武漢理工大學《模擬電子技術基礎》課程設計說明書PAGE21課程設計任務書學生姓名：專業班級：通信指導教師：工作單位：信息工程學院題目:函數發生器設計初始條件：示波器，萬用表，直流穩壓源，毫伏表，NE5532要求完成的主要任務:一任務：利用集成運算放大器和晶體管差分放大器等設計一個方波－三角波－正弦波函數發生器。二要求：設計制作一個方波－三角波－正選波發生器，頻率范圍10～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz；正弦波Upp≈3v，三角波Upp≈5v，方波Upp≈14v，幅度連續可調，線性失真小。

時間安排：十八周：查找收集相關資料十九周：初步定下實驗方案，進行理論計算，用Multisim仿真二十周：購買元器件，焊電路，寫報告指導教師簽名：年月日系主任（或責任教師）簽名：年月日目錄摘要 3Abstract 41 函數發生器電路的設計 51.1方案選擇 51.2器件選擇 61.3單元電路的設計 71.3.1方波發生電路的工作原理 71.3.2方波三角波轉換電路的工作原理 91.3.3三角波正弦波轉換電路的工作原理 111.4電路的參數選擇及計算 131.5總電路 142仿真結果及分析 153電路的安裝與調試 173.1焊接調試中的問題 173.2性能指標測量與誤差分析 173.3實物圖 184收獲與體會 195元器件清單 21

摘要函數信號發生器是一種能夠產生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路。函數信號發生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。通過對函數波形發生器的原理以及構成分析，可設計一個能變換出三角波、正弦波、方波的函數波形發生器。其電路中使用的器件可以是分立器件（如低頻函數信號發生器S101全部采用晶體管），也可以是集成電路（如單片集成電路函數發生器ICL8038）。產生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如先產生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變換成三角波；也可以先產生方波--三角波，再將三角波變換成正弦波。本設計中依靠自激振蕩產生正弦波，利用施密特觸發器原理組成多諧振蕩器方波方波，將方波積分產生三角波。該電路能實現正弦波、三角波的幅值、頻率可調，方波頻率、占空比可調。

AbstractFunctionGeneratorisabletogenerateavarietyofwaveforms,suchasthetrianglewave,sawtooth,rectangularwave(includingsquare),sinewavecircuit.Functiongeneratorexperimentsandequipmenttestingatthecircuithasaverywiderangeofuses.Throughtheprincipleofthefunctionwaveformgeneratorandthecompositionanalysis,canbedesignedtobeabletochangeoutofatriangularwave,sinewave,squarewavefunctionwaveformgenerator.Thecircuitusedinthedevicecanbediscretedevices(suchasthelow-frequencysignalgeneratorS101functionusedinalltransistors),itcanbeintegratedcircuits(suchasthemonolithicintegratedcircuitfunctiongeneratorICL8038).Generatesine,square,trianglewaveavarietyofprograms,suchascreatedinthefirstsinewave,andthenshapingcircuitwilltransformintoasquarewavesinewave,squarewavebytheintegralcircuitwillbetransformedintothetrianglewave;alsobecreatedinthefirstsquare---triangularwave,andthentransformintoatriangular-wavesinewave.Thedesignofrelyingonself-oscillatingsinewavegeneratedusingtheprincipleofthecompositionoftheSchmitttriggermultivibratorsquarewavesquarewavetrianglewavewillproducesquarepoints.Thecircuitcanachievesinewave,trianglewaveamplitude,frequencyadjustable,square-wavefrequency,dutycycleadjustable.

函數發生器電路的設計1.1方案選擇方案一:方波——三角波——正弦波圖1-1方波、三角波、正弦波、信號發生器的原理框圖首先由LM324多諧振蕩器產生方波，然后由積分電路將方波轉化為三角波，最后用低通濾波器將方波轉化為正弦波，但這樣的輸出將造成負載的輸出正弦波波形變形，因為負載的變動將拉動波形的崎變。系統采用雙電源供電，主體部分由LM324集成運放芯片構成的滯回比較器、積分器和二階有源低通濾波器電路組成。它由滯回比較器產生方波信號，方波信號經過積分器后產生三角波信號。三角波信號一路反饋回滯回比較器，作為滯回比較器；另一路經二階有源低通濾波器濾波以后產生正弦波信號。使用時可以在電路系統的不同輸出點得到不同的波形信號。方案二：正弦波——方波——三角波-原理框圖：積分電路電壓比較器RC正弦波振蕩電路積分電路電壓比較器RC正弦波振蕩電路圖1-2正弦波、方波、三角波信號發生器的原理框圖RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波—方波—三角波函數發生器的設計方法，電路框圖如上。先通過RC正弦波振蕩電路產生正弦波，再通過電壓比較器產生方波，最后通過積分電路形成三角波。此電路具有良好的正弦波和方波信號。但經過積分器電路產生的同步三角波信號，存在難度。原因是積分器電路的積分時間常數是不變的，而隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時改變。若要保持三角波幅度不變，需同時改變積分時間常數的大小。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。根據用途不同，有產生三種或多種波形的函數發生器，使用的器件可以是分立器件(如低頻信號函數發生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路。方案一的電路結構、思路簡單，運行時性能穩定且能較好的符合設計要求，且成本低廉、調整方便，關于輸出正弦波波形的變形，可以通過可變電阻的調節來調整。而方案二，關于三角波的缺陷，不是能很好的處理，且波形質量不太理想，且頻率調節不如方案一簡單方便。綜上，我們選擇方案一。1.2器件選擇器件1：采用ICL8038集成函數信號發生器芯片外加電阻、電容元件，構成波形發生電路。ICL8038集成函數信號發生器芯片是一種多用途的波形發生器芯片，它可以用來產生正弦波、方波、三角波和鋸齒波。它的振蕩頻率可以通過外加的直流電壓進行調節，是一種壓控集成函數信號發生器。雖然ICL8038集成函數信號發生器的功能強大，但是它的價格昂貴，而且市面上也較難買到。如果用ICL8038芯片來制作簡易波形發生器系統，則會大大增加系統的制作成本。器件2：采用LM324集成運放芯片，外加電阻、電容等元器件調整、濾波，構成簡易波形發生器。LM324是一種集成運算放大器芯片，它的內部有四個獨立的運算放大器。根據所學的知識，運算放大器可以構成滯回比較器、積分器和二階有源低通濾波器電路，可以分別產生方波、三角波和正弦波。依靠這些電路的組合，就可以制作成簡易波形發生器電路。該電路具有效率高、體積小、重量輕，輸出穩定等特點。而且LM324集成運放芯片價格低廉，可以降低電路的制作成本。基于這種考慮，器件2可被選用。LM324芯片簡介：LM324是由四個獨立的運算放大器組成的電路。它設計在較寬的電壓范圍內單電源工作，但亦可在雙電源條件下工作。本電路在家用電器上和工業自動化及光、機、電一體化領域中有廣泛的應用。其特點如下：有寬的單電源或雙電源工作電壓范圍；內含相位校正回路,外圍元件少；電壓輸出范圍寬；共模輸入電壓范圍寬。LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝（DIP14），外形如圖3所示：圖1-3LM324外型圖片它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖2所示的符號來表示：圖1-4LM324內部的運放單元在電路中的符號它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖5：圖1-5LM324引腳圖由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態功耗小，可單電源使用，價格低廉等優點，因此被廣泛應用在各種電路中。器件三：NE5532是一種雙運放高性能低噪聲運算放大器。相比較大多數標準運算放大器，如1458，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅動能力和相當高的小信號和電源帶寬。該儀器是由兩個獨立的運算放大器組成的電路，本實驗可與LM324替代使用。且價格低廉，易買到，也在選擇范圍內。1.3單元電路的設計1.3.1方波發生電路的工作原理此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環節，又作為反饋網絡，通過RC充、放電實現輸出狀態的自動轉換。設某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當t趨于無窮時，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變為-Uz,與此同時Up從+Ut躍變為-Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時間逐漸增長而減低，當t趨于無窮大時，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變為+Uz，Up從-Ut躍變為+Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產生了自激振蕩。 圖1-6比較器電壓傳輸特性圖1-7方波產生原理圖

1.3.2方波三角波轉換電路的工作原理C2C2圖1-8方波—三角波產生電路±UT=±(R2×Uo2m)／(R3+Rp1)T=4R2(R4+Rp2)C1／(R3+Rp1)工作原理如下：若R4與RP2交點斷開，運算發大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C2為加速電容，可加速比較器的翻轉。運放的反相端接基準電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）,當比較器的U+=U-=0時，比較器翻轉，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設Uo1=+Vcc,則將上式整理，得比較器翻轉的下門限單位Uia-為若Uo1=-Vee,則比較器翻轉的上門限電位Uia+為比較器的門限寬度由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖1-6所示。交點斷開后，運放A2與R4、RP2、C2及R17組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為時，時，可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關系下圖所示。圖1-9方波產生三角波原理圖交點閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環電路，則自動產生方波-三角波。三角波的幅度為方波-三角波的頻率f為由以上兩式可以得到以下結論：電位器RP2在調整方波-三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實現頻率微調。方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可實現幅度微調，但會影響方波-三角波的頻率。

1.3.3三角波正弦波轉換電路的工作原理圖1-10三角波正弦波轉換電路圖三角波——正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達式為：式中——差分放大器的恒定電流；——溫度的電壓當量，當室溫為25oc時，UT≈26mV。如果Uid為三角波，設表達式為式中Um——三角波的幅度；T——三角波的周期。為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：傳輸特性曲線越對稱，線性區越窄越好；三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區或截止區。圖為實現三角波——正弦波變換的電路。其中R13調節三角波的幅度，R7調整電路的對稱性，其并聯電阻R8用來減小差分放大器的線性區。電容C2,C3,C4為隔直電容，C1為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。圖1-11三角波—正弦波變換電路圖1-12方波三角波變換圖1.4電路的參數選擇及計算1）方波-三角波中電容C1變化（關鍵性變化之一）實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，后來將C2從10uf（理論時可出來波形）換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當C2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現。2）三角波-正弦波部分比較器A1與積分器A2的元件計算如下。由即取，則，取，RP1為100KΩ的電位器。區平衡電阻由式（3-62）即當時，取以實現頻率波段的轉換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻。三角波—>正弦波變換電路的參數選擇原則是：隔直電容C2、C3、C4要取得較大，因為輸出頻率很低，取，濾波電容C1視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。R7=50歐與RP4=50歐姆相并聯，以減小差分放大器的線性區。差分放大器的幾靜態工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調整RP3及電阻RP4確定.1.5總電路圖1-12總電路圖先通過比較器產生方波，再通過積分器產生三角波，最后通過差分放大器形成正弦波。

2仿真結果及分析在Multiuse運行本電路圖得到的方波，三角波，正弦波如下圖所圖2-1方波仿真圖在仿真中，方波的幅值為14V，比要求中的高，但是在實際中加了一個電位器使方波幅度可調且范圍為0到14.1V，符合要求。在仿真中方波的上升時間較大，在實際焊接中，加了一個加速電容使仿真的上升時間得意控制，符合題目要求。

圖2-2三角波仿真圖圖2-3正弦波仿真圖由方正波形可以看出，三角波，正弦波的線性失真小符合題目要求。且三角波正弦波幅度連續可調，符合題目要求。頻率在題目要求范圍內可調。3電路的安裝與調試3.1焊接調試中的問題1、在實際焊板子的時候遇到了仿真中沒有的問題，如LM324使用中因為焊接失誤導致燒毀，只能用于其相近的芯片NE5532代替，但是Multisim仿真中沒有NE5532，因此仿真仍然用了LM324.第一塊實物焊接作品調試出現較大失真，達不到任務要求，因此綜合經濟、時間等因素，就近尋找元件進行了第二次焊接。2、方波的峰峰值過低或者過大，通過改變輸入電源的值，最終得到滿足要求的峰峰值。3、板子的焊接過程中做大的問題就是調節靜態工作點。開始的時候靜態工作點調不好，導致產生的正弦波不對稱，后來又在鏡像恒流源加了一個電位器使靜態工作點調試成功，從而正弦波使上下對稱。3.2性能指標測量與誤差分析 1、方波輸出電壓Upp=14V，是因為運放輸出極有PNP型兩種晶體組成復合互補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與導通，由于導通時輸出電阻的影響，使方波輸出度小于電源電壓值。2、三角波的輸出電壓主要受比較器的門限寬度的限制3、為使輸出波形更接近正弦波，要求傳輸特性曲線越對稱，線性區越窄越好。三角波的幅度Um應正好使晶體管截止電壓。4、測得數據3.3實物圖圖3-1調試成功的實物裝備面俯視圖圖3-2調試失真較大的第一份焊接實物4收獲與體會模電課設一閃而過，回顧這幾天的辛苦摸索，心中不免感慨良多。最初的時候，multisim的學習也不是那么順利由于是全英文的界面，后來在各種找資料的幫助下組建有了些頭緒，知道了如何選擇元件，如何搭建電路，隨著一步一步深入的學習了解，越發的覺得multisim的強大與實用，也越發的覺得自身學習的不足，也越來越明白書山有路勤為徑，學海無涯苦作舟的至理名言，然后我對multisim進行更加深入的了解與應用，也學到了很多。用仿真軟件修改元件參數，調試數據過程也很艱辛，在調試中也增進了對元件作用的理解。通過本次設計，加強了自己的理論水平，提高了自己的動手能力，學