函数发生器课程设计报告

2010级通信工程

《模拟电路》课程设计报告

设计题目 函数发生器设计 刘俊君 20100343019

姓名及

李亚琪 20100343062 学号

张蓝心201003430

学院 工程技术学院 专业 通信工程 班级 2010级4班 指导教师

薛世华

2012年06月04日

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题目：函数发生器设计

一、设计题目及要求 1、设计题目 利用运放和分立元器件设计一函数信号发生器，能输出正弦波、三角波、方波。 2、设计要求 （1）基本要求 ①输出频率：f=1KHz±10Hz； ②输出幅度：正弦波VP-P≥0~14V；三角波VP-P≥0~7V；方波VP-P≥0~14V； ③输出阻抗：Ro≤100Ω； ④输出：正弦波失真度D≤5%； 三角波非线性r≤5%； 方波上升时间tr≤10us； ⑤稳定度：时间30分钟，频率漂移≤5%。 （2）发挥部分 ①用三端稳压器自制电源； ②增加频率显示功能； ③进一步提高指标精度。 指导教师签名：

2012年 月 日 二、指导教师评语 指导教师签名： 2012年 月 日 三、成绩 验收盖章 2012年 月 日 2

目录

一、 设计要求 ................................................................................................................................. 1 二、 设计任务 ................................................................................................................................. 1 三、实验原理 ................................................................................................................................... 2 四、电路设计 ................................................................................................................................... 2

1.电路设计原理框图 ................................................................................................................ 2 2. 电路方案设计 ...................................................................................................................... 2 五、 各组成部分的工作原理 ......................................................................................................... 3

1. 方波发生电路的工作原理 .................................................................................................. 3 2. 方波---三角波转换电路的工作原理 .................................................................................. 4 3. 三角波---正弦波转换电路的工作原理 .............................................................................. 6 4. 电路的参数选择及计算 ...................................................................................................... 8 六． 电路仿真 ............................................................................................................................... 11

1. 方波---三角波发生电路的仿真 ........................................................................................ 11 2. 三角波---正弦波转换电路的仿真 .................................................................................... 12 七、电路板的制作及电路焊接与调试 ......................................................................................... 13 八、在调试及组装电路过程中出现的问题及解决方法 ............................................................. 13 九、心得体会 ................................................................................................................................. 13 十、参考文献 ................................................................................................................................. 14 十一、鸣谢..................................................................................................................................... 14 十二、 附录 ................................................................................................................................... 14

1原件清单 .............................................................................................................................. 14 2作品照片 .............................................................................................................................. 16

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通信工程专业《模拟电路》课程设计

函数发生器的设计

引言

函数发生器是一种多波形的信号源。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。有的函数发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制。

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。

一、设计要求

（1）基本要求

①输出频率：f=1KHz±10Hz；

②输出幅度：正弦波VP-P≥0~14V；三角波VP-P≥0~7V；方波VP-P≥0~14V； ③输出阻抗：Ro≤100Ω； ④输出：正弦波失真度D≤5%；

三角波非线性r≤5%； 方波上升时间tr≤10us；

⑤稳定度：时间30分钟，频率漂移≤5%。 （2）发挥部分

①用三端稳压器自制电源； ②增加频率显示功能； ③进一步提高指标精度。

二、设计任务

（1）根据设计指标及要求选择电路形式，画出原理电路图； （2）选择元器件型号及参数，并列出器件清单；

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（3）利用protel99软件仿真，并在通用板上组装焊接电路； （4）完成电路的测试与调整，使有关指标达到设计要求； （5）写出设计总结报告。

三、实验原理

本课题中函数发生器电路组成如框图1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。

图1 函数发生器电路组成方框图

四、电路设计 1.电路设计原理框图

如图1所示

2.电路方案设计

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（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也

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可以采用集成电路（如单片函数发生器模块）。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组成方案如下所示：

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。

五、各组成部分的工作原理

1. 方波发生电路的工作原理

工作电路如图2所示，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U0UZ则同相输入端电位UPUT。U0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

Un趋于Uz；U0从Uz渐增高，当t趋于无穷时，但是，一旦UnUt再稍增大，

跃变为UZ,与此同时UP从Ut跃变为Ut。随后，U0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=Uz,再减小，U0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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图2 方波发生电路

2. 方波---三角波转换电路的工作原理

C1R1241R2R35Rp1 50% 50%1R173U13R4Rp2245U2 图3 方波-三角波转换电路 4R2R4Rp2C1R2 UT Uo2m TR3Rp1R3Rp1

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工作原理如下：

如图3所示，若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比

C1为加速电容，较器，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U=0，

同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。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Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平

Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+Vcc,则

UR3RPR21(VCC)Uia0 R2R3RPR2R3RP11将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为

UiaR2R2(VCC)VCC R3RPR3RP11若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为

UiaR2R2(VEE)VCC R3RPRRP131R2ICC

R3RP1比较器的门限宽度UHUiaUia2由以上公式可得比较器的电压传输特性，a点断开后，运放A2与R4、RP2、

C1及R17组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为

Uo21Uo1dt RRPC421VccVccU02ttR4RP2C1R4RP2C1

UO1VCC时，

UO1VEE时，U02VCCVEEtt

R4RP2C1R4RP2C1

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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，a点闭合，既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R2VCC

R3RP1R3RP1

4R2R4RP2C1方波-三角波的频率f为f由以上两式可以得到以下结论：

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C1改变频率的范围，RP2实现频率微调。

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。

3. 三角波---正弦波转换电路的工作原理

图4 三角波-正弦波转换电路

如图4所示，三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。 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

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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式中aIC/IE1

I0——差分放大器的恒定电流；

aI0aI0 IaIC1E1Uid/UTUid/UT1e1eUT——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

4UmTTt4Uid 4Umt3T4TT0t2  TtT2式中Um——三角波的幅度； T——三角波的周期。

为使输出波形更接近正弦波，由图6可见： 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

RP2图5为实现三角波——正弦波变换的电路。其中RP1调节三角波的幅度，C2，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C1，C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

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VCC-12VR5R6C5C2IO2C4R12R14R7R13 50%R8R9VCCR11-12V

图5 三角波-正弦波变换电路的仿真图

图6 三角波-正弦波变换

4. 电路的参数选择及计算

（1）方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一）

实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C1从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C1=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。

（2）三角波-正弦波部分

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比较器A1和积分器A2的元件计算如下。 由式（3-61）得UO2mR2VCC

R3RP1即

UR241O2m

R3RPVCC1231取R210K，则R3RP130K，取R320K，RP1为47KΩ的点位器。区平衡电阻R1R2//(R3RP1)10K

由式

fR3RP1

4R2R4RP2C1

可知当1HZf10时，取C1=10uF，则R4RP2(75~7.5)k，取

R45.1k，为100KΩ电位器。当10HZf100时，取C1=1uF以实现频率

波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻R17为10千欧。

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，因为输出频率很低，取C3C4C5470F，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。

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

的几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。

5. 总电路图 （见下页）

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Port423R110KR417547u1U1A47uC2R72C3Q18050381R3321KRp331+15pVR147kRb16.8KR6LM35812K51K220K100R820012回差电压调节213331123CON3-15V图7三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路的仿真图 100KC1Rc210K0.033uU1B3Rp210K6Q225.1k100uRe22K1

R5防止直流增益过高而破坏静态工作点，需要实际调试决定+15VR5C40.1ufC547u-15V2R21310KLM358总电阻15KRe18050Rb26.8KR9Q38.2K22Q48050C6+15VJ1100u8050Re32KC7-15V 10

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。

六．电路仿真

1. 方波---三角波发生电路的仿真

图8 方波仿真波形

图9 三角波仿真波形

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图10 方波——三角波仿真波形

2. 三角波---正弦波转换电路的仿真

图11三角波---正弦波转换仿真电路

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七、电路板的制作及电路焊接与调试

采用分别调试各个单元模块的方法，分别用示波器、15V直流电源、万用表等等仪器。电路板运用protel99se软件首先画好电路原理图，然后找出每个电路元器件的封装形式，在进行ERC校验看是否有错，确定没错再生成PCB图，由于有两个元器件是自己做的封装首先必须先添加自己的库文件然后在生成PCB版。接下来就是对PCB进行布线的操作，由于电路图简单所以采用手动布线布线。

实际电路板的制作运用已经布线好的PCB到实验机房制作电路板，电路板经过了锯面包板、钻孔、打印、高温附印、电解液腐蚀、防腐蚀等几个步骤，对做好的PCB电路板进行元器件的安装，然后就是焊接，焊接要防止虚焊脱焊等等。

八、在调试及组装电路过程中出现的问题及解决方法

1.在后面的保护电路中，有两个电解电容的极性连接错误，导致接上电源后发生电容爆炸，最后重新换了电容连接才成功。

2.当各个模块连接到一起时。由于要把输入输出线连接在一起从新焊接致焊锡脱落，与另一底线端连接。发生短路现象，导致无电压输出，无显示。后经检查电路发现错误并改正，电压表显示部分显示正常。

3.三角波位置输出电压太小，导致波形的幅度太小，后来，经过将R6改成10K电阻，才成功调试。

4．在最后一个三极管Q4处，有一条导线忘记接，导致后面没有偏正，后经检验才发现错误，并改正。

5.在正弦波输出处，由太多杂波，后将C4改成470pf才改善此问题。

九、心得体会

此次课程设计经历了设计方案，设计方案，画出PDF图，布局，焊接，调试，，几个过程。在其中我们遇到了很多的挫折，曾一度放弃这个设计。但是最后我们还是坚持下来了。曾记得，那几个夜晚在实验室中看着那些图纸一个个想，一个个设计的样子，当我们的作品做好的那一瞬间，惊喜浮上心间。一种从未有过的成就感出现了。同时，在此次课程设计中，我们对《模拟电路》这门课程有

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了更深入的了解，让我们不再是纸上谈兵，实际操作跟能发现并且纠正很多问题。并且掌握了很多工具的使用及电路的基本调试能力。

十、参考文献

1、康华光，电子技术基础，模拟部分（第五版），高等教育出版社 2、LM358、TIP41的pdf资料

十一、鸣谢

本课程设计在设计过程中得到薛世华老师和的悉心指导，为我们指点迷津，并且及时帮助我们指出并改正设计过程中出现的错误。在调试过程中感谢胡仲秋老师帮助我们完成设计。老师们一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，教会了我们对待一件事情的应有的正确的态度，同时也让我们顺利的完成了课程设计。在此，深深的感谢胡仲秋老师和薛世华老师对我们的悉心的指导。

十二、附录

1原件清单

100u 100u 47u 47u 47u 0.033u 0.1u 1K 100 100K 10K 10K 10K C6 C7 C5 C2 C3 C1 C4 Rp3 Re1 R5 Rc2 R2 R1 RB.1/.2 RB.1/.2 RB.1/.2 RB.1/.2 RB.1/.2 RAD0.1 RAD0.1 自制 AXIAL0.3 AXIAL0.3 AXIAL0.3 AXIAL0.3 AXIAL0.3 电解电容（16V） 电解电容（16V） 电解电容（16V） 电解电容（16V） 电解电容（16V） 电容 电容 电位器 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 14

12K R6 AXIAL0.3 电阻 220K R3 AXIAL0.3 电阻 2K Re3 AXIAL0.3 电阻 2K Re2 AXIAL0.3 电阻 5.1K R4 AXIAL0.3 电阻 51K R7 AXIAL0.3 电阻 6.8K Rb2 AXIAL0.3 电阻 6.8K Rb1 AXIAL0.3 电阻 8.2K R9 AXIAL0.3 电阻 CON3 J1 SIP3 连接器 8050 Q1 TO-92 三极管（NPN） 8050 Q2 TO-92 三极管（NPN） 8050 Q3 TO-92 三极管（NPN） 8050 Q4 TO-92 三极管（NPN） 200 R8 SIP3 微调电阻（3296） 10K Rp2 SIP3 微调电阻（3296） 50K Rp1 SIP3 微调电阻（3296） LM358 U1 DIP8 运放

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2作品照片

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