模拟电子技术基础课程设计说明书函数信号发生器设计

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1、武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 I 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 题题 目：目：正弦波三角波方波函数发生器 初始条件：初始条件： 具备模拟电子电路的理论知识； 具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。 要求完成的主要任务：要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、频率范围三段：10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz； 2、正弦波 U3V，三角波 U5V，方波 U14V；

2、 3、幅度连续可调，线性失真小； 4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书 概述概述 这一学期刚学习了模电课程，为进一步掌握模电的基本理论及实验调试技术， 本小组进行了这次课程设计，主要说明采用运算放大器与独立的模拟器件共同组成的正弦波方波三角波函数发生器的设计方法与调试。在研制、生产、武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 II 测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。 产生正弦

3、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。本课设采用先产生正弦波，再将正弦波变换成方波，然后由积分电路把方波变成三角波。 关 键 字关 键 字 ： 模 拟 电 子 技 术 基 础 ， 正 弦 波 ， 方 波 ， 三 角 波武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 1 1 课程设计的目标与设计任务 1.1 设计的目标 1) 培养综合应用所学知识来指导实践的能力； 2) 了解集成电路和集成运放的基本知识； 3) 学会使用仿真软件对电路进行仿真； 4) 理解

4、函数信号发生器的组成框图及工作流程； 5) 会制作函数信号发生器； 6) 能用仪器、仪表调试、测量函数信号发生器的主要指标。 1.2 设计的要求 1) 设计电路原理图并画出； 2) 能同时输出一定频率一定幅度的 3 种波形：正弦波、和三角波； 3) 输出正弦波时， 输出电压峰峰值为 3V， 输出波形频率为 10Hz10KHz 可调； 4) 输出方波时，输出波形峰峰值 14V，输出波形频率为 10Hz10KHz 可调； 5) 输出三角波时，输出波形峰峰值 5V，输出波形频率为 10Hz10KHz 可调。 6) 对电路进行仿真和调试； 7) 在制作过程中发现问题并能解决问题 武汉理工大学模拟电子技

5、术基础课程设计说明书 2 2 单元电路的设计与调试 2.1 正弦波产生电路 2.1.12.1.1 正弦波振荡器的基本结构与工作原理 正弦波振荡器是一个没有输入信号， 依靠自激振荡产生正弦波输出信号的电路，它由一个基本放大器和一个带有选频功能的正反馈网络组成。 电路接通电源的一瞬间，由于电路中电流从零突变到某一值，它包含着很多的交流谐波，经选频网络选出频率为 fo 的信号，一方面由输出端输出，另一方面经正反馈网络传送回到输入端，经放大和选频，这样周而复始，不断地反复，只要反馈信号大于初始信号，振荡逐渐变强起来。 2.1.22.1.2 产生振荡的条件 (1)振荡平衡条件 要使振荡器输出信号.oX维

6、持稳定的输出， 必须使再次反馈回输入端信号.fX和原来输入端的信号.iX相等，即: .fiXX 又有.oiXAX .foXFX 得 .fiXAF X 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 3 由于.fiXX 所以振荡平衡条件为: .1AF 设.aAA, .fFF则 .()1afAFAF即： 1AF 幅度平衡条件 2(0,1.2afnn）相位平衡条件 一个振荡器只有同时满足这两个条件，才能振荡。 (2)振荡起振条件 振荡器满足平衡条件时，.fiXX输出信号幅度保持不变。但在振荡器刚开始振荡时，信号非常微弱，如仅是.fiXX振荡器将不能起振。必须使每次反馈回来的信号大于原来的输入信号，即.f

7、iXX。振荡才能由弱到强建立起来。所以振荡起振条件应为AF1。 2.1.32.1.3 RC 文氏电桥振荡器的制作 由于 RC 文氏电桥振荡器具有电路简单、易起振、频率可调等特点被大量应用与低频振荡电路，所以我们采用 RC 文氏电桥振荡器产生正弦波。电子电路图如图 2-1 所示： 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 4 图 2-1 RC 正弦波振荡器电路 如图所示，根据设计要求可选择电阻 R1，R2 均为 15k，R4 为 100k的可调电位器。电容 C1 和 C2 为 0.22F，D1，D2 为 1N4001，采用的集成运放为MC4558。R1、C1、R2、C2 组成 RC 串并联网络

8、形成正反馈，运放、R4、R5、D1、D2 组成同相比例放大器，D1，D2 具有稳幅作用。 在此电路中，由 RC 串、并联网络组成正反馈支路和选频网络，这部分电路决定了电路的振荡频率；由 R4、D1、D2 和 R5 组成负反馈支路和稳幅环节。负反馈电路控制运算放大器的增益。反馈过深，不易起振，反馈过小，容易造成波形失真。调节 R4 为适当值，电路即能起振，输出正弦波，并利用 D1、D2 的非线性实现稳幅。并联电阻 R5 有改善二极管非线形引起波形失真的作用。 在实际应用中，常选取文氏电桥两个支路中的 R、C 相同，当 R 选用同轴双连电位器，即可以实现振荡频率的连续可调，输出正弦波的频率为: 1

9、2ofRC 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 5 2.1.42.1.4 RC 正弦波振荡器的调试 按上述电路图接好电路图在仿真仿真软件中仿真，仿真步骤如下： 1）调节电位器 R4，用示波器观察输出波形 UO直到出现正弦波，记录波形，并测量输出电压 UO的最大不失真电压幅度，波形的周期 T。 2）调节电位器 RP，观察其对输出波形的影响。 3）测量频率。将输出 UO 接示波器 Y 轴输入端，标准信号源（正弦波）输出端接示波器 X 轴输入端，将示波器改为“X-Y”显示方式，这时读出标准信号源的频率即是振荡器的输出频率 f。 用 Multisim10.0 对电路进行仿真得到图 2-2 仿真

10、波形 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 6 图 2-2 从图中可得出产生的正弦波最大值 Umax=1.5V; T=5ms 4.2=21ms. F0=1/T=48Hz. 仿真得出的数据与理论计算一样，电路正确。 2.2 方波产生电路 2.2.1 2.2.1 方波发生器的基本结构与工作原理 如图 2-3 所示的方波发生器电路，其中 R2与 Rf组成负反馈支路，运放同相端的电压为：电阻 R1、Rp 和电容 C 组成运放的正反馈支路。当电容 C 的端电压VC（等于运放的反向端电压 V-）大于 V+时，输出电压 VOVZ（双向稳压管 VD 的限幅电压） ，则电容 C 经电阻 R1、Rp 放电，

11、VC下降。当 VC下降到比 V+小时，11ofR VVRR 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 7 比较器的输出电压 VO=+VZ，电容 C 又经过电阻 R1、Rp充电，电容的端电压 VC又开始上升，如此反复，则输出电压 VO为周期性方波。方波的频率为 11112.ln(12/PffTRRRR 调节电路中的 Rp 可以改变频率。 图 2-3 方波发生器 2.2.22.2.2 方波发生器的制作 电子电路如图 2-3 所示，根据设计要求运算放大器为 LM324，R1、R2、Rf为 10k的电阻， RP为 100k的电位器，C 的容量为 1uF。D1,D1为1N750。 2.2.32.2.3

12、 方波发生器的调试 按上述电子电路图接好电路在仿真软件中仿真，仿真步骤如下： 1）UREF=2V(参考电压)的直流电压； 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 8 2）在电路中接人 ui=3V 的直流电压，用万用表测量输出直流电压的大小并记录； 3）ui改为 1V 的直流电压，用万用表测量输出直流电压的大小，并记录； 4）微调 ui，使 ui在 1V3V 之间变化，用万用表测量并观察输出直流电压的变化 情况，并记录：恰好出现高电平向低电平翻转或低电向平高电平翻转时的 ui，确 定此值与 UREF值结果表明该电路能不能实现电压比较的作用； 5）改变电位器 RP，观测是否可以改变输出信号频率

13、。将电位器 RP调至最小时，观测电路的输出波形， 此时输出信号的周期 T1,器 RP调至最大时， 观测电路的输出波形，此时输出信号的周期为 T2；观察在这个过程中，输出信号的电压变化； 6）改变电容容量，观测是否可以改变输出信号频率。将电路中的电 C 改为0.022F，观测输出信号波形，C 增大时，输出信号频率会怎样变化； 用 Multisim10.0 对其进行仿真得到如下 2-4 波形图： 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 9 图 2-4 从波形中可以得到方波电压约为 7V,与理论一样，可得出电路是正确的。 2.3 三角波产生电路 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 10

14、2.3.1 三角波发生器的结构与基本工作原理 图 2-5 三角波发生器电路 其工作原理如下： 当运算放大器开环电压增益足够大时，可认为RCii,其中又由虚短和虚断，得： 式中，RC，称为积分器的时间常数。 2.3.2 三角波发生器的制作 OCQVVC 11CiI dtI dtCC 11iiVdtVdtRC 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 11 电子电路如图 2-4 所示，积分电路和迟滞比较器相连可组成三角波发生器。根据设计要求电阻 R1 为 2.5K，电容 C 为 220nf，采用的集成运放为 LM324。 2.3.3 三角波发生器的测试 根据电子电路图接好线路，在仿真软件中仿真，

15、仿真步骤如下： 1）用双踪示波器 DC 输入方式观察 U 波形。并将波形记录下来。 2）改变电阻 R1 或电容 C，观察输出电压波形的变化。 当输入信号为方波时，其输出信号为三角波，电路波形图 2-5 如下： 图 2-5 电仿真中信号源为方波，f0=1Kz,Umax=3.5V 电路中 R1=2.5K，C=220nF, 3. 函数信号发生器总电路图与电路仿真 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 12 3.1 函数信号发生器总电路图 根据上述独立单元电路的设计，可以设计总的电路图如图 3-1 所示 图 3-1 函数信号发生器总原理图 通过看示波器波形， 可得出正弦波发生器中电位器调到R4调

16、到50K时开始起振，调大 R4 则不能起振，而调到 40K 时波形出现失真，起振是由弱变强的。总电路的频率有 R1，C1，R2，C2 决定，令 R1=R2，C1=C2， 12ofRC 如图 R 为 15K， C 为 0.22uF， 可算出频率为 50Hz,所有可通过减小电容值来增大频率，如 C 为 0.001uF 时，频率为 10.6kHz，满足要求。 3.2 函数信号发生器的仿真 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 13 对总原理图进行仿真，得到正弦波，方波和三角波的波形如下图： 图 3-2 100HZ 正弦波 图 3-3 1KHZ 正弦波 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书

17、 14 图 3-4 100 HZ 方波 图 3-5 1KHZ 方波 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 15 图 3-6 100HZ 三角波 图 3-7 1KHZ 三角波 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 16 4 电路的安装与调试结果 4.1 电路的安装 4.1.1 元器件的选用规格 标 号 元器件名称 规格与型号 D1 整流二极管 1N4001 D2 整流二极管 1N4001 D3 稳压二极管 1N4734 D4 稳压二极管 1N4734 A1 集成运算放大器 MC4558 A2 集成运算放大器 MC4558 A3 集成运算放大器 LM324 R1 电阻 15k1/8W

18、R2 电阻 15k1/8W R3 电阻 3301/8W R4 电阻 100k1/8W R5 电阻 10k1/8W R6 电阻 10k1/8W R7 电阻 3301/8W R8 电阻 5.6k1/8W R9 电阻 10k1/8W R10 电阻 3301/8W R11 电阻 5.6k1/8W R12 电阻 10k1/8W R13 电阻 100k1/8W R14 电阻 3301/8W RP1 双联线性电位器 150k RP2 电位器 100k RP3 电位器 20k C1 电容 0.22F C2 电容 0.022uF C3 电容 0.0022F C4 电容 0.22uF S1 转换开关 S2 转换开

19、关 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 17 4.1.2 实践制作工具及仪器仪表 电烙铁一把，电烙铁一把，焊锡丝，镊子 1 把，普通万用表 1 只，双路直流稳压电源，双踪示波器一台。 4.1.3 实践制作过程 1）识读函数信号发生器电路原理图和印制电路图。 2）先在印制电路板上找到相对应的元器件的位置，将元器件成形。 3）采用边插装边焊接的方法依次正确插装焊接好元器件（注意二极管正、负极和集成运算放大器的管脚方向） 。 插装步骤如下：插装集成运算放大器 A1、A2、A3、 插装电阻 R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13 插装二极管和稳压管

20、 D1、D2、D3、D4 插装电容器 C1、C2、C3、C4、C5 插装电位器 RP1、RP2、RP3 插装转换开关 S1、S2 4）检查焊接的电路中元器件是否有假焊、漏焊，以及元器件的极性是否正确。 5）通电试验，观察电路通电情况。 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 18 4.2 电路功能调试 1）按上述制作步骤完整接好原理电路并复查，通电检测。 2）分别将两组电源调至 15V，注意两组电源与 MC4558 的接法。 3）拨动转换开关 S2，用示波器分别观察正弦波、方波和三角波三种波形，若波形失真，可通过调节 RP2来改善波形。在坐标纸上绘制出电路产生的三种波形，分别测量波形输出电

21、压的幅度并记录。 4）调整电位器 RP1和拨动转换开关 S1，测量各种波形的输出频率变化范围。 5）调整电位器 RP2，测量输出电压变化范围。 4.3 电路实验结果 函数信号发生器电路的实验的结果 类别 输出电压 输出频率 设计值 实际值 设计值 实际值 正弦波 01.5V 01.4V 10HZ10kHZ 62HZ10.3kHZ 方波 07V 07.2V 10HZ10kHZ 62HZ10.3kHZ 三角波 02.5V 02.1V 10HZ10kHZ 62HZ10.3kHZ 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 19 5 总结体会 模拟电子技术是非常重要的专业基础课，课程设计是在学完这门课

22、程之后对所学知识的一次检测。通过这次课程设计不仅加深了对电子电路的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。 通过这段时间不懈的努力与切实追求，我做完了课程设计。通过这次课程设计， 我掌握了常用元件的识别和测试；学会了使用仿真软件对原理电路进行仿真；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。 其次， 这次课程设计让我懂得了坚持就是胜利， 在困难面前不要轻言放弃，要勇于面对问题，并想法设法解决问题。 在实验过程中，遇到了不少的问题。比如：波形失真严重，甚至不出波形这样的问题。还有就是焊接实物的问题，一开始以为很简单，但其实很复杂，要对焊板上的元件进行布置和焊接电

23、路元件连线，这有很大的难度。在此期间，除了对元件较好的焊接外，还要考虑元件之间信号的干扰，还要考虑元件连线的不相交以及焊板面积的大小、元件摆放和连线的美观性等，所以我们怕不够用，就买了一块比较大的板子，结果花两天焊好板子后却发现电路才占板子的很少部分，很不协调。所有说，想要焊出一块实用又美观的板子，是要经过一番考虑和布置的。但是最后在老师和同学的帮助以及自己的不断努力下，把问题一一解决了，那种心情别提有多高兴啊。实验中暴露出我在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，通过课程设计加深了我对所学知识的理解。期末考试也临近了，顺便也复习。 作为一个电信专业的学生，我深知课程设计的重要性

24、。这次课程设计我从刚开始的什么都不懂不会不敢不碰， 到现在的基本了解了一个电路元件是如何构成的， 还有以前看的集成板上让人难琢磨的电路焊接图我都可以看懂一些了，其中的电路仿真也让我对以前学习的电路知识有了详细地了解。 我顺利完成了模电的课程设计。 这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 20 参考文献 1童诗白主编模拟电子技术基础（第三版） 北京：高教出版社， 2001 2李万臣主编模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，2001 3胡宴如主编. 模拟电子技术. 北京. 高等教育出版社，2000 4赵雅兴主编. PSpice 与电子器件模型. 北京邮电大学出版社,2006 5Rayender Goyal. High-frepuency Analog Integrated Circuit Design. NewYork:JohnWiley &Sons.Inc,1995.