函数信号发生器-课程设计2.

长安大学电子技术课程设计课题名称函数信号发生器班级 __******____姓名指导教师 ***日期本次电子技术课程设计是指通过所学知识并扩展相关知识面，设计出任务所要求功能的电路，利用计算机辅助设计的电路仿真，检测并调整电路，设计功能完整的电路图。

我们所选择的课设题目是函数信号发生器。

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。

在资料收集后，将设计过程分为三部分：一是系统模块设计，设计电路的系统思想，设计出能满足电路功能的各个模块，画出系统的框图。

二是针对各个模块分别设计电路的各个具体模块的具体电路，并且分别进行仿真和改进。

三是将所有的模块综合在一起，画出系统总图，并用multisim 软件进行仿真，针对仿真过程中出现的一些问题仔细检查，对比各个方案的优点和缺点，选出最佳的方案，修改不完善的部分。

最后，对此次课程设计进行总结，反思自己在各个方面的不足，对设计方案中的各个思想进行归纳总结，比较各种方案的优缺点，总结每种设计方案的应用领域和使用范围，为以后得学习实践提供经验。

最终提高我们的学习和动手能力。

前言.......................................................................................2 摘要 (4)第一章数信号发生器系统概述 (5)1.1总体设计方案论证及选择 (5)1.2函数信号发生器总体方案框图 (5)第二章单元电路设计分析 (6)2.1 信号发电路设计框图 (6)2.2方波发生电路 (7)2.3方波——三角波转换电路 (8)2.4三角波——正弦波转换电路 (9)2.5.5数字显示输出信号频率和电压幅值 (11)第三章电路的安装与调试 (15)3.1方波产生的结果 (15)3.2方波转换为三角波的结果 (15)3.3三角波转换为正弦波的结果 (16)3.4数字显示频率和幅值的结果 (16)第四章结束语........................................................................ 17 参考文献.............................................................................. 17 附录一器件清单列表............................................................... 18 附录二总体设计图............................................................... 18 收获及体会..............................................................................19 鸣谢 (20)函数信号发生器摘要：本实验中的信号发生器是根据555定时器构成多谐振荡器的原理来输出持续稳定的方波，再通过转换电路来实现波形变化。

通过对信号发生器设计掌握555多谐振荡器产生占空比为1/2的方波，频率和振幅的调节；掌握电路转换的原理和实际电路图，如方波转换为三角波可通过简单积分电路或者通过带有放大器的积分电路来实现；三角波转换为正弦波可通过低通滤波器来实现，也可通过差分放大器的非线性来实现，或者通过折现法实现。

本课题要求输出波形应有：方波、三角形、正弦波。

要完成此方案的方法有许多，既可以使用分立元件（如低频信号发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片集成电路函数信号发生器ICL8038）。

本课题决定采用555定时器构成多谐振荡器产生方波，通过积分产生三角波，再通过低通滤波产生正弦波。

设计中多用到数电和模电中的知识，以充分复习和应用自己已经学过的知识。

关键字：函数发生器多谐振荡器积分电路低通滤波峰值检波设计要求：1. 信号频率范围1HZ ～100kHZ ；2. 输出波形应有：方波、三角形、正弦波；3. 输出信号幅值范围0～10V ；4. 具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能。

♦第一章、函数信号发生器系统概述♦ 1.1 总体设计方案论证及选择：方案一：通过RC 震荡电路产生正弦波，然后经过过零比较器，产生三角波，在通过积分电路产生方波。

其中，RC 震荡电路为RC 桥式正弦振荡电路，然后通过放大器构成过零比较器来实现方波的转换，在通过反向积分电路来实现方波到三角波的转化。

方案二：可以由晶体管、运放IC 等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC 产生。

早期的函数信号发生器IC ，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz ，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。

方案三：可以按照方波——三角波——正弦波的顺序来设计电路，其中，方波可以通过模电中的方波发生电路来产生，也可以通过数电中的555多谐振荡电路来产生，方波到三角波为积分的过程，三角波到正弦波可以通过低通滤波来实现，也可以利用差分放大器的传输非线性来实现或者通过折现法来实现。

可行性分析：纵观以上N 种方案，对比如下，本着自己动手的观念，首先排除第二种用集成芯片的方法，因为这种方法对设计的要求太低；其次分析方案一可得其RC 桥式正弦震荡电路的占空比受R 和C 共同影响，调节频率时需要调节的元器件参数太多，比较繁琐，并且此震荡电路的频率也不是很好的满足设计的要求。

所以综上所述，选择方案三来实现本次的课程设计：555多谐振荡器的频率很好计算和调节，并且输出的波形比较准确；波到三角波的转化可通过简单RC 积分电路来实现；角波到正弦波可通过简单RC 低通滤波器来实现也可通过折现法或者差分法来实现。

分析方案得：各个不分的实现有多种办法，但也许理论上比较好的方法在实践中由于环境的种种原因可能并不是最好的，所以最终的方案的细节有待在试验仿真中作进一步的确定。

♦ 1.2函数信号发生器总体方案框图♦第二章、单元电路设计与分析♦ 2.1 信号发电路设计框图2.2方波发生电路2．2．1方案选择方案一：占空比可调的矩形波放声电路（模电知识，通过比较器和积分电路来现）。

方案二：改进型555多谐振荡器电路（数电知识，利用555定时器和积分电路来实现）。

对比如上两个方案，方案一的频率性较差，并且输出电压受到稳压二极管的影响，输出电压幅值不能改变；而方案二频率调节理与方案一很是相似，但是方案二的频率表达式比较简洁，容易计算，而且方案二的输出电压幅值的改变可通过对555定时器的供电的改变来实现，对于占空比，已对原始的多谐振荡器做了些许改动，能达到1/2的要求。

综上，选择方案二。

555定时器的工作原理：555定时器是一种功能强大的模拟数字混合集成电路，其组成电路框图如图22.32所示。

555定时器有二个比较器A1和A2，有一个RS 触发器，R 和S 高电平有效。

三极管VT1对清零起跟随作用，起缓冲作用。

三极管VT2是放电管，将对外电路的元件提供放电通路。

比较器的输入端有一个由三个5kW 电阻组成的分压器，由此可以获得和两个分压值，一般称为阈值。

555定时器的1脚是接地端GND ，2脚是低触发端TL ，3脚是输出端OUT ，4脚是清除端Rd ，5脚是电压控制端CV ，6脚是高触发端TH ，7脚是放电端DIS ，8脚是电源端VCC 。

参数计算：改进型多谐振荡电路主要改进了电容充电和放电的回路，使得回路的时间常数相同即可，再此引入二极管来分开充电和放电回路。

高电平，充电时间 T1=（R 3 +R5 ）Cln2=0.7（R 3 +R5 ）C 1 ；低电平，放电时间 T2=（R 2 +R5 ）Cln2=0.7（R 2 +R5 ）C 1 ；占空比 q= T1/（T1+T2）=（R 3 +R5 ）/（R 2 +R5 ） = 0.5 即要求R 3 = R 2 ；所以方波周期T= T1+T2=0.7（（R 3 + R2 + 2R5 ）C 1 ）；振荡频率 f=1/T=1.44/（（R 3 + R2 + 2R5 ）C 1 ）；经过计算，选取C1为200nF ，R 3 = R2 =10欧姆。

当R5最大时，频率即为1HZ （根据仿真结果），此时f=1=1.44/（（10+10+2R5 ）*200*10E（-9））取 R5 =1M欧姆即可；f=100k=1.44/（（10+10+2R5 ）*200*10E（-9））取R 5=0时，f>100k；综上，取 R5 =1M欧姆即可满足频率范围的要求。

2.3方波——三角波转换电路原理图由积分电路构成方波—三角波产生电路，方波经反向积分电路积得到三角波。

方案一：简单的积分电路（由电阻和电容构成）。

方案二：带有放大器的积分电路（由放大器和电阻电容构成）。

对比如上两个方案，在方波的频率改变的情况下，都需改变充电电容，因为方波频率变大时，要求积分时间短，即电容的容量要小，以达到快速充电的要求，否则波形失真；当方波频率变小时，要求积分时间要长，这时增大电容的容量，否则将产生梯形式的方波。

两个方案相对没有理论上的优劣，现选择方案一。

原理：输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。

电路结构如图，积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。

电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理，这里要提的是电路的时间常数R*C，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。

RC 积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路。

在自动控制系统中，常用积分电路作为调节环节。

此外，RC 积分电路还可以用于延时、定时以及各种波形的产生或变换。

本课题采用RC 积分电路来产生三角波。

此部分的参数不需要具体的计算，可以在仿真实验中具体的连续调节，来找到最合适的电容大小。

总之频率变大，调节电容变小；频率变小，调节电容变大即可。

2.4三角波——正弦波转换电路原理图方案选择：方案一：低通滤波电路（通过简单ＲＣ电路来实现）。

方案二：利用差分放大电路的传输曲线（差分放大器的非线性传输曲线）。

方案三：通过折线法来实现。

对比如上方案：方案一利用低通滤波器将三角波变换成正弦波，将三角波按傅里叶级数展开其中Um 是三角波的幅值。

根据上式可知，低通滤波器的通带截止频率应大于三角波的基波频率且小于三角波的三次谐波频率。

当然，也可以利用带通滤波器实现上述变换；方案二利用差分放大器的非线性传输曲线来实现，具体原理如下图所示：方案三的电路连接比较复杂，而且需要的元器件也比较多，调试也比较不方便。