1、目錄一、課題名稱3二、技術要求3三、內容摘要3四、總體設計方案論證及選擇4五、信號發生器原理框圖、總體電路原理圖及說明61、原理框圖62、波形產生總體電路原理圖7六、單元電路設計、主要元器件選擇與電路參數計算71.正弦波產生電路72.矩形波產生電路93.鋸齒波產生電路124.控制電路135幅值控制電路15七、 電壓數字顯示器部分設計161電壓顯示器的工作原理與分析162 電路各部分的功能173 電路工作過程174 主要元器件185 電壓顯示器總原理圖20八、頻率數字顯示器部分的設計211 頻率顯示器原理212總體電路結構原理213單元電路設計與分析22九、收獲與體會及存在的問題27十、參考文獻

2、28十一、附件28一、課題名稱函數信號發生器二、技術要求（1）能產生正弦波、矩形波（占空比可調）和鋸齒波等多種波形；（2）輸出信號的工作頻率范圍10Hz10kHz，連續可調；（3）輸出信號波形幅值010V，且連續可調；（4）輸出信號頻率數字顯示；（5）輸出信號幅度數字顯示三、 內容摘要 函數發生器一般是指能自動產生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。為進一步掌握電路的基本理論及各種元器件的功能，本課題首先用RC振蕩電路產生正弦波、再通過由555定時器組成的多諧振蕩產生矩形波，最后利用三角波產生電路使積分電容充電和放電時間常數不同，而且相差懸殊，在積分電路的輸出端得到鋸齒

3、波信號。對于顯示部分，頻率數字顯示主要由555定時器構成的放大整形電路，時基電路和控制電路構成，最終由十六進制加法器74LS160，鎖存器74LS373，譯碼器7447使數碼管顯示頻率；電壓的數字顯示主要由芯片MC14433,MC1413,MC4511和MC1403構成。四、總體設計方案論證及選擇方案一：用單片集成芯片IC8038實現，此方案要求幅度和頻率都可調，可由數字電位器加程控放大器實現。它是一種多用途的波形發生器，可以用來產生正弦波，方波，三角波和鋸齒波，其震蕩頻率可以通過外加電壓進行調節，又稱壓控集成信號產生器。利用8038芯片的優點是十分明顯如下集成度比較高，輸出穩定，構成的電路簡

4、單，所用的元件少，經濟實惠。函數波形的頻率受內部或外電壓控制，可被應用于壓控振蕩和FSK調制器。方案二：此方案可先產生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變成方波，再由積分電路將方波變成三角波；由文氏電橋產生正弦振蕩，然后通過比較器得到方波，方波積分可得三角波。文 氏電 橋正弦波比較器積分器方波三角波這一方案為一開環電路，結構簡單，產生的正弦波和方波的波形失真較小。但是對于三角波的產生則有一定的麻煩，因為題目要求有10倍的頻率覆蓋系數，然而對于積分器的輸入輸出關系為：顯然對于10倍的頻率變化會有積分時間dt的10倍變化從而導致輸出電壓振幅的10倍變化。而這是電路所不希望的。幅度穩定性難以達到要求。

5、而且通過仿真實驗會發現積分器極易產生失調。方案三： 用單片機和A/D轉換器實現，編寫相應的程序即可實現。如采用一片AT89S51單片機和DAC0832數模轉換器組成的智能數字式低頻信號發生器。按用戶的需要，選擇運行不同的程序，將會得到不同的波形信號。再在 DAC0832 輸出端加上一些電壓變換電路以及放大整形電路，就完成了一個頻率可調的多功能信號發生器的設計。方案四：由正弦波發生器產生正弦波，矩形波發生器產生矩形波，鋸齒波發生器產生鋸齒波，三種波形經過控制電路，最后經過運放電路形成幅值可調的函數信號。控制電路正弦波正弦波產生電路占空比可調矩形波幅值控制電路函數信號幅值可調波形 鋸齒波鋸齒波產生

6、電路矩形波產生電路經過綜合考慮，我們選擇方案四，理由如下：方案一利用了利用ICL8038芯片，雖然是個很好的選擇，但是我們打算更貼近課本的內容。方案二顯然對于10倍的頻率變化會有積分時間dt的10倍變化從而導致輸出電壓振幅的10倍變化，幅度穩定性難以達到要求。而且積分器極易產生失調。方案三是從課外資料中找到的，與所學得運算放大電路結合得不是很緊密。方案四既利用了課本所學的運算放大電路，也可分別調整各個波形的幅值和信號，過程較上兩種方案簡潔，且可得到所需的結果。雖然這樣選擇過于追求與課本精講知識的聯系，忽略了ICL8038等芯片的利用，增加了數字顯示功能設計的難度，但是對于掌握和運用在模擬電子技

7、術”、數字電子技術等課程中所學的理論知識和實驗技能，基本掌握常用電子電路的一般設計方法，提高設計能力和實驗技能卻有很大的幫助。五、信號發生器原理框圖、總體電路原理圖及說明1、原理框圖正弦波正弦波產生電路控制電路矩形波產生電路 幅值可調波形占空比可調矩形波函數信號幅值控制電路鋸齒波鋸齒波產生電路2、波形產生總電路圖六、函數信號發生器各部分原理單元電路設計原理1.正弦波產生電路 1）RC振蕩器的設計自激振蕩原理： 在放大電路中，輸入接有信號源后，輸出端才有信號輸出。但在振蕩電路中，它的輸入端不外接信號，而輸出端仍有一定頻率和幅值的信號輸出，這是現象就是電子電路的自激振蕩。無論在放大電路還是在振蕩電

8、路中，自激振蕩的本質是相同的。即振蕩時電路中的反饋一定是正反饋，并且反饋環路增益必須滿足一定的條件。RC振蕩器的設計，就是根據所給出的指標要求，選擇電路的結構形式，計算和確定電路中各元件的參數，使它們在所要求的頻率范圍內滿足振蕩的條件，使電路產生滿足指標要求的正弦波形。正弦波振蕩電路主要有三個部分組成：1放大電路。利用運算放大器，使其有放大倍數，以滿足自激振蕩的條件。2反饋電路。把放大電路的輸出信號正反饋到輸入端，作為放大電路的輸入信號，并滿足自激振蕩的條件。3 選頻環節。使振蕩電路只能讓某一特定頻率的信號滿足自激振蕩的條件，以保證振電路輸出正弦波信號。4 穩幅環節。為了不讓輸出的正弦波信號無

9、限增長而逐漸趨近于穩定，電路中還必須要有穩幅環節。RC振蕩器的設計，可按以下幾個步驟進行：1根據已知的指標，選擇電 路形式。 2計算和確定電路中的元件 參數。 3選擇運算放大器。 4調試電路，使該電路滿足指標要求。 圖6.12）正弦波發生器的設計圖6.2 Ra3 和Ra4為同軸電位器3）電路分析、主要元器件選擇及參數計算運算放大器選擇： U1：LM318.為雙電源，且電壓范圍-2020V 最大通過電流為10mA。 由分析可知，在產生自激振蕩，= 。因為 u-=ui，=,所以，u0=（1+）ui。即 為了滿足自激振蕩的起振條件，則要求放大電路的電壓放大倍數3。如果正好是3，就會使工作不穩定，因為

10、Au稍有下降，立即停振。所以要去放大倍數稍大于3。=1+3,所以 RF12RE1取RE1=15k，則RF1取 31k即可。RF2取15k穩定時流過二極管的最大電流I=Uo1max/（RF1+RE1）=0.24ADa1 與 Da2 選取 IN4001二極管，經計算并查閱最高反向峰值電壓(50v) 平均整流電流(1.0 A) 符合此電路要求 。令Ca1=Ca2=C=0.1uF, 總電阻=Ra1+Ra3fmin=10Hzfmax=10KHz得 R=159k，Ra1=159.所以 Ra3=158.8 k2.矩形波產生電路1） 555定時器組成框圖及工作機理管腳圖引腳名稱功能1GND（地）接地，作為低電

11、平（0V）2TRIG（觸發）當此引腳電壓降至1/3VCC（或由控制端決定的閾值電壓）時輸出端給出高電平。3OUT（輸出）輸出高電平（+VCC）或低電平。4RST（復位）當此引腳接高電平時定時器工作，當此引腳接地時芯片復位，輸出低電平。5CTRL（控制）控制芯片的閾值電壓。（當此管腳接空時默認兩閾值電壓為1/3VCC與2/3VCC）.6THR（閾值）當此引腳電壓升至2/3VCC（或由控制端決定的閾值電壓）時輸出端給出低電平。7DIS（放電）內接OC門，用于給電容放電。8V+,VCC（供電）提供高電平并給芯片供電。 圖6.3 R1、R2、C是外接元件電源VCC經電阻R1、R2對電容C進行充電，vC

12、開始上升，直至VCC時，比較器C1的輸出為0，將觸發器復位成0，即vO為0。由于這時晶體管T因=1而導通，故電容C通過R2和T放電，于是vC開始下降。直至到VCC時，比較器C2的輸出為0，將觸發器置1，即vO由0再次上跳為1。晶體管T因=0而截止，此后VCC又經R1和R2對電容C充電，重復上述過程。可見，無論輸出端vO為1還是為0，都是暫穩狀態，輸出電壓vO為連續的方波信號。電容C從VCC充電到VCC過程中形成的暫穩態脈沖寬度tP1為tP1（R1+R2）Cln2 = 0.7（R1+R2）C 電容C從VCC放電到VCC過程中形成的暫穩態脈沖寬度tP2為：tP2R2Cln2 = 0.7R2C所以，

13、振蕩周期為：T=tP1+tP20.7（R1+2R2）C振蕩頻率為：f=輸出波形的占空比： 2）矩形波發生器的設計圖6.4上圖是占空比可調的多諧振蕩器。圖中電位器Rbp用于調節充放電時間常數，Db1和Db2兩只二極管起到隔離電容Cb的充電、放電路的作用。充電回路（UccDb1Cb地）的時間常數放電回路（CbDb2地）的時間常數方波的占空比 可調,若需使其頻率可調，只需把C改成可變電容.3）電路元件的選擇及參數設計標準NE555（CMOS型）定時器一只。電源電壓2-18V，允許輸出電流1-20mA。流過Db1與Db2的電流最大為12 /Rb1=6mA.所以選擇2個IN4001二極管。Cb可變電容器

14、一只，在這選擇 電容最大為10uF的電容fmin=10Hzfmax=10KHz得Cb=10000pF10uF，選 CBB聚丙烯可變電容器。R總=14.4k 。設 Rbp=10 k，選Rb1=2 k，則Rb2=2.4k。占空比 。所以 D在 13.9%-83.3%之間可調。Uo2比Ucc低1-3V，設低2V,則 設Ucc=15V，則輸出幅值為U02= Ucc-2=13V。3.鋸齒波產生電路如果在三角波產生電路中，使積分電容充電和放電時間常數不同，而且相差懸殊，則在積分電路的輸出端即可得到鋸齒波信號1) 三角波發生器的原理圖6.5工作原理：圖中，集成運放A1同相輸入端的電壓由uo和u01共同決定，

15、根據疊加原理 u+=u01+u0當uo0時，u01=+uz；當u+0時，u01= - uz；即遲滯比較器的翻轉發生在u+=0的時刻，此時比較器的輸入電壓，即積分器的輸出電壓u0應是u0=+ Uz，也就是比較器的上下門限電壓。經計算，T= 。2）鋸齒波發生器設計圖6.6用二極管D3、D4和電位器Rw代替三角波發生電路中的積分電阻R，使積分電容C充放電回路分開。調節電位器Rw滑動端的位置，使RwRw，即電容充電時間常數比放電時間小得多，也就是充電很快，放電很慢。此時積分電路輸出電壓uo波形如圖.3）元件的選擇與參數計算兩個運放都采用LM318，參數上文已經介紹過。Rw為可變電位器，則電路T可以根據

16、Rw的變化而變化，充電時間T1=，放電時間T2=。所以,T=T1+T2=又f=10Hz10KHz ，所以 T=1/10 1/10000 s D1、D2 選擇穩壓二極管 2CW76 參數為12V 、20mA， Uz=12VUom=R6/R5*Uz 所以 設 Uom=10V, 則R6/R5=5/6 ，選擇R6=5kR5=6k取C=1uF，fmin=10Hz，Rwmax=6Mfmax=10KHz，所以Rwmin=6k選擇電位器Rw變化范圍在6k 6M之間差動放大器原理 要令 Rp2=Rw=6M，R01=1k,Rp1=6M通過D3 D4的最大電流為i=uc01/Rwmin=10/6000=1.67mA

17、。均選用IN4001二極管，經計算并查閱最高反向峰值電壓(50v) 平均整流電流(1.0 A) 符合此電路要求 。4.控制電路分壓電路1調節范圍分壓電路如圖（15.3）所示。活動觸頭C從A移到B，U就從零變到U0。調節范圍和變阻器阻值無關。Umin0，UmaxU0。圖6.72分壓特性曲線負載RL兩端的電壓U為：(5)與前面討論制流電路一樣，引進參數x k，可得： (6）（1）若要使電壓U在0到U0（Umax）整個范圍內均勻變化，則取k1比較合適，因此要求選用的變阻器R0小于負載電阻RL。（2）對作分壓器用的變阻器的額定電流，應以總電流的最大值來考慮。 3. 細調程度 主控 細調K B R0 C

18、 R0 RL AE 圖6.8因為，所以可分三種情況考慮：（1）RLR0時，U，U，R1即U的最小改變量為： （7）當U0、R0、R0都是一定的數值時，（U ）min也是定值，也就是說，元件選定之后，在整個調節范圍內的調節精細程度處處都是一樣的（如圖（1.7）中k10）。（2）RLR0，由式（5）得：U（），U即 （U）min（8）比較式（4）與式（8），可看出兩者完全相同，說明RLR0時，分壓接法和制流接法的細調程度都一樣的不好。（3）RL和R0在相同的數量級時，計算公式比較復雜，但計算與作圖結果表明：只要RL2R0，其結果和RLR0相差不遠，所以RL2R0可以粗略地歸入RLR0這一類；而當R

19、L（）時，其結果與RLR0也很相近，所以當RL（）時，也可以粗略地看作RLR0；如果2R0RL（）R0時，則屬于上述兩者的過渡情況。 細調 C R0K RLE 主控 c R0圖6.95幅值控制電路 由于保證了前面做出的三個發生器的幅值都為10V，所以這里用一個帶阻值可調的電壓跟隨器，即可達到調節幅值的要求圖6.10當滑動變阻器滑動頭在最上面點時，輸出uo=uo； 當滑動變阻器滑動頭在最下面點時，輸出uo=0；當滑動變阻器滑動頭在中間時輸出 uo=Rpb/Rp*uo改變滑動頭的位置，即改變輸出波形的幅值此運放選擇LM318，為雙電源，且電壓范圍-2020V ，最大通過電流為10mA。為保證以上參

20、數，選擇Rd=Rp=2 k的電阻。七、 電壓數字顯示器部分設計1電壓顯示器的工作原理與分析 數字電壓表是將被測模擬量電壓轉換為數字量，并進行實時數字顯示的測試儀表。采用MC14433-位A/D轉換器構成的數字電壓表如圖4-1所示。但由于數字電壓表測得的是通過信號電壓的平均值，故在輸入MC14433之前加一個采樣保持電路，使得CM14433能夠測出輸入信號的幅值。其中MC1413是七路達林頓驅動器陣列，CD4511是七段鎖存-譯碼-驅動器，MC1403是能隙基準電源，電路采用LED顯示。下圖是 數字電壓表組成結構圖。圖7.12 電路各部分的功能 （1）位A/D轉換器：將輸入的模擬信號轉換成數字信

21、號。（2)基準電源：提供精密電壓，供A/D轉換器作參考電壓。 (3)譯碼器：將二-十進制（BCD）碼轉換成七段信號。 (4)驅動器：驅動顯示器的a、b、c、d、e、f、g七個發光段，驅動發光數碼管（LED）進行顯示。 (5)顯示器：將譯碼輸出的七段信號進行數字顯示，讀出A/D轉換結果。3 電路工作過程位數字電壓表通過位選信號進行動態掃描顯示，由于MC1433電路的A/D轉換結果是采用BCD碼多路調制方法輸出，只要配上一塊譯碼器，就可以將轉換結果以數字方式實現四位數字的LED發光數碼管動態掃描顯示。輸出多路調制選通脈沖信號，選通脈沖為高電平，則表示對應的數位被選通，此時該位數據在端輸出。每個選通

22、脈沖高電平寬度為18個時鐘脈沖周期，兩個相鄰選通脈沖之間間隔2個時鐘脈沖周期。和的時序關系是在脈沖結束后，緊接著是輸出正脈沖。以下依次為、和。其中對應最高位（），則對應最低位（）。在對應、和選通期間，輸出BCD全位數據，即以8421碼方式輸出對應的數字09。在選通期間，輸出千位的半位數0或1及過量程、欠量程和極性標志信號。4 主要元器件1） 位A/D轉換器MC14433MC14433是一個低功耗位雙積分式A/D轉換器。采用24引線雙列直插式封裝，外引線排列如圖4-2所示， 圖7.2 位A/D轉換器MC14433外引線排列圖積分電阻電容的選擇應根據實際條件而定，若時鐘頻率為66kHz，一般取0.

23、1F ，的選取與量程有關，量程為2V時，取470K；量程為200mV時，取27K。2） 七段鎖存-譯碼-驅動器CD4511CD4511是專用于將二-十進制代碼（BCD）轉換成七段顯示信號的專用標準譯碼器，輸入為BCD碼，輸出為a、b、c、d、e、f、g七段顯示驅動電壓信號。其驅動電流可達20 mA。CD4511電源電壓范圍為515V。它可與CMOS電路或TTL電路兼容工作。CD4511采用16引線雙列直插式封裝（見圖4-3）。使用CD4511時應注意輸出端不允許短路。應用時電路輸出端需外接限流電阻。圖7.3 CD4511外引線排列圖3） 七路達林頓驅動器陣列MC1413MC1413采用NPN達

24、林頓復合晶體管的結構，因此具有很高的電流增益和很高的輸入阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成電路的輸出信號，并把電壓信號轉換成足夠大的電流信號驅動各種負載。該電路內含有7個集電極開路反相器（也稱OC門）。MC1413電路結構和引腳如圖4-4所示，它采用16引線的雙列直插式封裝。每一驅動器輸出端均接有一釋放電感負載能量的抑制二極管。4） 高精度低漂移能隙基準電源MC1403MC1403的輸出電壓的溫度系數為零，即輸出電壓與溫度無關。MC1403采用8引線雙列直插標準封裝，如圖4-5所示。 圖7.4 MC1413電路結構和引腳排列 圖7.5 MC1403外引腳排列圖5 電壓顯示器總原理圖圖7.6電

25、壓顯示器總原理圖八、頻率數字顯示器部分的設計1 頻率顯示器原理數字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是單位時間（ 1S ）內信號發生周期變化的次數。如果我們能在給定的 1S 時間內對信號波形計數，并將計數結果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數字頻率計首先必須獲得相對穩定與準確的時間，同時將被測信號轉換成幅度與波形均能被數字電路識別的脈沖信號，然后通過計數器計算這一段時間間隔內的脈沖個數，將其換算后顯示出來。這就是數字頻率計的基本原理。2總體電路結構原理函數信號整波電路譯碼器鎖存器計數器時基電路數碼管控制電路 電路設計中要求輸出的頻率能夠進行數字顯示。以正弦信號為例，該電路先使檢測信號

26、通過由555構成的施密特觸發器（整形電路）將正弦信號轉化成同頻率的脈沖信號，將被測信號直接加到主控門的輸入端，再由555構成的多諧振蕩器（時基電路）產生閘門信號至主控門，只有在閘門信號采樣期間（時基信號的一個周期），輸入信號才能通過主控門，由555構成的單穩態觸發器（控制電路）控制計數器的清零和鎖存器的鎖存。對于頻率為f的周期信號，用一個標準閘門信號（閘門寬度為TG）對被測信號的重復周期數進行計數，當計數結果為N時， f=N/TG。改變時基信號的周期范圍TG時，即可得到不同的測頻范圍。（1）：閘門信號的采樣時間為10S；（2）：閘門信號的采樣時間為1S；（3）：閘門信號的采樣時間為 0.1S。

27、當主控門關閉時，計數器停止工作，顯示器顯示記錄結果，此時控制電路輸出一個清零信號，為后續新的取樣做好準備，即能鎖住一次顯示時間，使其保留到接受新的取樣為止。鎖存信號清零信號閘門信號被測信號3單元電路設計與分析31 整形電路 電路圖如圖8.1所示 圖8.1 32時基電路頻率顯示計的時基電路是采用555構成的多諧振蕩器，控制計數器的輸入脈沖。多諧振蕩器不需要外加輸入信號，只需要接通電源，就能自動產生矩形脈沖信號，矩形脈沖信號的頻率是由電路參數R，C決定的，其電路圖如圖8.2。當閘門信號到來時，閘門開通，被測信號通過閘門進入計數器；當閘門信號脈沖結束時，閘門關閉，計數器無脈沖輸入。計數器的CP脈沖信

28、號是由待測信號和閘門信號相與來實現的。閘門信號圖8.2圖8.2中有三個檔位，每個檔位對應不同電容從而產生不同寬度TG的閘門信號，產生的閘門信號如下圖所示T2 T1根據電路原理可經過計算得 T1=0.7(R5+R6)C3=1.022S T2=0.7R6C3=0.25S3.3 控制電路 頻率顯示器的控制電路是由555構成的單穩態電路。單穩態觸發器的特點是：它有一個穩態和一個暫穩態，在外加脈沖作用下，電路從穩態發轉到暫穩態，依靠R，C定是電路的充，放電過程來維持暫穩態時間，其電路圖如圖8.3所示。控制電路利用閘門信號結束后產生的負跳變來產生鎖存信號，同時鎖存信號經過反相器又產生清零信號。圖8.33.

29、4計數器由于設計要求頻率顯示的范圍是20HZ-20KHZ，則計數器能計數的最大數不小于20000 ，將5片同步十進制計數器74LS160進行級聯，即可實現本設計所要求的脈沖計數。5片計數器的清零端是由控制電路產生的，CP脈沖端是由待測信號經整形后產生的矩形波提供的。其級聯電路圖如圖8.4。從左到右依次是十進制的萬位、千位、百位、十位、個位。 圖8.4計數器級聯3.5鎖存器鎖存器的作用是將計數器在T1結束時的計數值進行鎖存，使顯示器獲得穩定的測量值。當時鐘脈沖CP的正跳變到來時，鎖存器的輸出端等于輸入，從而將計數器的輸出值送到鎖存器的輸出端，正脈沖結束后，輸出不再改變。我們采用74LS373，其

30、管腳圖如圖8.5圖8.5 74LS373管腳圖D1-D8是數據輸入端Q1-Q8是輸出端OC 是三態允許控制端，低電平有效ENG 鎖存允許端當OC為低電平時Q1-Q8為正常邏輯狀態，可用來 驅動負載或總線；當OC為高電平時，Q1-Q8為高阻態，即不驅動負載。 當ENG=1時Q隨D改變而改變；當ENG=0時，Q被鎖存在已建立的數據電平。對于我們設計的電路ENG端是由控制電路的輸出信號決定的。3.6 譯碼器及數碼管的顯示將計數器的輸出值通過鎖存器輸送到7447七段數碼顯示譯碼器，驅動共陽極數碼管顯示。由鎖存器到譯碼器到數碼管的連接電路如圖8.6所示。圖8.6圖8.7頻率顯示總電路圖9、 收獲與體會及存在問題在看完所有的課程設計題目后我們組選擇了這個函數信號發生器，一來這事模電與數電方面的結合，可以考察這學期的收貨，而來許多東西都是書上的內容，想來更容易一些。我們組員先在網上參考了部分內容，一起討論了方案。最后一起決定使用最接近課本的方案。在做課程設計的過程中，最難的便是涉及到了模