课程设计任务书学生姓名：专业班级：自动化指导教师：工作单位：题目: 波形信号发生器初始条件：可选元件：运算放大器，三极管，电阻、开关、电容若干，等自选元器件。

可用仪器：示波器，万用表，频率计等要求完成的主要任务:（1）设计任务设计一台波形信号发生器。

（2）设计要求1、输出波形：方波、三角波、锯齿波、正弦波、阶梯波。

2、频率范围：1Hz—10Hz，10Hz—100Hz，100Hz—1KHz，1KHz—10KHz等四个波段。

3、频率控制：通过改变RC时间常数手控信号频率。

4、方波峰峰值0—20V之间可调，三角波峰峰值在0—5之间可调，正弦波峰峰值大于1V。

5、用分立元件和运放设计一个波形发生器，要求用Multisim或Protel进行电路仿真。

时间安排：1、2010 年6月7日至2010年6月28日，完成仿真设计、制作与调试；撰写课程设计报告。

2、2010 年7月1日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。

设计的作用、目的1、根据从稳定性、可靠性、实用性、经济性选择电子线路和电子器件，找到合适的功能电路；2、通过网络查阅和图书馆资料，培养独立分析问题和解决实际问题的能力；3、掌握常用元器件的识别和测试4、熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录1 函数发生器的总方案及原理框图 (1)1.1 电路设计原理框图 (1)1.2 电路设计方案设计 (1)2设计的目的及任务 (2)2.1 课程设计的目的 (2)2.2 课程设计的任务与要求 (2)2.3 课程设计的技术指标 (2)3 各部分电路设计 (3)3.1 方波发生电路的工作原理 (3)3.2 方波---三角波转换电路的工作原理 (3)3.3 三角波---正弦波转换电路的工作原理 (6)3.4电路的参数选择及计算 (8)3.5 总电路图 (10)4 电路仿真 (11)4.1 方波---三角波发生电路的仿真 (11)4.2 三角波---正弦波转换电路的仿真 (12)4.3 仿真结果分析 (12)5电路的安装与调试 (13)5.1 方波---三角波发生电路的安装与调试 (13)5.2 三角波---正弦波转换电路的安装与调试 (13)5.3 总电路的安装与调试 (13)5.4 电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法 (13)6电路的实验结果 (15)6.1 方波---三角波发生电路的实验结果 (15)6.2 三角波---正弦波转换电路的实验结果 (15)6.3 实测电路波形、误差分析及改进方法 (16)7 实验总结 (17)8 仪器仪表明细清单 (18)9 参考文献 (19)1．函数发生器总方案及原理框图1.1 原理框图1.2 函数发生器的总方案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)。

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RC振荡产生正弦波，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。

本课设采用先产生方波—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．课程设计的目的和设计的任务2.1 设计目的1、根据稳定性、实用性、经济性选择电子线路和电子器件，找到合适的电路2、通过网络查阅和图书馆资料，培养独立分析问题和解决实际问题的能力；3．掌握常用元器件的识别和测试4．熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法2.2设计任务设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器2.3课程设计的要求及技术指标1．输出波形：正弦波、方波、三角波；2．频率范围：1Hz—10Hz，10Hz—100Hz，100Hz—1KHz，1KHz—10KHz。

3．输出电压：方波UＰ－Ｐ≤20V，三角波UＰ－Ｐ＝5V，正弦波UＰ－Ｐ>1V；3．各组成部分的工作原理3.1方波发生电路的工作原理3.2 方波---三角波转换电路的工作原理方波—三角波产生电路工作原理如下：若R2下侧端点断开，运算发大器LM101AH1与R2及R3、RP1组成电压比较器。

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312231231()0CC ia R RP R U V U R R RP R R RP ++=++=++++将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为223131()CC CC ia R R U V V R RP R RP ---=+=++若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为223131()EE CC ia R R U V V R RP R RP +-=-=++比较器的门限宽度Vcc R R R U U U p TH TH TH 132212+=-=∆由以上公式可得比较器的电压传输特性，如下图所示。

a 点断开后，运放LM101AH2与R4、RP2、C1及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为214221()O O U U dt R RP C -=+⎰ 1O CC U V =+时，2422422()()()CC CCO V V U t t R RP C R RP C -+-==++1O EE U V =-时，2422422()()()CC EE O V V U t t R RP C R RP C --==++可见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，其波形关系下图所示。

a 点闭合，既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2231O m CC R U V R RP =+方波-三角波的频率f 为3124224()R RP f R R RP C +=+由以上两式可以得到以下结论：1. 电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。

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。

3.3 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。

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 aI I aI e==+ 011/1id TC 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 Tt 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： （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。

（3） 图为实现三角波——正弦波变换的电路。

其中R12调节三角波的幅度，R14调整电路的对称性，其并联电阻R16用来减小差分放大器的线性区。

电容C8,C9,C11为隔直电容，C10为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

3.4直流稳压电源部分：R550Ω50ΩKey=A50%使用直流稳压电源替代Vcc ，Vee ，将使所加电源可调，从而调整方波的幅度。

3.5电路的参数选择及计算1.方波-三角波部分： 由式cc p m V R R R U 13202+=得：412052232===+CC m o p V U R R R 取R2=10K Ω，则R3+Rp1=40K Ω,选择R3=30K Ω和Rp1为50K Ω的电位器。

取平衡电阻R1k R R R R R R p p 10)(132132=+++•=Ω，由式22413)(41C R R R R T f p p ++== 得 R4+Rp2=22134C fR R R p +当1Hz ≤≤f 10Hz 时，取C2=10uF ，则R4+Rp2=100K`—10K Ω，选择R4=5k Ω和Rp2=100K Ω当10Hz ≤≤f 100Hz 时，取C2=1uf ，则R4+Rp2=100K`—10K Ω，选择R4=5k Ω和Rp2=100K Ω，平衡电阻R6=150k Ω当100Hz ≤≤f 1KHz 时，取C2=0.1uf ，则R4+Rp2=100K`—10K Ω，选择R4=5k Ω和Rp2=100K Ω，平衡电阻R6=150k Ω当1KHz ≤≤f 10KHz 时，取C2=0.1uf ，则R4+Rp2=100K`—10K Ω，选择R4=5k Ω和Rp2=100K Ω，平衡电阻R6=150k Ω2.三角波-正弦波部分三角波经电容C8和 分压电阻R12、R20给差分电路输入差模电压Uid 。

一般情况下，差模电压Uid ，26mv ，因为三角波的最大幅值为5v,故取R1=6K Ω、Rp3=600Ω。

因为三角波的频率不太高，所以，隔直电容C9和C11要取得大一些，这里取C9=C11=C8=470uF 。

滤波电容C11视输出的波形而定。

若含高次谐波成分较多，C11可取得较小，一般为几十至1微法。