模电课程设计-简易信号发生器

湖南工学院 模电课程设计

课题名称：简易信号发生器设计

专业名称：电气自动化

学生班级：电气0801班

学生姓名：刘品田

学生学号：08400130130

指导教师：胡新晚 小组成员：刘品田 张强 杨叶

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第一章 设计的目的及任务………………………………………………(3)

1.1 课程设计的目的…………………………………………………(3) 1.2 课程设计的任务…………………………………………………(3) 1.3 课程设计的技术指标……………………………………………(3) 第二章 函数发生器的总方案及原理框图………………………………(3) 2.1 电路设计原理框图………………………………………………(3) 2.2函数发生器的总方案……………………………………………•(4)

第三章 单元电路设计……………………………………………………(4) 3.1 方波发生电路的工作原理………………………………………•(4) 3.2 方波---三角波转换电路的工作原理…………………………‥(5) 3.3 三角波---正弦波转换电路的工作原理………………………‥(8) 3.4电路的参数选择及计算…………………………………………•(10) 3.5 总电路图………………………………………………………… (11) 第四章 电路仿真…………………………………………………………(12) 4.1 矩形波波形………………………………………………………•(12) 4.2 三角波波形………………………………………………………(13) 4.3 正弦波波形………………………………………………………(15) 4.4方波---三角波转换电路的仿真…………………………………(16) 4.5 三角波---正弦波转换电路的仿真……………………………(17) 4.6 仿真结果分析……………………………………………………(19) 第五章 电路的安装与调试………………………………………………(19) 5.1 静态调试…………………………………………………………(19) 5.2 动态调试…………………………………………………………(19) 5.3 调试中的注意事项………………………………………………(20) 5.4 误差分析…………………………………………………………(21) 第六章 课程设计总结……………………………………………………(21) 第七章 元器件明细清单及PCB板图……………………………………(22) 第八章 参考文献…………………………………………………………(23)

目录

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第一章 设计的目的及任务

1.1 设计目的

1.11掌握电子系统的一般设计方法 1.12掌握模拟IC器件的应用

1.13培养综合应用所学知识来指导实践的能力 1.14掌握常用元器件的识别和测试

1.15 熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法 1.2设计任务

设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器 1.3课程设计的要求及技术指标 1.31设计、组装、调试函数发生器 1.32输出波形：正弦波、方波、三角波；

1.33频率范围 ：在100Hz－1KHz，1 KHz-10 KHz范围内可调 ；

1.34输出电压：方波UＰ－Ｐ≤24V，三角波UＰ－Ｐ＝6V，正弦波UＰ－Ｐ=1V；方波tr

小于1uS。

第二章 函数发生器的总方案及原理框图

2.1 原理框图

图2-1

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2.2 函数发生器的总方案

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题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。

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，

本课题中函数发生器电路组成如下所示：

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。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，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。

第三章 单元电路设计

3.1 方波发生电路的工作原理

此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Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位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,再稍增大，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，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，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

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3.2 方波---三角波转换电路的工作原理

图3-2

图3-2所示的电路能自动产生方波—三角波。电路工作原理若下：若a点断开，运放A1与R1、R2及R3、RP3组织成比较器，R1成为平衡电阻，运放的反相端接基准电压，及U_=0，同相端接输入电压Uia；比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+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U01从高电平+Vcc跳到低电平—VEE，或从低电平—VEE跳到高电平+Vcc。设U01=+Vcc，则 U

式子中，RP1指的是电位器（以下同）。

将上式整理，得比较器翻转的下门限电位 UiaR2R2(VCC)VCC （3-2-2）

R3RPR3RP11R3RPR21(VCC)Uia0 （3-2-1）

R2R3RPRRRP1231若Uo1=—VEE，则比较器翻转的上门线电位

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UiaR2R2(VEE)VCC （3-2-3）

R3RPRRP131 比较器的门限宽度

UHUiaUia2R2ICC (3-2-4)

R3RP1 由式子（3-2-1）～(3-2-4)可以得到比较器的电压传输特性，如图所示。

图3-3

a点断开后，运放A2与R4、RP3、C2、及R5组成反相积分器，其输入信号为

方波U01，则积分器的输出 Uo21Uo1dt (3-2-5) (R4RP1)C2当U01=+Vcc时， Uo2VCCt (3-2-6)

(R4RP1)C2VEEt (3-2-7)

(R4RP1)C2当U01=-Vcc时， Uo2可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图所示。

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图3-4 方波—三角波波形

当a点闭合，即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方波—三角波的频率 fR3RP1 （3-2-9）

4R2(R4RP2)C2R2VCC （3-2-8）

R3RP1由式子（3-8）及（3-9）可以得出以下结论：

1.电位器RP2在调整方波—三角波的输出频率时，一般不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围比较宽，则可用C2改变频率的范围，RP2实现频率微调。

2．方波的输出幅度约等于电源电压+Vcc 。三角波的输出幅度不超过电

源电压+Vcc。电位器RP1可以实现幅度微调，但会影响方波—三角波的频率

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3.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理

三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。

原理图如下：

图3-5 方波-正弦波函数发生器实验电路

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 （3-3-1） Uid/UT1eid

Ic1=aIE1=aIo/[1+e(-U

/UT)

] （3-3-2）

式中 aIC/IE1

I0——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

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4UmTTt4Uid

4Umt3T4TT0t2 （3-3-3）  TtT2式中 Um——三角波的幅度； T——三角波的周期。 将式（3-3-3）代入式（3-3-2），得

4Um/T(t-T/4) (0<=t<=T/2) Uid= -4Um/T(t-3T/4) (T/2<=t<=T) （3-3-4）

波形变换过程如下图：

图3-6

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为使输出波形更接近正弦波，由图可见： （1） 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

（2） 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

（3） 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RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分波形量，改善输出

3.4 电路的参数选择与计算 3.4.1方波-三角波部分 角波部分 波部分 部分 分

运放A1与A2用741，因为方波的幅度接近电源电压+VCC=+12V,-VEE=-12V. 比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下。 由式 （3-8）得

R2Vo2m31

R3RP1Vcc124取 R210K，则R3+RP1=40KΩ，取R320K，RP1为47KΩ的电位器。平衡

电阻R1=R2∥(R3+RP1)=8k，取R1=8.2KΩ

R3RP1

4R2(R4RP2)C2由式（3-2-9）得f即R4+RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2)

当100Hz≤f≤1kHz时， 取C2=0.1uF, 则10KΩ- 10 -

3.42三角波—>正弦波部分

1 差分放大器元件参数确定

取RC1=RC2=10 KΩ,RB1=RB2=6.8 KΩ,取I0=1.1mA, 而

I0=(RE4/RE3)IREF (3-4-1) IREF=VEE-UBE/(RE4+R)=12-0.7/RE4+R (3-4-2)

取RE4=R=20 KΩ,代入(3-4-2)，得IREF=0.28 mA，将IREF=0.28 mA代入(3-4-1)，得RE3=5 KΩ

2三角波—>正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率不是很大，取C3=47uF，C4=C5=470uF，滤波电容C6视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，C6可取得较小，C6一般为几十皮法至0.1微法。这里取C6=0.1Uf, RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R确定。

3.5 总电路图

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图3-7 三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路

先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。

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第四章 电路仿真

4.1方波波形

图4-1

上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈208Hz，V≈22V

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图4-2

上图所示为开关打到C1=0.01uF时的情况，此时f≈1923Hz，Vp-p≈22V

4.2三角波波形

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图4-3

上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈200Hz，V≈6V

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图4-4

上图所示为开关打到C1=0.01uF时的情况，此时f≈1923Hz，Vp-p≈6.3V

4.3正弦波波形

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图4-5

上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈214Hz，V≈1.2V

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图4-6

上图所示为开关打到C1=0.01uF时的情况，此时f≈2000Hz，Vp-p≈1V

4.4方波---三角波转换电路的仿真

图4-7

上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈208Hz.

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图4-8

上图所示为开关打到C1=0.01uF时的情况，此时f≈1923Hz .

4.5 三角波---正弦波转换电路的仿真

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图4-9

上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈210Hz

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图4-10

上图所示为开关打到C1=0.01uF时的情况，此时f≈1923Hz

以上图形都是在调好RP2后且RP2基本不变的基础上得到的波形。

4.6 仿真结果分析

4.5.1 由仿真结果可知：只要通过控制单刀双掷开关就可以实现频率波段的转换，而且可以看出当RP2在调好后基本不变时，当开关打到C1输出波形的频率大体上是开关打到C2时的10倍，基本达到了设计电路的预期效果。同时也可以看出在频率.幅值.波形稳定度等方面都产生了一定的误差。

第五章 电路的安装与调试

5.1 静态调试

整个电路连接完之后，就可以对该电路进行调试和检测了，以发现和纠正设计方案的不足之处。

在进行调试和测试之前，首先要对电路进行检查。对照原理图按顺序一一检查，以免产生遗漏。以元件作为中心进行检查，把每个元器件的引脚依次检查，看是否有接错线或者漏接等问题，为了防止出现错误，最好对已经检查好的线路在原理图上做好标记，倘若线路检查无误，则可以对线路进行调试和测试了。 用万用表适当的档位对线路进行测试，看线路是否有短路或者断路等问题，如果出现错误，就立即进行改进，修改再进行调试。

5.2 动态调试

5.2.1 方波—三角波发生器的调试

由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波和正弦波，所以这两个单元电路可以同时安装。但是需要注意的是，在安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，否则会导致电路不起振。如果电路接线正确。则在接通电源后，A1输出为方波，A2输出为三角波，微调RP1，使三角波的输出幅度满足设计指标要求，调节RP2，则输出频率连续可变。

5.2.2 三角波—正弦波变换的调试

1）差分放大器传输传输特性曲线调试。将C4与RP3的连线断开，经电容C4输入差模信号电压uid=50mV，fi=10kHz的正弦波。调节RP4及电阻R，使传输特

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性曲线对称。再逐渐增大uid，直到传输特曲线形状如图3-6所示，记下此时对应的uid，即uidm值。移去信号源，再将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作点Io、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。

2）三角波-正弦波变换电路的调试。将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出幅度经由RP3 后输出等于uidm值，这时U03的输出波形应接近正弦波，调整C6大小可以改善输出波形。如果U03的波形出现如图5-2-2所示的几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的相应措施有：

①钟形失真 如图5-2-2（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小RE2。

②半波圆顶或平顶失真 如图5-2-2（b）如示，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R。

③非线性失真 如图图5-2-2（c）所示，三角波的线性度较差引起的失真，主要受运放性能的影响。可在输出端加滤波网络（如C6=100pF）改善输出波形。

图5-2-2 几种正弦波失真

5.3 调试中的注意事项

为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点： (1)正确使用测量仪器的接地端

（2）测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。 （3）仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。

(4）用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。 （5）调试过程中，不但要认真观察和测量，还要记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠实验记

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录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。 （6）调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问 题就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。我们应该认真检查。调试结果是否正确，在很大程度上受测量正确与否和测量精度的影响。

5.4 误差分析

1. 方波输出电压Vp-p≤2Vcc，因为运放输出级是由NPN型或PNP型两种晶体管组成的复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，导通时输出电阻的影响，使方波输出幅度小于电源电压值。 2. 方波的上升时间Tr，主要受到运放转换速度的。如果输出频率比较高，则可以接入加速器电容C（C一般为几十皮法）。可以用示波器（或者脉冲示波器）测量Tr。

第六章 课程设计总结

该设计电路通过先产生方波-三角波，再将三角波变换成正弦波，最终艰难而曲折的把简易信号发生器设计了出来

该设计电路的优点是输出波形的频率和幅度都连续可调。缺点是在调节频率的过程中正弦波的幅度会有所改变，而且波形的稳定度和失真度都会有很大的变化，这也就增加了电路调节的难度，在制成PCB板后才突然醒悟在比较器部分应该接入一个加速电容C,用来加速比较器的翻转。因此而留下了很多遗憾。总之，由于知识的有限，仿真结果不可避免的和设计要求产生了一定的偏差。

在这几周的简易信号发生器课程设计期间，我遇到了平时从未有过的困难。因为课程设计不是某一方面的知识就可以完成的，而是多个知识点的结合，再与平时所学的理论知识相衔接。又因为自己所学的知识有限，要设计出此电路需要花费大量的时间去查找资料，一个人真的很难完成，但经过两周的艰苦努力，团队的默契配合，终于还是完成了课程设计的任务。

通过对函数信号发生器的设计，我学到了很多的知识，一方面，我掌握了常用元件的识别和测试方法；熟悉了常用的仪器仪表；以及如何提高电路的性能等等。另一方面，我深刻认识到了“理论联系实际”这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。

由于这次课程设计的时间特别紧张，加之临近期末考试，所以给我们各个方面都带来了很大的压力，一方面我们要准备考试；另一方面又要复习之余的时间里查找资料，加上自己知识掌握的不牢固，所以难免有不足之处，还请老师多多谅解。

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第七章 元器件明细清单及PCB板图

元器件明细清单如下 名称 运放 电阻 规格 741 1KΩ 5 KΩ 6.8 KΩ 10 KΩ 8.1 KΩ 20 KΩ 100 KΩ 电位器 47 KΩ 100 Ω 100 KΩ 电容 470μF 47μF 0.1μF 0.01μF 三极管 单刀双掷开关 9013 ——

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