波振荡电路
倘若存在频率f 0，是电路产生的附加相移为±π，而且1F A >∙
∙，则电路将产生自
激振荡。

当 趋近于3时， 趋近于无穷大，表明电路即使在无输入的情况下，也会有频率为f 0的输出电压，即电路产生了自激振荡。

因为电路仅对频率f 0的信号放大，而对其他频率的信号迅速衰减为零，所以输出频率为f 0的正弦波。

3．1．2 、RC 桥式正弦波振荡电路元件的选取与计算 3.1.2.1、确定R 、C 的值
由于要求频率范围为100Hz —2kHz ，选取1kHz 为中心频率。

由于
∙A up ∙
A
uf
得到
为了使选频网络的选频特性尽量不受集成运算放大器的输入电阻Ri 和输出电阻Ro 的影响，应使R 满足下列关系式：Ri>>R>>Ro ，一般Ri 约为几百千欧以
上，Ro 仅为几百欧以上。

故确定R=16K Ω，则C=10nF 。

3.1.2.1、确定R1、R3
RC 选频网络对于中心频率f 0的放大倍数为 ，而回路起振条件为1F A >∙∙。

故放大电路的电压放大倍数 ，即 ，取 。

而d 4f r R R +=其中，d r 为二极管的正向动态电阻。

为了减小输入失调电流和漂移的影响，电路应该满足直流平衡条件，即：
Ω==K 16R //R R f 31
综上所述：
由
Ω==K 16R //R R f 31
d 4f r R R +=
r d ≈5.1K Ω 得： R1=24k Ω Rf=48k Ω
R 4=42.9k Ω (经实验室实际调试，取41k Ω)
3．2 、单限比较器电路
3．2．1、单限比较器电路及其工作原理或功能说明
4
1059.121RC f -⨯==
π Hz 1000RC
21
f 0==
π2R R 3
f ≥3R R R A 313=+=∙3
1
F =∙2R R 3f
=2R R 3
f =
图3.2.1 单限比较器电路
根据叠加原理，集成运放反向输入端的电位
REF 6
55
I 656N U R R R u R R R u +++=
令0u u P N ==，则求出阈值电压
REF 6
5
T U R R U -
= 当T I U U <时，ＰＮ＜ＵU ，所以ＯＭＵ+='O U ，Z OH O U U u +==；当T I U U >时，P N u u >，所以ＯＭＵ-='O U ，Z OL O U U u -==。

只要改变参考电压的大小和极性，以及电阻R5和R6的阻值，就可以改变阈值电压的大小和极性。

3．2．2、单限比较器电路元件的选取与计算
为了节省元件的使用，直接使用运放工作电源作参考电压电源；由于输入信号的频率与振幅都会影响 R5、R6的取值，经试验R5取100K Ω的电位器，R6取200k Ω时满足占空比范围10%~90%的指标；R7作保护电阻，取2K Ω。

3.3、积分电路
3．3．1、积分电路及其工作原理或功能说明
3．3．1 积分电路
由“虚地”，电容电流等于电阻R8电流，所以得到积分电路公式：
又公式可知，当输入为矩形波时，输出为三角波。

3．3．2、积分电路元件的选取与计算
为使三角波不出现顶部失真，应使用较大的电容，这里选取0.1μF 的电容；经试验调试，R 选取为5K Ω的电位器调节时，既能使波形保持不失真，又便于调节；为了防止低频信号增益过大，在电容上并联一个电阻加以限制，经调试，取阻值为30K Ω效果最好。

3.4、稳压电源电路
3．4．1、稳压电源电路及其工作原理或功能说明
图3.4.1 稳压电源电路
稳压直流电源是将220V 交流电力转换为直流的电路或装置，为电子设备提供能量。

小功率直流稳压电源由以下四部分组成：变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。

1) 电源变压器是降压变压器，它将电网220V 交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定；
2) 整流电路利用单向导电元件，把50Hz 的正弦交流电变换成脉动的直流电。

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半。

电路中的每只二极管承受的最大反向电压为
2U 2(2U 是变压器副边电压有效值)。

3) 滤波电路可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

4) 稳压电路主要由78系列（输出正电压）和79系列（输出负电压）构成。

）（）（1021I 0t u t t u RC
1
u +--
=
3．4．2、稳压电源电路元件的选取与计算
变压器的原、副边匝数比： ；
查询1N4001的反向击穿电压为50V>22V ，符合要求； 整流电路输出电压为22V ；
电容的值应满足：C>>(T*I)/(2U),一般选择电容的值为C=(3-5)(T*I)/(2U).其中T 为输入正弦信号的周期，我们现在用的市电频率都为50Hz,故有其周期为T=1/f=0.02s,I 为三端稳压器的最大输入电流，U 为三端稳压器的最小输入电压（22V ），
带入各项计算得：C=1817uF ，取2000uF 。

四、整机电路
4.1 整机电路图
图4.1 整机电路图
4.2 元件清单
101
22022N N U U 1212===
五、性能指标的测量与分析
5.1 电路测试
5.1.1 测试使用的仪器
示波器数字万用表
5.1.2电路调试步骤
①连接电路，用示波器按顺序查看正弦波，矩形波，三角波波形；
②在出问题的电路单元查看导线连接是否正确；
③检查UA741芯片静态工作点电压是否正常；
④检测并调节电位器电阻；
数据分析：所测得数据振幅均满足“输出电压要求正弦波Vp-p>10V、矩形波Vp-p>10V、三角波Vp-p>4V”的条件；输出波形频率范围超过100Hz—2kHz；矩形波占空比实现10%～90%范围内可调整。

5.1.5电路波形图
图5.1.5.1 频率100Hz，占空比10% 图5.1.5.2频率100Hz，占空比50%
图5.1.5.3 频率100Hz，占空比90% 图5.1.5.4 频率1KHz，占空比10% 图5.1.5.5频率1KHz，占空比50% 图5.1.5.6 频率1KHz，占空比90%
图5.1.5.7 频率2KHz，占空比10% 图5.1.5.8 频率2KHz，占空比50%
图5.1.5.9 频率2KHz，占空比90% 图5.1.5.10频率100Hz三角波
图5.1.5.11 频率1KHz三角波
5.1.5 故障分析及处理
RC桥式正弦波振荡电路无波形输出，检测导线无错误，用万用表检测运放工作电压，发现不正常，查看运放供电电压后发现，电源没有接地，接地后，有波形出现；
但是输出的波形失真，检查导线无错误后，用数字万用表检测并调节R1、R2至阻值相等后，波形不再失真。

单限比较器电路无波形输出，检查导线连接无误后，调节电位器R5阻值，矩形波逐渐出现。

积分电路输出三角波出现失真，用一值为100KΩ的电阻并联电容C3，波形失真减少，改用150KΩ与50KΩ电阻，发现用50KΩ的效果更好，以此法再试用其他电阻，发现30KΩ的电阻效果最好。

5.2 电路实现的功能和系统使用说明
电路能实现三通道同时输出，可输出正弦波，矩形波，三角波；频率可在100Hz —2kHz范围内调节；矩形波的占空比可在10%～90%范围内调整。

同时调节R1、R2即可调节频率；调节R5和参考电压极性，即可调节矩形波占空比。

六课程设计总结
拿到题目首先是看题目要求，回忆自己所学过的知识，思考如何实现，再网上找相关资料，用Multisim仿真，在面包板上搭建，调试。

网上的资料质量参差不齐，通过这次课程设计，我更好的学会的判断与筛选；往往需要自己结合课本知识来重新计算，重新设计。

仿真的成功不意味着搭建电路就好成功，在这次课程设计就遇到了波形失真，需要调整参数，接线错误，需要反复检查才能找到等问题。

另外，询问同学和老师也是解决问题的好
方法；在与同学和老师的讨论中，学到了很多个人经验积累的小技巧，收益匪浅。

最后，通过这次课程设计，我对模拟电子电路的理论知识有了更深的了解，把理论运用于实际，也大大提高了我的动手能力。

参考文献
［1］童诗白，华成英. 《模拟电子技术基础》．北京：高等教育出版社，2015. 334~336,425~428。