簡易信號發(fā)生器課程設(shè)計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　序1</b></p><p>　　第1章 函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖2</p><p>　　1、1 原理框圖2</p><p>　　1、2 函數(shù)發(fā)生器的總方案2</p><p>　　

2、第2章 簡易信號發(fā)生器基本原理3</p><p>　　2、1 RC橋式正弦波振蕩器（文氏電橋振蕩器）3</p><p>　　2、2 方波---三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理4</p><p>　　2、3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理7</p><p>　　2、4 電路的參數(shù)選擇與計算8</p><p>　　

3、2、4、1 方波—三角波部分8</p><p>　　2、4、2 三角波—>正弦波部分9</p><p>　　第3章 電路仿真10</p><p>　　3、1 方波波形10</p><p>　　3、2 三角波波形10</p><p>　　3、3 正弦波波形11</p><p>

4、;　　3、4 方波---三角波轉(zhuǎn)換電路的仿真12</p><p>　　3、5 三角波---正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真12</p><p>　　第4章 電路的安裝與調(diào)試12</p><p>　　4、1 方波—三角波發(fā)生器的調(diào)試13</p><p>　　4、2 三角波—正弦波變換的調(diào)試13</p><p>　　4、

5、3 誤差分析14</p><p>　　4、4 PCB板圖：14</p><p>　　第5章 課程設(shè)計總結(jié)15</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)15</b></p><p><b>　　附錄16</b></p><p><b>　　元件清單17&l

6、t;/b></p><p><b>　　總電路圖18</b></p><p><b>　　序</b></p><p>　　模電課程由于是各專業(yè)的必修課，發(fā)展過程比較平穩(wěn)：一直有穩(wěn)定的師資隊伍、先進(jìn)的教材、持續(xù)投入的實(shí)驗室條件，這些都為課程的健康發(fā)展提供了保證，雖然幾門課程都經(jīng)歷了教學(xué)和實(shí)驗學(xué)時不斷縮減的過程，但由于

7、大家的努力，這</p><p>　　些課程一直保持了很好的發(fā)展態(tài)勢。</p><p>　　課程教學(xué)內(nèi)容簡介，模電是繼電路課程后，電氣類、自控類和電子類等專業(yè)學(xué)生在電子技術(shù)方面入門性質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)課，是電子技術(shù)基礎(chǔ)的一個部分，其目的和任務(wù)是讓學(xué)生獲得模擬電路的基本知識，為以后深入學(xué)習(xí)電子技術(shù)某些領(lǐng)域中的內(nèi)容打下基礎(chǔ)。通過模電課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得模擬電路的基本理論、基本知識和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生

8、分析問題和解決問題的能力，為模擬電子技術(shù)在專業(yè)中的應(yīng)用打好基礎(chǔ)。模電的前續(xù)課程是電路，模電中應(yīng)用了許多電路課程中的基本概念與方法，例如迭加原理、戴維南定理、二端口網(wǎng)絡(luò)、正弦交流電路的求解等，應(yīng)注意兩門課在時間上的配合。模電的后續(xù)課程是數(shù)電、EDA與電子技術(shù)課程設(shè)計、微機(jī)原理及其應(yīng)用、電力電子、檢測與變換及各專業(yè)課程設(shè)計等，模</p><p>　　電課程中的半導(dǎo)體基本知識、放大電路理論和各種集成電路知識將為這些后續(xù)

9、課程的學(xué)習(xí)打下必要基礎(chǔ)。</p><p>　　電力電子技術(shù)是當(dāng)今發(fā)展較為迅速的一項技術(shù)，各種新型的電力電子器件不斷涌現(xiàn)也使得這項技術(shù)的內(nèi)涵得到迅速更新。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，以晶閘管為代表，二極管及晶體管等功率半導(dǎo)體器件在高速、高壓、大電流方面的發(fā)展非常迅速。70年代以后，IG、LSI、微型計算機(jī)、DSP、ASIC等實(shí)用化取得了進(jìn)展，采用微型器件的控制技術(shù)、信號處理技術(shù)也日益成熟。</p><

10、p>　　電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。電力電子技術(shù)的內(nèi)容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。近代新型電力電子器件中大量應(yīng)用了微電子學(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點(diǎn)和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。利用這些電路，根據(jù)應(yīng)用對象的不同，組成了各種用途的整機(jī)，稱為電力電子裝置。電子學(xué)、電工學(xué)、自動控制、信號檢測處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)中

11、大量應(yīng)用。</p><p>　　第1章 函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖</p><p><b>　　1、1 原理框圖</b></p><p>　　1、2 函數(shù)發(fā)生器的總方案</p><p>　　函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函

12、數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成電路。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實(shí)驗調(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法。</p><p>　　產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波—方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊?。本課題

13、采用先產(chǎn)生方波—三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計方法。</p><p>　　由比較器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形</p><p>　　變換的原理

14、是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。</p><p>　　第2章 簡易信號發(fā)生器基本原理</p><p>　　函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以采用由運(yùn)放及分離元件構(gòu)成；也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，本課題介紹方波、三角波、正弦波函數(shù)發(fā)生器的方法。</p><p&g

15、t;　　2、1 RC橋式正弦波振蕩器（文氏電橋振蕩器）</p><p>　　圖為RC橋式正弦波振蕩器。其中RC串、并聯(lián)電路構(gòu)成正反饋支路，同時兼作選頻網(wǎng)絡(luò)，R1、R2、RW及二極管等元件構(gòu)成負(fù)反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)電位器RW，可以改變負(fù)反饋深度，以滿足振蕩的振幅條件和改善波形。利用兩個反向并聯(lián)二極管D1、D2正向電阻的非線性特性來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。D1、D2采用硅管（溫度穩(wěn)定性好），且要求特性匹配，才能保證輸出波形正、

16、負(fù)半周對稱。R3的接入是為了削弱二極管非線性的影響，以改善波形失真。</p><p><b>　　電路的振蕩頻率 </b></p><p><b>　　起振的幅值條件 </b></p><p><b>　　≥2　</b></p><p>　　式中Rf＝RW＋R2＋（R3 //

17、rD），rD — 二極管正向?qū)娮琛?lt;/p><p>　　調(diào)整反饋電阻Rf（調(diào)RW），使電路起振，且波形失真最小。如不能起振，則說明負(fù)反饋太強(qiáng)，應(yīng)適當(dāng)加大Rf。如波形失真嚴(yán)重，則應(yīng)適當(dāng)減小Rf。</p><p>　　改變選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)C或 R，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般采用改變電容C作頻率量程切換，而調(diào)節(jié)R作量程內(nèi)的頻率細(xì)調(diào)。</p><p>　　RC橋式正弦波振蕩器

18、</p><p>　　2、2 方波---三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理</p><p>　　方波---三角波轉(zhuǎn)換電路圖</p><p>　　圖所示的電路能自動產(chǎn)生方波—三角波。電路工作原理若下：若a點(diǎn)斷開，運(yùn)放A1與R1、R2及R3、RP3組織成比較器，R1成為平衡電阻，運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，及U_=0，同相端接輸入電壓Uia；比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+

19、Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓—VEE（|+Vcc|=|—VEE |）,當(dāng)比較器的U+=U-=0時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出U01從高電平+Vcc跳到低電平—VEE，或從低電平—VEE跳到高電平+Vcc。設(shè)U01=+Vcc，則</p><p><b>　?。?-2-1）</b></p><p>　　式子中，RP1指的是電位器（以下同）。 </p><p>

20、;　　將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限電位</p><p><b>　?。?-2-2）</b></p><p>　　若Uo1=—VEE，則比較器翻轉(zhuǎn)的上門線電位</p><p>　　（3-2-3） </p><p>　　比較器的門限寬度 </p><p><b

21、>　　(3-2-4)</b></p><p>　　由式子（3-2-1）～(3-2-4)可以得到比較器的電壓傳輸特性，如圖所示。</p><p>　　比較器的電壓傳輸特性</p><p>　　a點(diǎn)斷開后，運(yùn)放A2與R4、RP3、C2、及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波U01，則積分器的輸出</p><p><b>

22、;　　(3-2-5)</b></p><p>　　當(dāng)U01=+Vcc時， (3-2-6)</p><p>　　當(dāng)U01=-Vcc時， (3-2-7)</p><p>　　可見積分器輸入方波時，輸出是一個上升速率與下降速率相等的三角波，其波形如圖所示。</p>

23、<p><b>　　方波—三角波波形</b></p><p>　　當(dāng)a點(diǎn)閉合，即比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為</p><p><b>　　（3-2-8）</b></p><p><b>　　方波—三角波的頻率</b></p>&

24、lt;p><b>　　（3-2-9）</b></p><p>　　由式子（3-8）及（3-9）可以得出以下結(jié)論：</p><p>　　1.電位器RP2在調(diào)整方波—三角波的輸出頻率時，一般不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍比較寬，則可用C2改變頻率的范圍，RP2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。</p><p>　　2．方波的輸出幅度約等于電源電壓+

25、Vcc 。三角波的輸出幅度不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可以實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波—三角波的頻率</p><p>　　2、3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理</p><p>　　三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路圖</p><p>　　差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變

26、換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為： （3-3-1）</p><p>　　Ic1=aIE1=aIo/[1+e(-Uid/UT)] （3-3-2）</p><p><b>　　式中　　</b></p><p>　　——差分放大器的恒定電流；</p><

27、p>　　——溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25oc時，UT≈26mV。</p><p>　　如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為</p><p><b>　?。?-3-3）</b></p><p>　　式中　　Um——三角波的幅度；</p><p>　　T——三角波的周期。</p><p>　　將式（3

28、-3-3）代入式（3-3-2），得</p><p>　　4Um/T(t-T/4) (0<=t<=T/2)</p><p><b>　　Uid=</b></p><p>　　-4Um/T(t-3T/4) (T/2<=t<=T) （3-3-4） </p><p>　　波形變換過

29、程如下圖：</p><p>　　三角波——正弦波變換</p><p>　　為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：</p><p>　　傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；</p><p>　　三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。</p><p>　　圖為實(shí)現(xiàn)三角波——正弦波變換的電路。其中Rp3調(diào)節(jié)三角波的

30、幅度，Rp4調(diào)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C3,C4,C5為隔直電容，C6為濾波電容，以濾除諧波分波形量，改善輸出</p><p>　　2、4 電路的參數(shù)選擇與計算</p><p>　　2、4、1 方波-三角波部分</p><p>　　運(yùn)放A1與A2用741，因為方波的幅度接近電源電壓+VCC=+12V,-VEE=-12V.<

31、;/p><p>　　比較器A1與積分器A2的元件參數(shù)計算如下。</p><p><b>　　由式 （3-8）得</b></p><p>　　取 ，則R3+RP1=40KΩ，取，RP1為47KΩ的電位器。平衡電阻R1=R2∥(R3+RP1)=8k，取R1=8.2KΩ</p><p>　　由式（3-2-9）得</p>

32、<p>　　即R4+RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2)</p><p>　　當(dāng)100Hz≤f≤1kHz時， 取C2=0.1uF, 則10KΩ<R4+RP2<100KΩ,取R4=1k, RP2=100 k。 當(dāng)1kHz≤f≤10kH時，取C1=0.01uF以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻R5=10KΩ。</p><p>　　2、

33、4、2 三角波—>正弦波部分</p><p>　　1、差分放大器元件參數(shù)確定</p><p>　　取RC1=RC2=10 KΩ,RB1=RB2=6.8 KΩ,取I0=1.1mA, 而</p><p>　　I0=(RE4/RE3)IREF

34、 (3-4-1)</p><p>　　IREF=VEE-UBE/(RE4+R)=12-0.7/RE4+R (3-4-2)</p><p>　　取RE4=R=20 KΩ,代入(3-4-2)，得IREF=0.28 mA，將IREF=0.28 mA代入(3-4-1)，得RE3=5 KΩ</p><p>　　2、

35、三角波—>正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率不是很大，取C3=47uF，C4=C5=470uF，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。這里取C6=0.1Uf, RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R確定。</p><p&g

36、t;　　第3章 電路仿真</p><p><b>　　3、1 方波波形</b></p><p>　　上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時的情況，此時f≈208Hz，V≈22V。</p><p><b>　　3、2 三角波波形</b></p><p>　　上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時的情況

37、，此時f≈200Hz，V≈6V。</p><p><b>　　3、3 正弦波波形</b></p><p>　　上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時的情況，此時f≈214Hz，V≈1.2V。</p><p>　　3、4 方波---三角波轉(zhuǎn)換電路的仿真</p><p>　　上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時的情況，此時f≈

38、208Hz.</p><p>　　3、5 三角波---正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真</p><p>　　上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時的情況，此時f≈210Hz。</p><p>　　第4章 電路的安裝與調(diào)試</p><p>　　4、1 方波—三角波發(fā)生器的調(diào)試</p><p>　　由于比較器A1與積分器A2組成正反

39、饋閉環(huán)電路，同時輸出方波和正弦波，所以這兩個單元電路可以同時安裝。但是需要注意的是，在安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計值，否則會導(dǎo)致電路不起振。如果電路接線正確。則在接通電源后，A1輸出為方波，A2輸出為三角波，微調(diào)RP1，使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計指標(biāo)要求，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率連續(xù)可變。</p><p>　　4、2 三角波—正弦波變換的調(diào)試</p><p>　　1、差分

40、放大器傳輸傳輸特性曲線調(diào)試。將C4與RP3的連線斷開，經(jīng)電容C4輸入差模信號電壓uid=50mV，fi=10kHz的正弦波。調(diào)節(jié)RP4及電阻R，使傳輸特性曲線對稱。再逐漸增大uid，直到傳輸特曲線形狀如圖3-6所示，記下此時對應(yīng)的uid，即uidm值。移去信號源，再將C4左端接地，測量差分放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)Io、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。 </p><p>　　2、三角波-正弦波變換電路的調(diào)試。將R

41、P3與C4連接，調(diào)節(jié)RP3使三角波的輸出幅度經(jīng)由RP3 后輸出等于uidm值，這時U03的輸出波形應(yīng)接近正弦波，調(diào)整C6大小可以改善輸出波形。如果U03的波形出現(xiàn)如圖5-2-2所示的幾種正弦波失真，則應(yīng)調(diào)整和修改電路參數(shù)，產(chǎn)生失真的原因及采取的相應(yīng)措施有：</p><p>　?、夔娦问д?如圖（a）所示，傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬，應(yīng)減小RE2。</p><p>　　②半波圓頂或平頂

42、失真 如圖（b）如示，傳輸特性曲線對稱性差，工作點(diǎn)Q偏上或偏下，應(yīng)調(diào)整電阻R。</p><p>　?、鄯蔷€性失真如圖（c）所示，三角波的線性度較差引起的失真，主要受運(yùn)放性能的影響?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡(luò)（如C6=100pF）改善輸出波形。</p><p><b>　　4、3 誤差分析</b></p><p>　　1. 方波輸出電壓Vp-p≤

43、2Vcc，因為運(yùn)放輸出級是由NPN型或PNP型兩種晶體管組成的復(fù)合互補(bǔ)對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飽和導(dǎo)通，導(dǎo)通時輸出電阻的影響，使方波輸出幅度小于電源電壓值。</p><p>　　2. 方波的上升時間Tr，主要受到運(yùn)放轉(zhuǎn)換速度的限制。如果輸出頻率比較高，則可以接入加速器電容C（C一般為幾十皮法）?？梢杂檬静ㄆ鳎ɑ蛘呙}沖示波器）測量Tr。</p><p>　　4、4 PCB板圖：&

44、lt;/p><p>　　第5章 課程設(shè)計總結(jié)</p><p>　　該設(shè)計電路通過先產(chǎn)生方波-三角波，再將三角波變換成正弦波，最終把簡易信號發(fā)生器設(shè)計了出來。</p><p>　　在這幾周的簡易信號發(fā)生器課程設(shè)計期間，我遇到了平時從未有過的困難。因為課程設(shè)計不是某一方面的知識就可以完成的，而是多個知識點(diǎn)的結(jié)合，再與平時所學(xué)的理論知識相銜接。又因為自己所學(xué)的知識有限，要

45、設(shè)計出此電路需要花費(fèi)大量的時間去查找資料，一個人真的很難完成，但經(jīng)過兩周的艱苦努力，團(tuán)隊的默契配合，終于還是完成了課程設(shè)計的任務(wù)。</p><p>　　通過對函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，我學(xué)到了很多的知識，一方面，我掌握了常用元件的識別和測試方法；熟悉了常用的儀器儀表；以及如何提高電路的性能等等。另一方面，我深刻認(rèn)識到了“理論聯(lián)系實(shí)際”這句話的重要性與真實(shí)性。而且通過對此課程的設(shè)計，我不但知道了以前不知道的理論知識，而

46、且也鞏固了以前知道的知識。最重要的是在實(shí)踐中理解了書本上的知識，明白了學(xué)以致用的真諦。這段時間是我們小組在大學(xué)期間不可多得的美好記憶。它給了我們很多的感受和經(jīng)驗，讓我們在飽受酸甜苦辣的同時也體會到集體的力量和成功的喜悅。在我們以后的人生中，這些感受和經(jīng)驗將會充實(shí)我們的生活，美化我們的人生。通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)高頻電子線路方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于<

47、/p><p>　　找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足，實(shí)踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。</p><p>　　由于這次課程設(shè)計的時間特別緊張，加之臨近期末考試，所以給我們各個方面都帶來了很大的壓力，一方面我們要準(zhǔn)備考試；另一方面又要復(fù)習(xí)之余的時間里查找資料，加上自己知識掌握的不牢固，所以難免有不足之處，還請老師多多</p>&

48、lt;p><b>　　諒解。</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1、 康華光 電子技術(shù)基礎(chǔ) 5版 北京：高等教育出版社 2006</p><p>　　2、 電路設(shè)計Protel 99及仿真 北京 中國鐵道出版社 曾祥富主編 2000</p><p>　　

49、3、 Protel 99 SE 原理圖與PCB及仿真 清源計算機(jī)工作室 編著 機(jī)械工業(yè)出版社 2004.1</p><p>　　4、 Multisim電路仿真 王林根主編 高等教育出版社 2003</p><p>　　5、 《電子線路設(shè)計·實(shí)驗·測試》華中科技大學(xué)出版社</p><p>　　6、胡宴如.模擬電子技術(shù) (第二版).高等教育出版社 2

50、006</p><p>　　7、謝自美.電子線路設(shè)計.實(shí)驗.測試(第二版).華中科技大學(xué)出版社 2000</p><p>　　8、電子電路大全(合定本).中國計量出版社 1991</p><p>　　9、郝鴻安.常用模擬集成電路手冊.人民郵電出版社 1991</p><p><b>　　附錄</b></p&g