模电课设函数发生器的设计仿真与实现

课程设计任务书学生姓名：孙连城专业班级：电信0804指导教师：孟哲工作单位：信息工程学院题目: 函数发生器的设计仿真与实现1初始条件：可选元件：运算放大器，三极管，电阻、电位器、电容若干，直流电源Vcc= +6~12V，V EE= -6~-12V，或自选元器件。

可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表等要求完成的主要任务:（1）设计任务根据要求，完成对方波－三角波－正弦波发生器的仿真设计、装配与调试。

（2）设计要求错误！未找到引用源。

正弦波Upp≈3V，幅度连续可调，线性失真小。

三角波Upp≈5V，幅度连续可调，线性失真小。

方波Upp≈14V，幅度连续可调，线性失真小。

频率范围：三段：10~100Hz，100 Hz~1KHz，1 KHz~10 KHz；频率控制方式：改变RC时间常数；正弦波输出电量：电流；错误！未找到引用源。

选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。

计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。

（用Proteus画电路原理图并实现仿真）错误！未找到引用源。

安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。

时间安排：1、2010 年1月11日至2010年1月15日，完成仿真设计、制作与调试；撰写课程设计报告。

2、2010 年1月16日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。

指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录1 Proteus软件简介.................................................2 电路图.........................................................3 电路原理.......................................................3.1 电路总原理.................................................3.2 方波发生电路的工作原理..................................... 3.3 方波---三角波转换电路的工作原理............................3.4 三角波---正弦波转换电路的工作原理..........................4 电路仿真及分析.................................................4.1 正弦波波形及分析...........................................4.2 三角波波形及分析...........................................4.3 正弦波图形及分析...........................................5 总结...........................................................6 心得体会......................................................7 参考文献......................................................8 本科生课程设计评定表..........................................1 Proteus软件简介Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。

它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。

具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

②支持主流单片机系统的仿真。

目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、A VR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

③提供软件调试功能。

在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。

④具有强大的原理图绘制功能。

总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

本章介绍Proteus ISIS软件的工作环境和一些基本操作。

特点：支持ARM7，PIC ，A VR，HC11以及8051系列的微处理器CPU模型，更多模型正在开发中，更新信息请参见网页；交互外设模型有LCD显示、RS232终端、通用键盘、开关、按钮、LED等；强大的调试功能，如访问寄存器与内存，设置断点和单步运行模式；支持如IAR、Keil和Hitech等开发工具的源码C和汇编的调试；一键“make”特性：一个键完成编译与仿真操作；内置超过6000标准SPICE模型，完全兼容制造商提供的SPICE模型；DLL界面为应用提供特定的模式；基于工业标准的SPICE3F5混合模型电路仿真器14种虚拟仪器：示波器、逻辑分析仪、信号发生器、规程分析仪等；高级仿真包含强大的基于图形的分析功能：模拟、数字和混合瞬时图形；频率；转换；噪声；失真；付立叶；交流、直流和音频曲线；模拟信号发生器包括直流、正旋、脉冲、分段线性、音频、指数、单频FM；数字信号发生器包括尖脉冲、脉冲、时钟和码流； 集成PROTEUS PCB 设计形成完整的电子设计系统。

2 电路图3 电路原理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，可以有效的抑制零点漂移，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 TC E U U a I I a I e==+11/1id TC E U U a I I a I e-==+式中/1C E a I I =≈0I ——差分放大器的恒定电流；TU ——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 idm 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。

为使输出波形更接近正弦波：（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

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R10用来减小差分放大器的线性区。

电容C1,C2为隔直电容，C3为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

3.1 电路总原理函数发生器产生三个波形。

采用简单方波电路产生方波，与积分器组成三角波产生电路，与差分放大器组成正弦波产生电路。

其中由简单方波电路和积分器组成方波—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3.2 方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，电容C正向充电。

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，电容C 反向充电。

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3.3 方波---三角波转换电路的工作原理运算发大器A1与R1、R2及R3、R4组成电压比较器，C2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 。

运放A2与R5、R6、C2组成反相积分器，当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， 将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。

三角波的幅度为VR R R CC432o2mU +=方波-三角波的频率为C R R R R 252434f +=由以上两式可以得到以下结论：1. 若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2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RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。

3.4三角波---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。

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，可以有效的抑制零点漂移，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：22/1id TC E U U a I I a I e==+11/1id TC E U U a I I a I e-==+式中/1C E a I I =≈0I ——差分放大器的恒定电流；TU ——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 idm 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。

为使输出波形更接近正弦波，由图可见： （3） 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；（4） 三角波的幅度Um 应正好使晶体管接近饱和区或截止区。