模电课程设计

函数发生器。

一、设计的目的、任务和要求。

1设计目的。

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设计任务。

设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器。

3课程设计的要求及技术指标。

a) 设计、组装、调试函数发生器。

b) 输出波形：正弦波、方波、三角波；

c) 频率范围：在10－10000hz范围内可调；

d) 4．输出电压：方波uｐ－ｐ24v，三角波uｐ－ｐ8v，正弦波uｐ－ｐ1v；

二、设计方法。

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器s101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。

产生正弦波、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。本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：

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。

三、设计电路及参数选择。

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。

2 方波---三角波转换电路的工作原理。

方波—三角波产生电路。

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

将上式整理，得比较器翻转的下门限单位uia-为。

若uo1=-vee,则比较器翻转的上门限电位uia+为。

比较器的门限宽度。

由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-71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

时，时，

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。

方波-三角波的频率f为。

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 三角波---正弦波转换电路的工作原理三角波——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：

式中 —差分放大器的恒定电流；

—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。

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rp1调节三角波的幅度，rp2调整电路的对称性，其并联电阻re2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。

三角波—正弦波变换电路。

4电路的参数选择及计算。

1.方波-三角波中电容c1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c2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c2=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。

由式（3-61）得。

即。取，则，取，rp1为47kω的电位器。区平衡电阻。

由式（3-62）

即。当时，取，则，取，为100kω电位器。当时，取以实现频率波段的转换，r4及rp2的取值不变。取平衡电阻。

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，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。

re2=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。

5 总电路图。

三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路。

先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。

五、误差分析。

1系统误差。

1）实验室仪器有损坏，使得某些可调电阻失效，导致幅值出现误差。

2）万用表测电阻时调零按钮难以掌握，使所测数据不精确。

2 随机误差。

1）读数误差；实验过程中读数不够精确，即使是用数字万用表，有些数据显示不够稳定，无法读出确切值。

2）理论上频率值约为700hz，实测625hz，一方面由于计算时采用四舍五入等多种近似计算，多次的近似计算会带来误差。测量时，电阻阻值会随着温度的变化而变化，用万用表和示波器测数据也有误差。

改进电路的方法有；在读数时尽量读准确，不可过长时间使电路处于工作状态以减少因温度而影响电阻值的可能性，尽量选择合适参数的器件（例如在满足条件下选择能够整除的参数以减少算数时的近似计算带来的误差）。

六、心得体会。

为期两天的课程设计已经结束，在这两天的学习、设计过程中我感触颇深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接方法；以及如何提高电路的性能等等。

其次，这次课程设计提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契，体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦。

在实验过程中，我们遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。

在老师和同学的帮助下，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啊。实验中暴露出我们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，老师们不厌其烦地为我们调整波形，讲解知识点，实在令我感动。

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，而且也巩固了以前知道的知识。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们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，我个人感觉调试部分是最难的，因为理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。

而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧！

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