中原工学院。课。程。
设。计。任。务。
书。目录 -
1. 课程设计的任务和要求。
2. 设计方案的选择。
3. 电路设计主要的技术指标。
4. 函数信号发生器电路原理分析。
5. 函数信号发生器元件参数的选择。
6. 函数信号发生器的安装和调试。
7. 课程设计的过程中遇到的问题及解决方法。
8. 课程设计的**。
9. 课程结果分析。
10. 课程设计的心得和体会。
11. 附录。
摘要。在人们认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。
可见信号源在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，**各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。
波形发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形，广泛地应用于各大院校和科研场所。随着科技的进步，社会的发展，单一的波形发生器已经不能满足人们的需求，而我们设计的正是多种波形发生器。本次设计用运放来组成rc积分电路，低通滤波电路来分别实现方波，三角波的输出。
它的制作成本不高，电路简单，使用方便，有效的节省了人力，物力资源。
本文通过介绍一种电路的连接，实现函数发生器的基本功能。将其接入电源，具有实际的应用价值。并通过在示波器上观察波形及数据，得到结果。
ewb软件结合了直观的捕捉和功能强大的**，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借ewb，可以立即创建具有完整组件库的电路图。本设计就是利用ewb软件进行电路图的绘制并进行**。
关键词：电源，波形，放大器，积分器，转换电路，ewb
一、函数信号发生器的设计任务。
设计一函数信号发生器，能输出三角波和方波两种波形。
二、设计方案的选择。
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，也可以采用集成电路。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二阶低通滤波器共同组成的方波—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，然而这种方法也有几套方案。
方案一：首先由一个rc振荡电路产生方波，然后将此波形接入一个积分电路产生三角波，用折线法将三角波转换成正弦波。此方案在执行时比较困难，原因在于三角波到正弦波的转换上，折线法的参数很难确定。
方案二：首先由一个rc振荡电路产生方波，然后将此波形接入一个积分电路产生三角波，将三角波通过滤波电路实现到正弦波的转换。此方案很好，但是没采用，原因在于电路的前面部分比较繁琐，如果电路太繁琐，那么对后面的结果影响也就更大，会增大误差，故而放弃。
方案三：首先由一个rc振荡电路产生方波，然后将此波形接入一个积分电路产生三角波，用一个差分电路来实现波形的转换，。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。但是最终不好调试，故而启弃用。
方案四：在方案三的基础上进行了改进，用一个积分电路替代了前面的rc振荡回路，这样做起来就更简洁，焊点较少，那么负面影响也就相对会减小，故而采用了本方案。
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，三角波变换电路主要由二阶低通滤波器来实现。二阶低通滤波器是在一阶的基础上再加上一个rc电路构成，能够很好的抑制低频率信号的通过，从而将处于低频率的三角波，实现波形变换。
三、主要的技术指标。
1. 能输出方波和三角波两种波形，用开关切换输出。
2. 输出的电压均为双极性。
3. 输出的阻抗均为50ω
4. 输出方波时的输出电压峰值为0~5v可调，输出信号的频率为200hz~2khz可调。
5. 输出为三角波时输出电压的峰值为0~5v可调，输出信号频率为200~2khz可调。
四、信号发生器电路的原理分析。
方波产生电路原理图如下：
原理分析： 此电路由反相输入的滞回比较器和rc电路组成。rc回路即作为迟滞环节，又作为反馈网络，通过rc冲、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通过电阻对电容c正向充电，如图中箭头所示。反相输入端电位n 随时间的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，un趋于+uz；但是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对电容反相充电，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=-uz再减小，uo就从-uz跃变为+uz，uo从-ut跃变为+ut，电容又开是正向充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。
三角波发生器的原理图如下：
在三角波信号发生器电路原理上增加了一级放大器，目的是为了实现输出电压可调和输出阻抗阻抗为50ω.
工作原理：如图所示，在电路的左边为同相滞回比较器，右边为积分运算电路。同相滞回比较器的输出高低电平分别为uoh=+uz，uol=-uz
积分运算电路的输出电压uo作为输入电压，a1同乡输入端的电位。
up1=uo1·r1/(r1+r2+r6)+uo·(r2+r6)/(r1+r2+r6)
令up1=un1=0，并将uo1=±uz带入得。
ut=±uz·r1/(r2+r6)
电路的振荡原理。
合闸通电，通常c 上电压为0。设uo1↑→ up1↑→ uo1↑↑，直至uo1 ＝ uz；积分电路反向积分，t↑→ uo↓，一旦uo过－ ut ，uo1从＋ uz跃变为－ uz。积分电路正向积分，t↑→ uo↑， 一旦uo过＋ ut ， uo1从－ uz跃变为＋ uz ，返回第一暂态。
重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。由于积分电路反向积分和正向积分的电流大小均为uo1/(r3+r7)，使得u0在一个周期内的下降时间和上升时间相等，且斜率的绝对值也相等，因而将方波转换为三角波。
主要参数估算：
1振荡幅值。
在如图所示的三角波—方波发生电路中，因为积分电路的输出电压就是同相滞回比较器的输入电压，所以三角波的幅值为±uom=±ut=±uz·r1/r2
因为方波的幅值决定于由稳压管组成的限幅电路，所以。
uoh=+uz，uol=—uz
2 振荡周期。
在图3中，在振荡的二分之一周期内，起始值为—ut，终了值为+utut=uz·t/2·1/r3·c-ut
得到t=4·r1·(r3+r7)·c/(r2+r6)
积分器的输出uo=—1/（r3+r7）·∫uo1dt
uo1=+vcc时，uo2=—（vcc）·t/(r3+r7)·c1
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。
图4 方波—三角波的波形变换。
比较器与积分器首尾相连，形成闭环回路，则自动产生方波——三角波，三角波的幅度为。
uo2=vcc·r1/(r3+r7)
方波——三角波的频率为
f= (r2+r6)/4r1(r3+r7)
所以有以下结论：
1.电位器r7在调节方波——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c1改变频率的范围，r7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rf2可实现幅度微调，但会影响方波——三角波的频率。
五、方波三角波函数信号发生器元件参数的选择。
1、方波信号发生器元器件及参数的选择。
1) 运算放大器的选择。
根据指标要求，主要采取双电源、通用、无需调零型运放，可选择741，在这次设计里选择的是358.
2) 电源电压的选择：选择电源电压15v左右。
3) 稳压二极管的选择：考虑输出电压和电源电压的要求，可选择稳压值约为10v的稳压管，例如1n4007等。
4) 频率参数的选择。
输出信号的频率为200~2khz可调，决定信号频率的元件为rf1、rf2、c、r2、r1.
可取r1/r1+r2 =0.47则f=1/2(rf1+rf2)c,即得r1=4.7kω,r2=5.1kω
电容可取1uf以下的，rf可以取几千欧到几百千欧之间，为使频率可调，选择rf2为电位器。rf2最小时，应有f=1/2rfc=1/2rf1c=2000hz, rf2最大时，应该有f=1/2rfc=1/2(rf1+rf2)c=200hz。
若取c=0.033uf,计算出rf1=7.6kω,rf2=68.4kω。
5）幅度参数选择。
输出信号的幅度为0~5v可调，决定信号的幅度元件为r4、r5的参数，由于输出稳压管的电压幅度为10v，所以要使r5是r4的一半，达到降压的目的，选择r4=10kω,r5=4.7kω的电位器。
2、三角波信号发生器元器件及参数的选择。
1) 运算放大器、电源电压、稳压二极管的选择。
同方波发生器的选择相同。
2) 频率参数的选择：
输出信号的频率为200-2khz可调，决定信号频率元件为r7、 r4、c、r1、 r2。
f=r2/4r1(r4+r7)c
可取r1/r2=1则f=1/4(r4+r7)c。
取r1=10kω，r2=10kω,则u0m=uz，电容可取1uf以下的，r4+r7可取几千欧到几百千欧之间，为使频率可调，选择r7为电位器。r7最小时f=1/4r4c=2000hz, r7最大时，应有f=1/4(r4+r7)c =200hz.
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