課程設(shè)計--函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計

1、<p><b>　　課程設(shè)計說明書</b></p><p>　　課程設(shè)計名稱： 電子技術(shù)（模擬電路部分） </p><p>　　課程設(shè)計題目：設(shè)計制作一個方波—三角波—正弦波的函數(shù)轉(zhuǎn)換器</p><p>　　學(xué) 院 名 稱： 物理與電子工程學(xué)院 <

2、;/p><p><b>　　一、實驗方案</b></p><p><b>　　方案一： </b></p><p>　　采用傳統(tǒng)的直流頻率合成器。這種方法能實現(xiàn)快速頻率變換，且具有低相位噪聲以及所有方法中最高的倍頻分頻混頻和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積龐大成本高，而且容易產(chǎn)生過多的雜散分量，難以達到較高的頻譜純度。

3、</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　采用555集成芯片，外接部分電容及電阻，用調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)整個裝置的頻率及滿足實驗要求的可調(diào)頻率，調(diào)節(jié)555芯片接入的電壓值來調(diào)節(jié)各波形的幅值，可使方波占空比可調(diào)。</p><p><b>　　方案三： </b></p><p>　

4、　產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波轉(zhuǎn)變成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波——方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊?。本課題采用先產(chǎn)生方波——三角波，再將三角波變換成正弦波變換成正弦波的電路設(shè)計方法，由比較器和積分器組成方波——三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由低通濾波器來完成。</p><

5、p>　　本實驗選用方案三：采用集成運放UA741CD實現(xiàn)方波——三角波的轉(zhuǎn)換，然后利用RC振蕩電路產(chǎn)生正弦波。</p><p><b>　　二、系統(tǒng)的組成</b></p><p>　　本系統(tǒng)主要采用UA741CD芯片組成。</p><p>　　UA741CD型運算放大器具有廣泛的模擬作用。寬范圍的共模電壓和無阻塞功能可用于電壓跟隨器。高增

6、益和寬范圍的工作電壓特點在積分器、加法器和一般反饋應(yīng)用中能使電路具有優(yōu)良性能。此外，它還具有如下特點：（1）無頻率補償要求；（2）短路保護；（3）失調(diào)電壓調(diào)零；（4）大的共模、差模范圍；（5）低功耗。</p><p>　　UA741CD芯片引腳如圖1所示。</p><p>　　1和5為偏置(調(diào)零端)，2為正向輸入端，3為反向輸入端，4接地，6為輸出，7接電源 8空腳</p>

7、<p>　　圖1 圖2</p><p>　　RC正弦波振蕩電路如圖2所示。</p><p><b>　　三、設(shè)計的具體方案</b></p><p>　　總的設(shè)計框圖與總的方案</p><p>　　本課題采用由集成運算放大器與低通濾波電路共同組成的

8、方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法。由比較器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由低通濾波器來完成。</p><p>　　2.單元電路的設(shè)計與工作原理</p><p>　　2.1方波-三角波發(fā)生電路</p><p>　　圖3.2.1 方波—三角波產(chǎn)生電路</p><p&g

9、t;　　由電壓比較器和積分器構(gòu)成的方波—三角波發(fā)生器如圖2.1.1所示，積分電路的輸出電壓U2反饋至電壓比較器的輸入端，形成閉環(huán)，是電路產(chǎn)生自激振蕩。由于采用了積分電路，使方波—三角波發(fā)生器的性能大為改善，不僅得到的三角波線性度比較理想，且振蕩頻率和幅值也便于調(diào)節(jié)。</p><p>　　電路中若a點斷開，運算放大器U1與R1、R3 及R6組成電壓比較器。運算放大器U2與R4、R7 、 C1及 R5組成反向積分器。

10、其輸入信號為方波Uo1,則積分器輸出電壓Uo2為</p><p>　　UO2=∫UO1dt </p><p>　　當(dāng)UO1=+VCC時，UO2=t=t </p><p>　　當(dāng)UO1=-VEE時，UO2=t=t </p&

11、gt;<p>　　由此可見積分器在輸入為方波時輸出是一個上升速率與下降速率相等的三角波其波形關(guān)系如下圖3.2.2所示</p><p><b>　　UO</b></p><p><b>　　+VCC </b></p><p><b>　　UO1</b></p><

12、p>　　R2/(R3+R6) UO2</p><p>　　O t</p><p>　　- R2/(R3+R6)</p><p><b>　　-VCC </b></p><p>

13、　　圖3.2.2 方波三角波波形關(guān)系</p><p>　　若a點閉合，即比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產(chǎn)生方波-三角波。</p><p>　　三角波的幅度為：UO2m=VCC </p><p>　　方波-三角波的頻率f為：f=

14、 </p><p>　　由以上式子可以得到以下結(jié)論:</p><p>　　1.方波的幅度由+Vcc 和–Vee決定 </p><p>　　2.電位器R7在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時,不會影響輸出波形的幅度。</p><p>　　3.方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過電源電壓+Vcc。電位器R6可實現(xiàn)幅

15、度微調(diào),但會影響方波-三角波的頻率。</p><p>　　3.3三角波變正弦波電路</p><p>　　三角波變正弦波電路是由低通無源濾波器構(gòu)成。</p><p>　　濾波器是一種選擇裝置，它對輸入信號進行加工和處理，從中選出某些特定的信號作為輸出。</p><p>　　濾波器的輸出與輸入關(guān)系通常用電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)H(S)來描述，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)又稱

16、為電壓增益函數(shù)，它的定義如下 </p><p><b>　　H(S)= </b></p><p>　　式中UO(S)、Ui(S)分別為輸出、輸入電壓的拉氏變換。在正弦穩(wěn)態(tài)情況下，S=jω，電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成</p><p>　　式中Hj(w)?表示輸出與輸入的幅值比，稱為幅值函數(shù)或增益函數(shù)，它與頻率的關(guān)系稱為幅頻特性；(ω)表示輸出與

17、輸入的相位差，稱為相位函數(shù)，它與頻率的關(guān)系稱為相頻特性。幅頻特性與相頻特性統(tǒng)稱濾波器的頻率響應(yīng)。濾波器的幅頻特性很容易用實驗方法測定。</p><p>　　低通濾波電路，其幅頻響應(yīng)如圖所示，圖中|H(jωC)|為增益的幅值，K為增益常數(shù)。由圖可知，它的功能是通過從零到某一截止頻率ωC的低頻信號，而對大于ωC的所有頻率則衰減，因此其帶寬B=ωC</p><p><b>　　│H(j

18、w)│</b></p><p><b>　　K 實際</b></p><p><b>　　k/</b></p><p>　　通帶 阻帶</p><p>　　WC W</p><p>　　圖3.3.1 低通濾波電

19、路</p><p>　　四、實驗仿真圖及仿真結(jié)果</p><p>　　圖4.1 函數(shù)信號發(fā)生器仿真圖</p><p>　　圖4.2 函數(shù)信號發(fā)生器仿真結(jié)果</p><p>　　五、電路的焊接與測試</p><p><b>　　1 .電路的安裝：</b></p>&

20、lt;p>　　1.需進行整體布局的構(gòu)思，使元器件分布合理、整體上更加美觀；</p><p>　　2.先裝矮后裝高、先裝小后裝大、先裝耐焊等等；</p><p>　　3.布線盡量使電源線和地線靠近實驗電路板的周邊，以起一定的屏蔽作用；</p><p><b>　　2電路的調(diào)試：</b></p><p>　　1.在仔細

21、檢查安裝好的電路，確定元件與導(dǎo)線連接無誤后，然后接通直流電</p><p>　　壓為6V的電源，觀察LED工作指示燈是否亮起，若不亮，則需要檢查電路。</p><p>　　2.將示波器的檢測端接在信號輸出端，調(diào)節(jié)頻率旋鈕和Y位移旋鈕，觀察示波器上是否有清晰的信號。 </p><p>　　3.待示波器出現(xiàn)較良好信號時，這時要調(diào)節(jié)電位器RP。隨著調(diào)到大概RP達到4K~7

22、K時，就會出現(xiàn)需要的波形。</p><p>　　4.出現(xiàn)波形后，要適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器的頻率檔和幅值檔，讓波形的幅值盡量接近要求的幅值。調(diào)好后，再調(diào)節(jié)電位器RP的組織。再一步接近課設(shè)所要求的幅值。</p><p><b>　　3焊接與調(diào)試分析：</b></p><p>　　在調(diào)試的時候，重點在于調(diào)試電位器。正弦波和三角波的出現(xiàn)頻率值要依靠用電位器調(diào)出

23、方波來定位。一開始去測正弦波和三角波很難調(diào)出，幾乎都是一條直線。但是將示波器的探針接觸方波的輸出端，很快就有了反應(yīng)（雖然失真很厲害）?？梢韵日{(diào)節(jié)示波器的頻率檔，使方波變得較為清楚。然后再調(diào)節(jié)電位器，調(diào)到適合位置，使波形在示波器里更加清晰。完成這一步驟后，再去測三角波和正弦波，就能測得到。為觀察幅值方便和使圖形穩(wěn)定，要適當(dāng)調(diào)節(jié)幅值檔和頻率。</p><p><b>　　六、實驗結(jié)果及分析</b>

24、;</p><p><b>　　1.方波</b></p><p><b>　　2.三角波</b></p><p><b>　　3.正弦波</b></p><p><b>　　4.實驗分析</b></p><p>　　比較器與積分器組

25、成正反饋閉環(huán)電路，方波、三角波同時輸出。</p><p>　　電位器R6與R7要事先調(diào)整到設(shè)定值，否則電路可能會不起振。只要接線正確，接通電源后便可輸出方波、三角波。微調(diào)R6，使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計要求，調(diào)節(jié)R7，則輸出頻率在對應(yīng)波段內(nèi)連續(xù)可變。</p><p>　　通過低通濾波器將三角波轉(zhuǎn)化成的正弦波，幅度會隨著頻率的變化而變化。</p><p><b&

26、gt;　　七、實驗總結(jié)</b></p><p>　　本課題根據(jù)設(shè)計中要實現(xiàn)的功能，經(jīng)過自己認真地分析、實踐，確立方案，書寫文檔，設(shè)計出電路，在設(shè)計過程中翻閱了大量資料，通過對所得的各種資料的綜合分析，提煉出自己需要的信息，從而提高自己的分析能力；通過對主要技術(shù)指標(biāo)的分析，認真體會了設(shè)計時的各項技術(shù)政策；通過對設(shè)計時出現(xiàn)的各種問題的分析與解決，鍛煉了獨立分析，進行工程設(shè)計的能力；通過對電路設(shè)計中的某些問

27、題的較為深入的探索，培養(yǎng)了自己的科研工作能力；通過設(shè)計論文的書寫，進一步鍛煉了繪圖技巧，文字表達能力和對工作的認真態(tài)度。 </p><p>　　當(dāng)然，在設(shè)計中遇到了一些實際困難，通過本人及同組同學(xué)多次查找參考資料，以及指導(dǎo)老師的悉心講解，終于豁然開朗；通過這次設(shè)計不僅鞏固了本專業(yè)的知識，加深了對課本知識的理解，為本人在這一學(xué)期所學(xué)專業(yè)知識做了一個系統(tǒng)的把握。</p><p>&l