函数发生器模拟电子技术课程设计.doc

1、目录1 引言42 总体方案设计与原理框图2.1 原理框图52.2 函数发生器的原理53 单元电路设计与分析3.1 比较器模拟比较器93.2 积分器103.3 元器件选择113.4 参数的确定114 小结125 参考文献136 函数发生器原理图元器件明细表147 附图151 引言在现代社会中，自动化技术早已渗透到社会生产的各个领域中。高精度、宽频率、高稳定性的信号发生器对于所属整体系统性能的改善和提高起着至关重要的作用。传统的函数发生器的波形信号稳定性差，信号失真度大，都不是很理想。而现在的信号发生器具有输出频率高、波形稳定、失真小、可控性强等特点。利用信号进行仪器的控制已是自动控制理论中的一个

2、重要手段。对于一个幅度、频率稳定性、波形可调的信号发生器的设计不但可以融会贯通我们所学的知识，还可以在今后的工作中作为参考，用来控制设备。本课题设计的目的是充分利用大学这两年来所学的知识，结合我们使用的信号发生器的基本功能，完成函数发生器的设计。2 总体方案设计与原理框图2.1 原理框图三角波变换成正弦波，由运算放大器单路及分立元件构成，方波三角波正弦波函数发生器电路组成如图1所示.图1原理框图2.2 函数发生器的原理图1中的比较器与积分电路和反馈网络（含有电容元器件）组成振荡器，其中比较器产生的方波通过积分电路变换成了三角波，电容的充，放电时间决定了三角波的频率。最后利用差分放大器传输特性曲

3、线的非线性特点将三角波转换成正弦波。波形变换过程如图2所，由图可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好;三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。图2传输特性曲线 下面有三种方案可实现函数发生器三角波到正弦波的变换。我们可以比较他们的优越性，选出最适合的方案进行讨论。方案一：用差分放大电路实现三角波到正弦波以及集成运放组成的电路实现函数发生器图3 差分放大电路（1） 用二极管折线近似电路实现三角波正弦波的变换图4二极管折线近似电路根据二极管折线近似电路实现三角波正弦波的变换的原理图，可得其输入、输出特性曲线如图4所示。频率调节部分设计时，可先按三个频率段给定三个电容值：10

4、00pF、0.01f、0.1F然后再计算R的大小。手控与压控部分线路要求更换方便。为满足对方波前后沿时间的要求，以及正弦波最高工作频率（10kHz）的要求，在积分器、比较器、正弦波转换器和输出级中应选用Sr值较大的运放（如LF353）。为保证正弦波有较小的失真度，应正确计算二极管网络的电阻参数，并注意调节输出三角波的幅度和对称度。输入波形中不能含有直流成分。方案二：用二极管折线近似电路以及集成运放组成的电路实现函数发生器 图5 二极管折线近似电路以及集成运放组成的电路（3）图是由A741和5G8038组成的精密压控震荡器，当8脚与一连续可调的直流电压相连时，输出频率亦连续可调。当此电压为最小值

5、（近似为0）时。输出频率最低，当电压为最大值时，输出频率最高；5G8038控制电压有效作用范围是03V。由于5G8038本身的线性度仅在扫描频率范围10：1时为0.2%，更大范围（如1000：1）时线性度随之变坏，所以控制电压经A741后再送入5G8038的8脚，这样会有效地改善压控线性度（优于1%）。若4、5脚的外接电阻相等且为R，此时输出频率可由下式决定：设函数发生器最高工作频率为2kHz，定时电容C4可由上式求得。电路中RP3是用来调整高频端波形的对称性，而RP2是用来调整低频端波形的对称性，调整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。稳压管VDz是为了避免8脚上的负压过大而使5G8038工

6、作失常设置的。方案三：用单片集成函数发生器5G8038图6 单片集成函数发生器5G8038可行性分析：上面三种方案中，方案一与方案二中三角波正弦波部分原理虽然不一样，但是他们有共通的地方就是都要认为地搭建波形变换的电路图。而方案三采用集成芯片使得电路大大简化，但是由于实验室条件和成本的限制，我们首先抛弃的是第三种方案，因为它是牺牲了成本来换取的方便。其次是对方案一与方案二的比较，方案一中用的是电容和电阻运放和三极管等电器原件，方案二是用的二极管、电阻、三极管、运放等电器原件。所以从简单而且便于购买的前提出发我们选择方案一为我们最终的设计方案。3 单元电路设计与分析3.1 比较器模拟比较器将模拟

7、量与一标准值进行比较,当高于该值时,输出高(或低)电平.反之,则输出低(或高)电平.例如,将一温度信号接于运放的同相端,反相端接一电压基准(代表某一温度),当温度高于基准值时,运放输出高电平,控制加热器关闭,反之当温度信号低于基准值时,运放输出低电平,将加热器接通.这一运放就是一个简单的比较器,因为输入与输出同相,称为同相比较器.有的模拟比较器具有迟滞回线,称为迟滞比较器,用这种比较器,有助于消除寄生在信号上的干扰.例如，运放输出端不与正负输入端连接就可以起到比较器的功能，也就是区别于正负反馈的又一种使用方法当正端的电压负端电压时，输出高电平当负端的电压正端电压时，输出低电平就是根据正负端的比

8、较，输出不同逻辑电平图7 比较器原理图3.2 积分器 运放积分器可以斜上升到饱和状态，电容放电式开关会重置积分器。或者，三角波发生器应用中，输入转换积分器，使其冲高或跌落。通过在线常用电路的许多研究发现运放积分器保持预设持续电压是没有意义的。本设计方案描述了一个单电源供电放大器电路，电路输出斜坡上升或下降的线性电压，响应0到Vcc正直流输入电压的阶梯改变。输出斜坡的dV/dt可调整到1V/minut，不依赖于输入阶梯的幅值，终止于与输入阶梯电压近似相等的恒定直流等级。任何更多直流输入电压的改变引起以预设dV/dt速度，输出斜坡上升或下降到新直流输入电压。图8 基本积分电路3.2 元器件选择1）

9、当时间常数=RC确定后，就可以选择R和C的值，由于反相积分电路的输入电阻Ri=R，因此往往希望R的值大一些。在R的值满足输入电阻要求的条件下，一般选择较大的C值，而且C的值不能大于1F。 2）确定RP RP为静态平衡电阻，用来补偿偏置电流所产生的失调，一般取RP=R。 3）确定Rf 在实际电路中，通常在积分电容的两端并联一个电阻Rf。Rf是积分漂移泄漏电阻，用来防止积分漂移所造成的饱和或截止现象。为了减小误差要求Rf 10R。 3.4 参数的确定1、 从电路的设计过程来看电路分为三部分：正弦波部分方波部分三角波部分2、 正弦波部分由于我们选取差分放大电路对三角波正弦波进行变换，首先要完成的工作

10、是选定三极管，我们现在选择KSP2222A型的三极管，其静态曲线图像如右图所示。根据KSP2222A的静态特性曲线，选取静态工作区的中心由直流通路有：20 k k因为静态工作点已经确定，所以静态电流变成已知。根据KVL方程可计算出镜像电流源中各个电阻值的大小：3、 方波部分与三角波部分参数的确定根据性能指标可知：由，可见f与c成正比，若要得到1Hz10Hz，C为1010Hz100Hz,C为1。则=7.5k75k，则=5.1k则=2.4k或者=69.9 k取100 k由输出的三角形幅值与输出方波的幅值分别为5v和14v，有=10k则47 k，=20 k根据方波的上升时间为两毫秒，查询运算放大器的

11、速度，可以选择74141型号的运放。由此可得调整电阻： 小结通过对函数信号发生器的设计，我深刻认识到了“理论联系实际”的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，巩固了以前知道的知识，而且为以后大四毕业所要做的毕业设计打好基础。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，也明白老师为什么要求我，做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计过程中，我大概了解了函数发生器的发展背景，作用以及改进过程。虽然这个设计比较难，但再大的困难也能克服，大学应该多开设这样的课程，这样不仅能通过

12、实践加深理论知识印象，而且能培养大学生的创新能力。参考文献:（1）吴佑寿模拟电子技术电子工业出版社2008（2）王佩珠 电路与模拟电子技术南京大学出版社1995（3）胡宴如模拟电子技术北京高等教育出版社2000（4）汪丽芳多功能函数发生器黄石理工学院图书馆2005（5）康光华电子技术基础高等教育出版社2005（6）电子课程设计网：忽略此处:/忽略函数发生器原理图元器件明细表符号名称型号 参数数量备注R1电阻4.7K,47K,10K7RB6.8K5RC15K2RE100K4RP 滑动变阻器10K,100K,470K 5U1A运算器LM7471U1B1C电容100UF,470UF6VT1三极管BG3191VT21VT31VT41E电源3UO端口3导线若干12