模电课程设计 压控函数发生器

模拟电子技术课程

设计报告

压控函数发生器

目录

一、课程设计的内容及要求…………………………………4 二、压控函数发生器设计总方案及方框图…………………5 三、框内电路设计的工作原理及数据计算…………………8 四、电路仿真…………………………………………………14 五、电路组装、调试及问题解决……………………………17 六、使用仪器仪表汇总………………………………………20 七、参考文献…………………………………………………21 八、收获与体会………………………………………………22 九、电路设计总图……………………………………………23

摘要：

一个电子产品的设计、制作过程所涉及的知识面很广；加上电子技术的发展异常迅速，新的电子器件的功能在不断提升，新的设计方法不断发展，新的工艺手段层出不穷，它们对传统的设计、制作方法提出了新的挑战。但对于初次涉足电子产品的设计、制作来说，了解并实践一下电子产品的设计、制作的基本过程是很有必要的。

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。

一、课程设计的内容及要求

1.1、设计内容

设计、组装、调试 压控函数发生器

1.2、课程设计的任务、要求及技术指标

（1）任务：

1. 巩固所学的相关理论知识 2. 实践所掌握的电子制作技能

3. 运用EDA工具对所作出的理论设计进行模拟仿真测试,进一步完善理论

设计

4．通过查阅手册和文献资料,熟悉常用电子器件的类型和特性,并掌握合理选用元器件的原则

5. 掌握模拟电路的安装\测量与调试的基本技能,熟悉电子仪器的正确使用方法,分析实验中出现的正常或不正常现象，解决调试中所发生的问题 6．完成一个实际的电子产品，提高分析问题、解决问题的能力。 （2）要求：

1.根据技术指标要求及实验室条件设计出电路图，分析工作原理，计算元件参数；

2.列出所有元器件清单；

3.安装调试所设计的电路，达到设计要求； 4.记录实验结果。 （3）技术指标：

1.电源电压：+/—12v

2.输入信号 ：直流信号0—10v 3.输出信号频率：0—10khz

4.输出信号波形要求：方波信号0—10v，三角波信号-4—4v，正弦波信号-2—2v

5.频率转换误差：<30hz

6．其他要求：输出信号波形均无明显失真

二、压控函数发生器设计总方案及方框图

2.1、压控函数发生器设计总方案的选择

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组成方案如下所示:

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。

首先，Vi通过滑动变阻器与定值电阻的分压方式得到0~10V的连续变化控制电压。然后由比较反馈电路和积分器组成方波、三角波产生电路；积分器得到的三角波，经由比较反馈电路产生方波；三角波到正弦波的变换则主要由差分放大器组成的非线性转换电路完成，其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性。

函数发生器的设计，有分立元件的设计方案，也可采用集成电路。分立元件方案有利于我们进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，且价格低廉，但实际操作中调试过程过于复杂性，且其性能难以保证；采用集成电路的设计方案，在性能上虽得到保证，但我们却失去了在实验调试技术上的锻炼，且器件价格也较高；因而本课程设计结合二者的优点，采用集成运算放大器与晶体管放大电路的设计方案，具有较高的性价比的同时，既有益于我们对基本理论的进一步掌握，也使我们在实验调试技术上也得到良好的锻炼。

而课程设计中，选择晶体管差分放大电路来完成三角波到正弦波的转换，则是源于差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰力强的优点，同时作为直流放大器，可以有效抑制零点漂移。

2.2、原理方框图

从积分器端输出的三角波：

从比较反馈端输出的方波：

从非线性转换器输出的正弦波：

三、框内电路设计的工作原理及数据计算

3.1、0——10V直流信号的产生电路

直流分压电路

采用电阻分压的方式，运用滑动变阻器获得0~10V连续变化的直流信号。

AR1运算放大器组成电压跟随器作为缓冲级，根据其输入阻抗大，输出阻抗小

的特点，使信号可以接近无衰减的传输到下一级，并且减少失调电流的误差。

不过，根据运算放大器的电路平衡原则可知，在AR1的反馈支路上由于没有电阻，会造成一定的信号传输误差，故在调试阶段可添加一个小电阻来进行误差调整（在实验的实际操作中，该误差可以忽略）。

数据计算：

U1

R2R1 R2

V

3.2、三角波——方波产生电路

3.2.1、极性变换电路

极性变换电路

运用三极管的开关特性，用U4电压控制三极管Q1的导通与断开，当Q1断开（截止），运算放大器AR2电路为同相放大器与反向放大器的结合，U1、U2之间满足关系：

U2 (1

R6R4 R5

)U1

R6R3

U1

当Q1闭合（饱和），AR2电路则为纯反向放大器，U1、U2之间的关系式应满足关系：

U2

R6R3

U1

根据运算放大电路的电阻平衡原则和极性变换电路仅需改变电压的极性而不改变绝对电压的大小原则，各电阻之间应满足关系：

R3 R6

；

R4 R5

；

R6//R3 R5

故有：Ⅰ、三极管截止时即开关断开时 Ⅱ、三极管饱和时即开关闭合时

U2 U1

U2 U1

因此，当三极管以一定频率在饱和与截止变换时，极性变换电路输出的电压U2就为Up-p=2U1的方波。

3.2.2、积分电路

积分电路

积分电路可以实现方波—三角波的转换，主要运用电容的充放电原理。则U3输出波形即为三角波，根据积分电路的计算有：

U13

RU

2

dt

7C1

同时为保证运算放大器的电阻平衡，电阻之间应满足条件：

R8 R7

3.2.3、比较电路

比较电路

该比较电路为施密特电路，将三角波U3变换成正弦波U5，由施密特电路原理可知，当|U| |Uref|时，U4将会变换极性。U4为Up-p=2U4的方波，运用二极管的单向导通性，得到仅有正向电压的方波为：

U5

。其中电压之间应满足的关系

Uref

R9R9 R10

U4

3.2.4、三角波——方波产生总电路

三角波-方波产生电路

三角波的幅值：

A |Uref|

R9R9 R10

U4

三角波的频率：

f

U14UrefR7C1

频率公式推导过程：

1

∵ 且

T

R7C1

20

|U2|dt |Uref| |Uref|

|U2| U1

f

U14UrefR7C1

∴

在运用二极管的单向导通性获得仅有正向电压的方波U5时，有约为0.7V的压降，故可得知：方波的幅值为|U4|-0.7，其频率与三角波一致。根据课程设计

的数据要求可知U5为已知固定值，因此可得知 U4为定值，则当R9、R10为确定后，根据式（7）可知输出三角波U3的幅值A为定值，据式（8）所示结果可知输出的波形频率f与输入的控制电压U1成线性关系，即达到电压控制函数发生器输出波形频率的目的。

3.3、非线性转换电路（三角波——正弦波）

如图所示，该非线性转换电路主要有差分放大电路组成，差分放大电路具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰力强的优点，尤其用作直流放大器，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率较低的三角波转换成正弦波，波形变换的原理是利用差分放大电器传输特性曲线的非线性。（本设计中应做到斜率高，工作点低）

四、电路仿真

电路的原理仿真主要运用仿真软件EWB进行，进行该步骤既可以检验原理设计的正确性，也可以实现部分参数的最优化调整。

4.1、三角波电路仿真

三角波仿真图形

4.2、方波电路仿真

方波仿真图形

从图形中三角波与方波之间的积分变换关系

4.3、正弦波电路仿真

正弦波仿真图形

4.4、方波——三角波电路仿真

4.5、三角波——正弦波电路仿真

五、电路组装、调试及问题解决

5.1、参数的确定

参数确定的总原则：在可提供的实验器材基础上，根据所设计电路及所要达到的级数指标要求，确定最佳参数。

在课程设计要求所述的函数发生器的技术指标中，频率变化范围达到10K级，为保证所设计电路可在高频段正常工作，因而所有元算放大器均选用LF353型号，其工作特性，可适应频率大范围变化的电路工作要求

（1）、压控电路的参数确定

根据式（1）、（2）的关系所示，结合实际可取V1=12V，R1=2KΩ，R2为0—10kΩ的滑动变阻器。 在其中跟随器电路的反馈支路上中，由于是运算放大器的Ｎ、P极有电阻不平衡，因而在电路的实际工作中可能出现误差，但其影响几乎可以忽略。

（2）、极性变换电路的参数确定

在满足式以上计算所得式关系和满足运算放大器工作平衡的条件下，可取

R3 R6 20K

，

R4 R5 10K

。

（3）、积分电路的参数确定

积分电路在整个函数发生器的设计中是最为关键的部分，尤其是对工作频率的影响尤为重要，由式

f

U14UrefR7C1

可知，在Uref已定的条件下，频率在已定U1变化区间已定的控制下，其变化范围就由R7、C1来决定，而为了使电路在高频下正常功过，电容C1选择0.01μf，相应可得知R7的取值为6.25kΩ范围内，为调试方便，本设计中使用0—10kΩ滑动变阻器代替定值电阻，既有利于函数发生器，频率变化的调整，又有利于在调试过程中操作的方便性。

（4）、比较电路参数确定

比较电路为施密特电路，其翻转电压直接决定了三角波的幅值，有式

A |Uref|

R9R9 R10

U4

可知，三角波的幅值，在U4 已定的条件下，仅决定于R9、R10的大小，因而运用课程设计的技术指标A=4的要求来确定电阻的大小，取R9=6k，R10=4k。

5.1.5、差分放大电路的参数确定

在满足运算放大电路正常工作产生较好的正弦波形的同时，满足正弦波的幅度调节范围要求各个器件的取值，R20为10kΩ的滑动变阻器。其中R13、R14的选取是考虑进入非线性转换电路的三角波幅值不可过大的要求，且其幅值具有较大的可变动范围；R15、R21是差分放大电路的平衡电阻，差分电路的平衡与否直接影响所输出正弦波的对称性；R16、R17为集电极电阻，取之较大是为了得到合适的Ic值；而电阻R18、R19的选取，主要考虑到差分放大电路的静态工作点，使电路获得较低的工作点；R22选取较大的电阻则是为了使最终输出的正弦波具有较大的幅值变化范围。

5.2、电路连接总图

附于最后页

5.3、调试

对于比较电路中R9、R10的定值中，计算得R9确定为定值电阻6K，R10为4k，而实际产生的波形中，并未如仿真所示的效果，主要是由于比较电路（施密特电路）的跳转电压Uref的误差。因此换用电位器和其他阻值的电阻来调试，最终确定两阻值分别选为3K和5.1k，由于考虑输出方波的幅值精确，实际操作中可用电位器进行控制。电阻R7 由计算得出为6.25k，实验室中无此电阻值，选定用阻值为6.2k的电阻代替，也同样产生较为准确的波形，但相应的电容值在实

验中并不合适，最终选为0.1μf最后是关于差分电路的调试，曾考虑如果电阻R22取值越大，则输出正弦波的幅值则越大，但实际情况并非如此，当电阻R22过大后，使得正弦波的幅值可变化范围变小，经过尝试，R22=33K是较为合适的选择。

R11电阻，由于在原参数确定时，近粗略的考虑运算放大的平衡，而使得方波的输出为达到10V的幅值，因而选择增大R11值，来增大方波幅值，经过试验，最终在R11=10K时（实际调试过程中选用滑动变阻器更为方便），达到所需技术指标。

六、使用仪器仪表汇总

6.1、器件表

直流稳压电源 * 1 双踪示波器 * 1 万 用 表 * 1 运放LF353N * 2电位器10K * 3 三极管9013 * 4

100K * 电 容0.1μF * 10μF * 2 100μF * 1 0.01μF * 1 集成运算放大器 定值电阻 0.5k 1.2k 1.5k 5.1k 10k 33k

1 1 * 2

* 1 * 1 * 2 * 2 * 4 *2 面 包 板 * 剪 刀 镊子 * 1 二极管 * 1 起子 * 1 1k 2k 3k 6.2k 20k 1 *１

* 1 *1 *1 *4 *1

6.2、器件管脚图

七、参考文献

童诗白 《模拟电子技术基础》（第四版） 高等教育出版社 2006年5月版

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/q604.html