模电函数发生器课程设计报告

实验名称 函数信号发生器

1.实验目的

1.掌握电子系统的一般设计方法。 2.掌握模拟IC器件的应用。

3.培养综合应用所学知识来指导实践的能力。 4.掌握常用元器件的识别和测试

5. 熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法 2.总体设计方案或技术路线 2.1 电路设计原理框图

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。现在我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证经济、方便、优化的设计策略。按照设计的方案选择具体的原件，焊接出具体的实物图，并在实验室对焊接好的实物图进行调试，观察效果并与最初的设计要求的性能指标作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。

图2-1 函数发生器电路组成框图

2.2 电路设计方案设计

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。能实现频率可调的指标要求，且能实现一定范围内的幅度调节。但积分电路的时间参数选择需保证电路不出现积分饱和失真。 3.实验电路图

3.1 各部分电路设计

3.1.1 方波发生电路的工作原理

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Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo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的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo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=-Ut,再减小，Uo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。

图3-1 方波发生电路

U-=Uc

U+= (R3/ (R3+R4+Rp2)) (+Uz) Ut = (R3/ (R3+R4+Rp2)) (+Uz) Uc (t) =Uc (oo) + [Uc (0)-Uc (oo)] e ^-t/τ Ut+=Uz+ [Ut_-Uz]

T=2τ/ln (1+2R3/（R4+Rp2))

3.1.2 方波---三角波转换电路的工作原理

图3-2 方波-三角波产生电路图 R25UTUUo22mR33RRp16TRRp))C4R2C5(R424211R3RRpR361

图3-3 比较器的电压传输特性 图3-4 方波----三角波变换 工作原理如下：

若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，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RPRRP131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，如图3-3所示。

a点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5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

(R4RP2)C2UO1VCC时，UO2(VCC)VCCtt

(R4RP2)C2(R4RP2)C2VCC(VEE)tt

(R4RP2)C2(R4RP2)C2UO1VEE时，UO2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，其波形关系下图所示。

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RP1方波-三角波的频率f为

fR3RP1

4R2(R4RP2)C2由以上两式可以得到以下结论：

1． 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C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。

2. 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。

3.1.3三角波---正弦波转换电路的工作原理

图3-5 三角波-正弦波产生电路

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aI0aI0 IaIC1E11eUid/UT1eUid/UT式中 aIC/IE1

I0——差分放大器的恒定电流；

UT——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，由图可见： （1） 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

（2） 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

（3） 图为实现三角波——正弦波变换的电路。其中Rp3调节三角波的幅度，Rp4调

整电路的对称性，其并联电阻R11用来减小差分放大器的线性区。电容C1,C2,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。

图3-6 三角波-----正弦波变换

3.1.4电路的参数选择及计算

1.方波-三角波中电容C01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C02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C02=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

比较器A1与积分器A2的元件计算如下。 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)C2即R4RP1R3RP1

4R2C2当1HZf10时，取C210F，则R4RP2(75~7.5)k，取R45.1k，为100KΩ电位器。当10HZf100时 ，取C21F以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻R510k。

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。R11=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。 3.2总电路图

图3-7 函数发生器总电路图

4. 仪器设备名称、型号

1．直流稳压电源 2．双踪示波器 3．万 用 表 4．运 放741 5．电位器50K 电位器100K 电位器100Ω 6．电 容470μF 电 容10μF 电 容1μF 电 容0.1μF 电 容0.01μF 7．电 阻100Ω 电 阻2KΩ 电 阻6.8KΩ 电 阻10KΩ 电 阻15KΩ 电 阻20KΩ 电 阻51KΩ 8． 三极管9013 9. 面包板 5.理论分析或仿真分析结果

5.1 方波---三角波发生电路的仿真 仿真条件：

先调节R4的电阻，即按动a键，使得输出三角波的峰峰值为8V,然后改变电容的值，让它分别为0.01uF、0.1uF、1uF、10uF,对应电阻R6的范围（即改变b的大小）得出不同的图形。

1台 1台 1台 2片 2只 1只 1只 3只 1只 1只 2只 1只 1只 2只 2只 3只 1只 3只 1只 4只 1片

图5-1 C1=0.01uF 1% 图5-2 C1=0.01uF 99%

图5-3 C1=0.1uF 1% 图5-4 C1=0.1uF 99%

图5-5 C1=1uF 1% 图5-6 C1=1uF 99%

图5-7 C1=10uF 1% 图5-8 C1=10uF 99% 5.2 三角波---正弦波转换电路的仿真 仿真条件：

先将电容接地，调节Rp4,从而调节输出电压。再输入三角波，看输出是否为正弦波，并记录最大不失真时的正弦波峰峰值，使之大于1V。

图5-9 静态工作点

图5-10 C1=0.01uF 1% 图5-11 C1=0.01uF 99%

图5-12 C1=0.1uF 1% 图5-13 C1=0.1uF 99%

图5-14 C1=1uF 1% 图5-15 C1=1uF 99%

图5-16 C1=10uF 1% 图5-17 C1=10uF 99%

6.详细实验步骤及实验结果数据记录（包括各仪器、仪表量程及内阻的记录）

6.1 方波---三角波发生电路的安装与调试 6.1.1 安装方波——三角波产生电路

（1）把两块741集成块插入面包板，注意布局；

（2）分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法； （3）按图接线，注意直流源的正负及接地端。 6.1.2 调试方波——三角波产生电路

（1）接入电源后，用示波器进行双踪观察； （2）调节RP1，使三角波的幅值满足指标要求； （3）调节RP2，微调波形的频率；

（4）观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装。 表6-1 multisim仿真结果 C=0.01uf C=0.1uf C=1uf C=10uf 实际电路结果： 表6-2实际电路结果 C=0.01uf C=0.1uf C=1uf C=10uf fmin= HZ fmin= HZ fmax= KHZ fmax= KHZ fmax= HZ fmax= HZ fmin=625HZ fmin=66.2HZ Fmin=6.69HZ Fmin=0.672HZ fmax=1.09KHZ fmax=1KHZ fmax=113HZ fmax=11.429HZ 6.2 三角波---正弦波转换电路的安装与调试

6.2.1 安装三角波——正弦波变换电路

（1）在面包板上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线； （2）搭生成直流源电路，注意R*的阻值选取； （3）接入各电容及电位器，注意C6的选取； （4）按图接线，注意直流源的正负及接地端。 6.2.2 调试三角波——正弦波变换电路

（1）接入直流源后，把C4接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点； （2）测试V1、V2的电容值，当不相等时调节RP4使其相等； （3）测试V3、V4的电容值，使其满足实验要求；

（4）在C4端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形

刚好不失真时记入其最大不失真电压；

（1）静态工作点： 表6-3 静态工作点实验结果

R17= Vc1= Vc2= Vc3= mV Vc4= mV

（2）最后波形：Uo3（正弦波） Uo2（三角波） 测量值Uo3= V 峰峰值Uo2= mV

6.3 总电路的安装与调试

1. 把两部分的电路接好，进行整体测试、观察

2. 针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰

峰值大于1V。

7.实验结论

8.实验中出现的问题及解决对策

9.本次实验的收获和体会、对电路实验室的意见或建议

10．参考文献

[1]华成英、《模拟电子技术基础》、2005、高等教育出版社 [2]董 平、《电子技术实验》、2003、电子工业出版社 [3]童诗白、《模拟电子技术基础》（第四版）、2006、高等教育出版社 [4]于 卫、《模拟电子技术实验及综合实训教程》、2008、华中科技大学出版社 [5]李万臣、《模拟电子技术基础 设计 仿真 编程与实践》、哈尔滨工程大学出版社