模电函数信号发生器课程设计报告

第三章 电路仿真及实验结果 3.1 方波发生电路仿真及结果 3.2 方波--三角波发生电路仿真及结果 3.3 三角波--正弦波转换电路仿真及结果
第四章 结论 第五章 参考文献 第六章 附录
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前言
一 课程设计的目的 1．掌握电子系统的一般设计方法。 2．培养综合应用所学知识来指导实践的能力 二 课程设计的任务与要求 1．仔细分析产品的功能要求，利用互连网、图书、杂志查阅资 料，从中提取相关和最有价值的信息、方法。 （1）设计总体方案。 （2）设计单元电路、选择元器件、根据需要调整总体方案。 （3）计算电路（元件）参数。 （4）绘制总体电路初稿。 （5）上机在 Mulitisim（或 EDA）电路实验仿真。 （6）绘制总体电路。 2．独立书写课程设计报告。 三 课程设计的技术指标 1.设计、组装、调试函数发生器； 2.输出波形：正弦波、方波、三角波； 3.频率范围：在 10－10000Hz 范围内可调； 4.输出电压：方波 Up-p<=24V，三角波 Up-p＝8V，正弦波 Up-p>1V
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图 2.5 总电路图
三．电路仿真及结果
（一）方波发生电路的仿真及结果 方波如图 3.1：频率约为 100HZ，Up-p 约为 20V。
图 3.1
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（二）方波--三角波发生电路仿真及结果 三角波如图 3.2：频率约为 100HZ，Up-p 约为 8V。
（二）三角波--正弦波转换电路的工作原理
图 2.4 三角波--正弦波原理图 三角波——正弦波的变换电路主要积分环节完成的。 将三角波变成正弦波是经过一个非线性的变换网络（正弦波 变换器）而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波点位向两 端顶点摆动时，网络提供的电流同路阻抗会变小，这样就使三角
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图 3.2 方波-三角波如图 3.3：
图 3.3
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C2 为 1uf 时的方波--三角波如图 3.4：频率约为 10HZ。
图 3.4 （三）三角波--正弦波转换电路的仿真及结果 正弦波如图 3.5：频率约为 100HZ，Up-p 约为 3V。
图 3.5
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三角波正弦波如图 3.6：
图 3.6
四．结论
课程设计是继专业理论学习和实验教学之后又一重要的实 践性教学环节。它的任务是在学生掌握和具备电子技术知识与单 元电路的设计能力之后，综合所学知识进一步学习电子电路系统 的设计方法和实验方法，为今后从事电子技术领域的工程设计打 好基础基本要求。
将所有需要输出的波形调到任务的要求是这部分设计最麻 烦的地方，同时也是计算最多的地方。根据方波、三角波和正弦 波所需要输出的波形的幅值的要求，需要换许多次电容和电阻， 每次调整三角波幅值的变化时，都会改天其频率，最后将电容 C2 变成可变电容器，使得其能改变输出波的频率而未改变其幅值的 大小。另一个问题是方波和三角波的图形稳定，而正弦波的幅值
图 1.1
（二） 电路设计方案设计 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同样通过积分环节。
二．各部分电路设计
（一）方波--三角波发生电路的工作原理 方波--三角波信号产生的基本电路如图 2.1 所示：
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图 2.1 电路工作原理如下：若 a 点断开，运算发大器 A1 与 R1、R2 及 R3、RP1 组成电压比较器，R1 为平衡电阻，R3、RP1 为正反 馈元件，C1 为加速电容，可加速比较器的翻转（可不加该电容， 本设计中无该电容）。运放的反相端接基准电压，即 V-=0，同 相输入端接输入电压 Via。比较器的输出 Vo1 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 V+ =V- =0 时，比较器翻转，输出信号 Vo1 从高 电平+Vcc 跳到低电平-Vee,或者从低电平-Vee 跳到高电平+Vcc。 设 Vo1=+Vcc。 设 Vo1=+Vcc,则：
【2】邱关源.《电路》（第五版）.高等教育出版社.2006.5 【3】李万臣.《模拟电子技术基础实验与课程设计》.哈尔 滨工程大学出版社.2001
六．附录
元件清单：
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式中，RP1 指电位器的调整值（以下同），将上式整理，得 比较器的下门限电位：
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若 Vo1=-Vee，则比较器的上门限电位： 比较器的门限宽的 Vh 为： 由式 1--式 4 可得比较器的电压传输特性，如图 2.2 所示：
图 2.2 比较器电压传输特性 a 点断开后，运放 A2 与 R4、RP2、C2 及 R5 组成反相积分 器，其输入信号为方波 Vo1，则积分器的输出： 当 Vo1=+Vcc 时：
波的两端变为平滑的正弦波输出。 （三）电路的参数选择及计算 1.方波-三角波中电容 C2 变化 C2 在 0.1uf 左右，方波频率约为 100HZ，结合图 2.5 及 3.4，
当 C2 为 1uf 时，频率较低约为 10HZ，波形较难观察。 2.三角波-正弦波部分 比较器 A1 与积分器 A2 的元件计算如下 由式 8 得
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一．电路设计总方案及原理框图
（一）电路设计原理框图 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。我们通过对电路的分析，参数 的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提 下保证经济、方便、优化的设计策略。电路设计原理框图如图 1.1 所示：
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（1）电位器 RP2 在调整方波—三角波的输出频率时，不会 影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用 C2 改 变频率的范围，PR2 实现频率微调。
（2）方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出 幅度应不超过电源电压+Vcc。电位器 RP1 可实现幅度微调，但会 影响方波-三角波的频率。
关键词：函数发生器 集成运放 比较器 积分器
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目录
前言 1 课程设计的目的 2 课程设计的任务与要求 3 课程设计的技术指标
第一章 电路设计总方案及原理框图 1.1 电路设计原理框图 1.2 电路设计方案
第二章 各部分电路设计 2.1 方波--三角波发生电路的工作原理 2.2 三角波--正弦波转换电路的工作原理 2.3 电路的参数选择及计算 2.4 总电路图
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当 Vo1=-Vcc 时：
可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速 度相等的三角波，其波形关系图 2.3 所示。
图 2.3 方波--三角波 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： 方波--三角波频率： 由此可得以下结论：
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再不断上升。在反复改变与其有关的电容和电阻后仍然出现这样 的状况，而且输出幅值非常低，最终放弃了用差分式放大电路， 换用积分电路替换，输出波形果然稳定了，可是同样出现了幅值 不够的问题，最终选择了反向比例放大使输出幅值放大。
五．参考文献
【1】童诗白.《模拟电子技术基础》（第四版）.高等教育 出版社.2006.5
取 R2=10K,则 R3+RP1=30K,取 R3=20K，RP1 为 50K 的电位器， 取平衡电阻 R1=R2/(R3+RP1)=10K
由输出频率的式 9 得
当 10hz ≤f ≤10000hz，取 C2=0.1uf,R4=5.1K,RP2=100K。 三角波—正弦波变换电路的参数选择原则是：根据不同频率 段的输入的三角波变更换第二个积分环节的电容大小，根据需要 控制反向放大器的放大倍数以得到符合要求的幅值。 （四）总电路图 如图 2.5 所示：
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函数发生器设计
姓
名
专
业
班
级
学
号
指导教师
电子通信与物理学院电子信系 2015 年 月 日
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摘要
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。函数发生器有很宽的频 率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信号源。可以 用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域， 如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇 航等。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(如低频信号函数发生器 S101 全部采用 晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块 8038)。
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 由集成运算放大器组成的方波--三角波--正弦波函数发生器的 设计方法。
本课题中函数发生器电路组成框图如下所示： 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同样由 积分环节来完成。电压比较器实现方波的发生，方波通过积分环 节可以将方波变换成三角波，同样将三角波通过积分环节可将三 角波变换成正弦波。