电工课程设计—函数信号发生器
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关键词：比较电路 差分电路 集成运算放大器555定时器
3.方案设计
3.1
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、锯齿波、矩形波及锯齿波、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)。
（3）输出信号波形幅值0~10V，且连续可调；
2.
函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如锯齿波、锯齿波、矩形波、正弦波的电路。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，而我们所设计的正是包含有正弦波、矩形波、锯齿波的多种波形发生器。
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锯齿波、正弦波、矩形波的函数波形发生器。采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的矩形波—锯齿波—正弦波函数发生器的设计方法，先通过比较器产生矩形波，再通过积分器产生锯齿波，最后通过差分放大器形成正弦波。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。经过仿真得出了矩形波、锯齿波、正弦波、矩形波，利用555定时器实现占空比调节。
3.
3.1.2.1
矩形波—锯齿波—正弦波信号发生器电路有运算放大器及分立元件构成，由比较器和积分器组成矩形波—锯齿波产生电路，锯齿波通过差分放大电路产生正弦波输出,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锯齿波变换成正弦波。输出波形幅度及频率均可通过改变元件参数进行调整，方便且成本较低。
在本文设计方案中，由于电路中二极管 、 的单向导电性，使电容 的充放电回路分开，调节电位器，就可以调节多谐振荡器的占空比。图中 通过 、 上部分及 对 充电，充电时间为
通过 、 下部分及 从放电端(DIS)放电，放电时间为
因而振荡频率为
输出波形的占空比即为
555定时器构成的多谐振荡器电路
555集成电路是8脚封装，双列直插型。其中6脚称阈值端(THR)，是上比较器的输入；2脚称触发端(TRI)，是下比较器的输入；3脚是输出端(OUT)，它有O和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端(DIS)，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端(RST)，加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端(CON),可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端(VCC)，1脚是地端(GND)。
3.1
3.
该系统采用单片机作为数据处理及控制核心，由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析及信号的处理和变换，采用按键输入，利用数码管动态显示电路输出数字显示的方案。将设计任务分解为按键电路、数码管显示电路等模块。
3.1.
MAX038精度高且频率调节方便，并且能够产生多种波形，是性价比较高的信号发生芯片。产生信号的频率可以通过调整电流、电压、电阻分别控制。所需的输出波形可由在A0、A1输入端设置适当的代码来选择，所有的输出波形都是对称于地电位的2V（峰-峰值）信号。MAX038工作电源为±5V。
3.
矩形பைடு நூலகம்—锯齿波产生电路
迟滞电压传输特性
锯齿波发生器工作波形
工作原理：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
《电工与电子技术基础》课程设计报告
题 目函数信号发生器
学院（部）
专 业
班 级
学生姓名
学 号
6月24日至6月28日 共1周
指导教师（签字）
1.课题名称与技术要求
1.1课题名称
函数信号发生器
1.2主要技术指标和要求：
（1）能产生正弦波、矩形波（占空比可调）、锯齿波等多种波形；
（2）输出信号的工作频率范围10Hz~10kHz，且连续可调；
3.
3.4.1占空比可调矩形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。
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
3.
3.2
3.3.2总体电路原理图
采用分立器件实现电路组成，主要的部件有运算放大器、电压比较器、积分运算电路、差分放大电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案由三级单元电路组成的，第一级单元可以产生矩形波，第二级可以产生锯齿波，第三级可以产生正弦波，通过第二级的选择开关可以实现频率波段的转换，通过对差分放大电路部分元器件的调节来改善正弦波产生的波形。
3.
波形变换原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性，波形变换过程如图所示
锯齿波和正弦波得转换示意图
由图可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好；锯齿波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。
3.
综合考虑以上方案,由于方案二稳定性高,可操作性强且经济性好,而方案一成本较高且需要程序控制,实现难度较高，故选择方案二矩形波——锯齿波——正弦波函数信号发生器。
3.方案设计
3.1
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、锯齿波、矩形波及锯齿波、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)。
（3）输出信号波形幅值0~10V，且连续可调；
2.
函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如锯齿波、锯齿波、矩形波、正弦波的电路。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，而我们所设计的正是包含有正弦波、矩形波、锯齿波的多种波形发生器。
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锯齿波、正弦波、矩形波的函数波形发生器。采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的矩形波—锯齿波—正弦波函数发生器的设计方法，先通过比较器产生矩形波，再通过积分器产生锯齿波，最后通过差分放大器形成正弦波。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。经过仿真得出了矩形波、锯齿波、正弦波、矩形波，利用555定时器实现占空比调节。
3.
3.1.2.1
矩形波—锯齿波—正弦波信号发生器电路有运算放大器及分立元件构成，由比较器和积分器组成矩形波—锯齿波产生电路，锯齿波通过差分放大电路产生正弦波输出,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锯齿波变换成正弦波。输出波形幅度及频率均可通过改变元件参数进行调整，方便且成本较低。
在本文设计方案中，由于电路中二极管 、 的单向导电性，使电容 的充放电回路分开，调节电位器，就可以调节多谐振荡器的占空比。图中 通过 、 上部分及 对 充电，充电时间为
通过 、 下部分及 从放电端(DIS)放电，放电时间为
因而振荡频率为
输出波形的占空比即为
555定时器构成的多谐振荡器电路
555集成电路是8脚封装，双列直插型。其中6脚称阈值端(THR)，是上比较器的输入；2脚称触发端(TRI)，是下比较器的输入；3脚是输出端(OUT)，它有O和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端(DIS)，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端(RST)，加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端(CON),可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端(VCC)，1脚是地端(GND)。
3.1
3.
该系统采用单片机作为数据处理及控制核心，由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析及信号的处理和变换，采用按键输入，利用数码管动态显示电路输出数字显示的方案。将设计任务分解为按键电路、数码管显示电路等模块。
3.1.
MAX038精度高且频率调节方便，并且能够产生多种波形，是性价比较高的信号发生芯片。产生信号的频率可以通过调整电流、电压、电阻分别控制。所需的输出波形可由在A0、A1输入端设置适当的代码来选择，所有的输出波形都是对称于地电位的2V（峰-峰值）信号。MAX038工作电源为±5V。
3.
矩形பைடு நூலகம்—锯齿波产生电路
迟滞电压传输特性
锯齿波发生器工作波形
工作原理：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
《电工与电子技术基础》课程设计报告
题 目函数信号发生器
学院（部）
专 业
班 级
学生姓名
学 号
6月24日至6月28日 共1周
指导教师（签字）
1.课题名称与技术要求
1.1课题名称
函数信号发生器
1.2主要技术指标和要求：
（1）能产生正弦波、矩形波（占空比可调）、锯齿波等多种波形；
（2）输出信号的工作频率范围10Hz~10kHz，且连续可调；
3.
3.4.1占空比可调矩形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。
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
3.
3.2
3.3.2总体电路原理图
采用分立器件实现电路组成，主要的部件有运算放大器、电压比较器、积分运算电路、差分放大电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案由三级单元电路组成的，第一级单元可以产生矩形波，第二级可以产生锯齿波，第三级可以产生正弦波，通过第二级的选择开关可以实现频率波段的转换，通过对差分放大电路部分元器件的调节来改善正弦波产生的波形。
3.
波形变换原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性，波形变换过程如图所示
锯齿波和正弦波得转换示意图
由图可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好；锯齿波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。
3.
综合考虑以上方案,由于方案二稳定性高,可操作性强且经济性好,而方案一成本较高且需要程序控制,实现难度较高，故选择方案二矩形波——锯齿波——正弦波函数信号发生器。
