方波-三角波-正弦波函数发生器设计

湖北民族学院

课程设计报告

课程设计题目

课程：电子线路课程设计

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指导教师：

2014年 6 月20 日

信息工程学院课程设计任务书

2014年6月20日

信息工程学院课程设计成绩评定表

摘要

函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如方波、三角波、正弦波的电路。函数发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出方波、三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。

该系统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，并通过在示波器上观察波形及数据，得到结果。其中电压比较器实现方波的输出，又连接积分器得到三角波，并通过三角波-正弦波转换电路看到正弦波，得到想要的信号。

该系统利用了Protues电路仿真软件进行电路图的绘制以及仿真。Protues软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借Protues，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并让设计者实现相应的技术指标。

本课题采用集成芯片ICL8038制作方波-三角波-正弦波函数发生器的设计方法，经过protues仿真得出了方波、三角波、正弦波、方波-正弦波转换及三角波-正弦波转换的波形图。

关键词：电源，波形，比较器，积分器，转换电路，低通滤波，Protues

目录

1引言-------------------------------------------------------------- 5

1.1课程设计任务------------------------------------------------- 5

1.2课程设计的目的----------------------------------------------- 5

1.3课程设计要求------------------------------------------------ 5

2 任务提出与方案论证------------------------------------------------ 6

2.1函数发生器的概述--------------------------------------------- 6

2.2方案论证 --------------------------------------------------- 6

3 总体设计---------------------------------------------------------- 8

3.1总电路图----------------------------------------------------- 8

3.2 电路仿真与调试技术------------------------------------------ 9

4 详细设计及仿真--------------------------------------------------- 10 4.1 方波发生电路的工作原理与运放741工作原理-------------------- 10 4.2方波—三角波产生电路的工作原理------------------------------ 10

4.3三角波—正弦波转换电路的工作原理---------------------------- 11

4.4整体仿真效果图---------------------------------------------- 13

5 总结------------------------------------------------------------- 14 参考文献----------------------------------------------------------- 15

1引言

现在世界中电子技术和电子产品的应用越加广泛，人们对电子技术的要求也越来越高。因此如何根据实际要求设计出简便实用的电子技术物品便显得尤为重要。因此在存在着无数的信号的大千世界里，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，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。

波形发生器作为一种常用的信号源，是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整体设备时，都应要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它的性能参数。信号发生器是电子测试领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器，它能够给被测电路提供所需要的波形。传统的波形发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，不能根据实际需要灵活扩展。随着微电子技术的发展，运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调的信号。与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便。

本文所设计的波形发生器就是信号源的一种，采用集成运算放大器、电阻和电容组成简单的电路，实现波形的产生和转换。

1.1课程设计任务

设计方波—三角波—正弦波函数发生器

1.2 课程设计的目的

1.通过课程设计，使学生巩固和加强对电子技术电路基本知识的理解，学会查询资料、方案设计，方案比较，以及单元电路设计计算等环节，进一步提高分析解决实际问题的能力。

2.独立开展电路实验，锻炼分析解决电子电路问题的实际本领，真正实现由知识向智能的转化，通过此综合训练，为以后毕业设计打下一定的基础。

3.掌握常用元器件的识别和测试熟悉常用仪器，了解调试的基本方法，培养综合应用所学知识来指导实践的能力。

4.掌握电子系统设计方法，善于总结和思考，独立完成设计方波—三角波—正弦波函数信号发生器的任务。

1.3课程设计要求

（1）输出的各种波形工作频率范围0.02Hz~20KHz连续可调。

（2）正弦波幅值10v或-10v,失真度小于1.5%。

（3）方波幅值为10v、-10v。

（4）三角波峰-峰值20v；各种输出波形均连续可调。

2 任务提出与方案论证

2.1函数发生器的概述

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。

2.2方案论证

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—正弦波的设计方法。弦波、方波、三角波的方案有很多种，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者将方波变成正弦波等等。

方案一：首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。原理框图如图1-1所示。

图1-1 方波、三角波、正弦波、信号发生器的原理框图方案二：电压比较器、积分电路以及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，电路框图如下。先通过电压比较器产生方波，再通过积分电路形成三角波，最后通过查分放大电路产生正弦波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。原理框图如图1-2所示。

图1-2 方波、三角波、正弦波信号发生器的原理框图

由于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，本系统未采用单片函数发生器模块8038。

方案一的电路结构、思路简单，但用低通滤波器将方波转化为正弦波时，其输出因为负载的变动将拉动波形的崎变将造成负载的输出正弦波波形变形；而方案二，运行时性能稳定且能较好的符合设计要求，且成本低廉、调整方便。综上所述，我们选择方案二。

3 总体设计

3.1总电路图

采用图中所示电路，其中运放A1与A2用一只双运放uA747，差分放大器采用晶体管单端输入—单端输出差分放大器，因为方波的幅度接近电源电压，所以取电源电压+Vcc=+12V ，-Vee=-12V 。

比较器A1与积分器A2的元器件参数计算如下：

由 CC o V RV R R V 132+=

得 3

11241232===+cc m o V V RV R R 取R2=10K 欧姆，取R3=20K 欧姆，RV1=47K 欧姆。平衡电阻R1=R2/(R3+RV1)=10K 欧姆。 当1Hz

三角波—正弦波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=470uF ，滤波电容C6的取值按暑输出波形而定，若高次谐波成分较多，则C6一般为几十皮法至0.1uF 。Re2=100欧姆，RV4=100欧姆并联，以减小差分放大器的线性区。如图2-1所示。

图2-1 函数发生器总电路图

3.2 电路仿真与调试技术

在仿真多级电路时，通常按照单元电路的先后顺序进行分级调试，再联调。

1.方波—三角波的调试

由于比较器与积分器组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，故这两个单元

电路能在一起调试。需要注意的是，在安装电位器RV1与RV2之前，要先将其调整

到设计值，否则电路可能会不起振。如果电路接线正确，则在接通电源后，比较器

的输出为方波，积分器输出为三角波，微调RV1，使三角波的输出幅度满足设计指

标要求，微调RV2，则输出频率连续可变。

2.三角波—正弦波的调试

三角波—正弦波变换电路的调试。将RV3与C4连接，调节RV3使三角波的输出幅

度（经RV3后输出）等于Vidm值，这时Vo3的波形应接近正弦波，调整C6，改善

波形，如果Vo3的波形出现失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采

用的相应处理措施如下；

●钟形失真：传输特性曲线的线性区太窄，应减小RE2

●半波圆顶或平顶失真：传输特性曲线对称性差，静态工作点Q偏下或偏上，应

调节电阻R

●非线性失真：三角波的线性度较差引起的失真，主要受运放性能的影响，可在

输出端加滤波网络改善输出波形

4 详细设计及仿真

4.1 方波发生电路的工作原理与运放741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R3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。

uA741是美国仙童公司较为早期的产品,由于其性能完善,如差模电压范围和共模电压范围宽,增益高,不需外加补偿,功耗低,负载能力强,有输出保护等,因此具有较广泛的应用.

图3-1 运放741工作原理与电路图

4.2方波—三角波产生电路的工作原理

图3-2中的电路能自动产生方波—三角波。电路工作原理如下：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 CC o V RV R R V 1

32+=

方波—三角波的频率 2

423)1(41C RV R R RP R f ++= 由上面两个式子可以得到以下结论：

1. 电位器RP1在调节方波—三角波的输出频率时，一般不会影响输出波形的幅度。若要求

输出频率范围较宽，可用在R3、RV1两端并联一个电容来改变频率的范围，RV2实现频率微调。

2. 方波的输出幅度约等于电源电压+Vcc 。三角波的输出幅度不超过电源电压+Vcc 。电位器

RV1可实现幅度微调，但会影响方波—三角波的频率。

图3-2 方波—三角波产生电路

4.3三角波—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。如图3-3所示。

差分放大电路具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效抑制零点漂移，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： 022/1id T C E U U aI I aI e ==+ 011/1id T

C E U U aI I aI e -==+ 式中 /1C E a I I =≈

0I ——差分放大器的恒定电流；

T U ——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

44434m id m U T t T U U T

t T ???- ?????=?-???- ????? 022T t T

t T ?

?

≤≤

???

??≤≤ ???

式中 Um ——三角波的幅度；

T ——三角波的周期。

图3-3 三角波—正弦波转换电路

图3-4 输出波形

为使输出波形更接近正弦波，由图3-4可见：

Ⅰ. 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

Ⅱ. 三角波的幅度Um应更好使晶体管接近饱和区或截止区。

Ⅲ. 下图为实现三角波——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为隔直流电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

4.4整体仿真效果图

如下图所示，第一个波形是方波，第二个是三角波，第三个是正弦波。

5 总结

为期几个星期的课程设计已经结束，在这几星期的学习、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。通过对函数信号发生器的设计，我掌握了常用元件的识别和测试以及选型；熟悉了在仿真中常用的仪器仪表。

通过对函数信号发生器的设计，我还深刻认识到了“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。在整个设计到调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你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！

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。在自己查阅资料以及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啦。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。

通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说坐而言不如立而行，对于这些电路还是自己动手实际操作才会有深刻理解。感谢学校和老师给我安排了这次课程设计，让我真正感受到的是合作的重要，许多时候都是同学的讨论，老师的指导中的一句半句启发了我，就出现了让人欣喜的结果；理论知识同样很重要，有些问题都是基础知识掌握不好才出现的。总的来说。我觉得像课程设计这种类型的作业对我们的帮助还是很大的，他需要我们将学过的相关知识系统地联系起来，从中暴露出自己的不足，以待改正。整个设计可以基本实现其功能，由于水平有限，难免有错误，还希望老师批评指正。所以在以后的学习生活中，我要更加努力，牢牢掌握基本理论知识，然后在此基础上多动手实践，努力改正这次课程设计中所出现的错误，让自己在电路设计方面更上一层楼。

参考文献

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