正弦波函数信号发生器

图4—22 555定时器原理
定时器的功能主要取决于比较器,比较器A、B的输出控制着RS触发器和三级管sw的状态,4号管脚(Rd)为复位端.当Rd=0时,输出Uo=0,sw管饱和导通.此时其他输入端状态对电路清0状态无影响。正常工作时，应将Rd接高电平。
像上面所说的那样, 当控制电压输入端5脚悬空时，比较器A、B的基准电压分别为2Ucc/3，和Ucc/3。如果5脚ui外接固定电压，则比较器A、B的基准电压为Ui和Ui/2。
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，以及同学之间的仔细交流，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总结。
八、
[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
(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;
图5—22 积分电路图
六、
序号
名称
单位
数量
序号
名称
单位
数量
1
电阻72K
个
2
8
电容10uF
个
1
2
电阻5K
个
2
9
电容104
个
2
3
电阻10K
个
6
10
电容4.7uF
个
1
4
电阻330
个
1
11
IN4001
个
2
5
电位器502
个
1Βιβλιοθήκη Baidu
12
芯片4017
片
1
6
IC座8P
片
3
13
芯片555
片
1
7
IC座16P
片
1
14
芯片358
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．
图4—26LM358引脚图
电位计(potentiometer)或称(电压计)，也称为“pots”或可变电阻器，通常被制造成不管使用多久均能维持原有的特性，若当位置传感器使用，电位计可以是直线或旋转式位置传感器。电位计输出一个电压值，其正比于沿着可变电阻器之滑动器的位置。因为温度变化、磨耗及滑动器与可变电阻器之间的污垢均会造成电阻变化，影响电位计的精度，因此，电位计有太低的准确度。由于材料的发展，特别是在导电性塑料，使得电位计在使用很长时间后仍可以维持原有特性，同时也改进它们的性能。
CD4017有10个输出端（O0～O9）和1个进位输出端～O5-9。每输入10个计数脉冲，～O5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。CD4017有3个输（MR、CP0和~CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平，其余输出端（O1～O9）均为低电平。CP0和～CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由～CPl端输入。设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。
电子技术课程设计报告
——正弦波函数信号发生器的设计
作品
40%
报告
20%
答辩
20%
平时
20%
总分
100%
设计题目：
班 级：
班级学号：
学生姓名：
一、
函数发生器是一种在科研和生产中经常用到的基本波形生产期，现在多功能的信号发生器已经被制作成专用的集成电路，在国内生产的8038单片函数波形发生器，可以产生高精度的正弦波、方波、矩形波、锯齿波等多种信号波，这中产品和国外的lcl8038功能相同。产品的各种信号频率可以通过调节外接电阻和电容的参数进行调节，快速而准确地实现函数信号发生器提供了极大的方便。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。
调整电位器及电阻，可以使传输特性曲线对称。调节电位器使三角波的输出幅度经R输出等于U值，这时输出波形应接近正弦波，调节电位器的大小可改善波形。
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。
[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
4.2设计说明
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．
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。
图4—21积分电路
1、555定时器
如图为555等效功能框图中包含两个COMS电压比较器A和B，一个RS触发器，一个反相器，一个P沟道MOS场效应管构成的放电开关SW，三个阻值相等的分压电阻网络，以及输出缓冲级。三个电阻组成的分压网络为上比较器A和下比较器B分别提供2Vcc/3和1Vcc/3的偏置电压。
片
2
七、
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资料，通过对所得的各种资料的综合分析，总结出自己需要的信息，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；通过对设计时出现的各种问题的分析与解决，独立分析，进行设计；通过对电路设计中的某些问题的较为深入的探索，培养了自己的设计能力；通过设计论文的书写，文字表达能力和对工作的认真态度。
由图5可知，若5脚悬空，当ui6<2Ucc/3，ui2<Ucc/3时，比较器A、B分别输出高电平和低电平，即R=1，S=0，使基本RS触发器置1，放电三极管截止，输出u0=1。
当ui6<2Ucc/3，ui2>3Ucc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，即R=1，S=1。 RS触发器维持原状态，使u0输出保持不变。
>Ucc/3
不变
不变
1
<2Ucc/3
<Ucc/3
1
截止
2、单稳态触发器4017
图4—24 CD4017工作原理及应用电路图
十进制计数／分频器CD4017，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、…、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
当ui6>2Ucc/3，ui2<Ucc/3，比较器C1、C2均输出低电平，即R=0，S=0。这种情况对于基本RS触发器属于禁止状态。
综上分析，可得555定时器功能表如表1所示。
表4—23 555定时功能表
输入 输出
Rd
Ui6
Ui2
U0
T状态
0
x
x
0
导通
1
>2Ucc/3
>Ucc/3
0
导通
1
<2Ucc/3
5.2模块工作原理说明
图5—21 三角波变成正弦波电路图
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。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。
(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。
三、
1. 掌握函数信号发生器工作原理。
2. 熟悉集成运放的使用。
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。
4. 输出频率范围：20HZ~20KHZ
5. 输出电压幅度：UPP>6V
四、
4.1设计内容
图4—11 函数信号发生器原理图
图4—27电位计引脚图
电位计的缺点：
1. 精确度不佳，不能做为精密伺服控制(如机械臂的主要位置回授装置。
2. 电刷移动时和电阻保持接触而引起磨损。
3. 电位器输出会受环境影响。
4. 需要模拟至数字转换装置，方能提供数字输出给控制器(计算机)
五、
图5—11原理图
图5—12电路板
图5—13电路板焊接图
5.1功能模块电路原理图
图4—25 CD4017引脚图
2．CD4017级连后可以顺序输出24个高电平，同上理可组合出各种不同的发光方式，见图3，可使6串彩灯向右流水发光，再向左流水发光，中心向两边散开后再向中心靠拢发光，1、3、5、2、4、6串间隔发光等等
3.LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
二、
方案
采用分立器件实现电路组成，主要的部件有双运放358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。4017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。
(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。
查找其他资料知：在正弦波发生器中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。电位器与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。