函数信号发生器课程设计

课落款称 函数信号发生器 班 级 __******____ 姓 名 *** 指导教师 *** 日 期12月27日—1月5日

前 言

本次电子技术课程设计是指通过所学知识并扩展相关知识面，设计出任务所 要求功能的电路，利用运算机辅助设计的电路仿真，检测并调整电路，设计功能完整的电路图。咱们所选择的课设题目是函数信号发生器。函数发生器一样是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或仪器。电路形式能够采纳由运放及分离元件组成；也能够采纳单片集成函数发生器。

在资料搜集后，将设计进程分为三部份：一是系统模块设计，设计电路的系统思想，设计出能知足电路功能的各个模块，画出系统的框图。二是针对各个模块别离设计电路的各个具体模块的具体电路，而且别离进行仿真和改良。三是将所有的模块综合在一路，画出系统总图，并用multisim软件进行仿真，针对仿真进程中显现的一些问题认真检查，对照各个方案的优势和缺点，选出最正确的方案，修改不完善的部份。

最后，对这次课程设计进行总结，反思自己在方方面面的不足，对设计方案中的各个思想进行归纳总结，比较各类方案的优缺点，总结每种设计方案的应用领域和利用范围，为以后得学习实践提供体会。最终提高咱们的学习和动手能力。

目 录

前言……………………………………………………………………………2 摘要……………………………………………………………………………4 第一章 数信号发生器系统概述…………………………………………… 5

整体设计方案论证及选择………………………………………… 5 函数信号发生器整体方案框图…………………………………… 5 第二章单元电路设计分析………………………………………………… 6

信号发电路设计框图………………………………………………6 方波发生电路……………………………………………………… 7 方波——三角波转换电路………………………………………… 8 三角波——正弦波转换电路……………………………………… 9 数字显示输出信号频率和电压幅值…………………………… 11 第三章 电路的安装与调试………………………………………………… 15

方波产生的结果………………………………………………… 15 方波转换为三角波的结果……………………………………… 15 三角波转换为正弦波的结果……………………………………… 16 数字显示频率和幅值的结果……………………………………… 16

第四章 终止语……………………………………………………………… 17 参考文献…………………………………………………………………… 17 附录一 器件清单列表……………………………………………………… 18 附录二 整体设计图……………………………………………………… 18 收成及体会……………………………………………………………………19 鸣谢……………………………………………………………………………20

函数信号发生器

摘要：本实验中的信号发生器是依照555按时器组成多谐振荡器的原理来

输出持续稳固的方波，再通过转换电路来实现波形转变。通过对信号发生器设计把握555多谐振荡器产生占空比为1/2的方波，频率和振幅的调剂；把握电路转换的原理和实际电路图，如方波转换为三角波可通过简单积分电路或通过带有放大器的积分电路来实现；三角波转换为正弦波可通太低通滤波器来实现，也可通过差分放大器的非线性来实现，或通过折现法实现。本课题要求输出波形应有： 方波、三角形、正弦波。要完成此方案的方式有许多，既能够利用分立元件（如低频信号发生器S101全数采纳晶体管），也能够采纳集成电路（如单片集成电路函数信号发生器ICL8038）。本课题决定采纳555按时器组成多谐振荡器产生方波，通过积分产生三角波，再通太低通滤波产生正弦波。设计中多用到数电和模电中的知识，以充分温习和应用自己已经学过的知识。

关键字：函数发生器 多谐振荡器 积分电路 低通滤波 峰值

检波

设计要求：

1. 信号频率范围1HZ～100kHZ；

2. 输出波形应有： 方波、三角形、正弦波；

3. 输出信号幅值范围0～10V；

4. 具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能。

 第一章、函数信号发生器系统概述

 整体设计方案论证及选择：

方案一：通过RC震荡电路产生正弦波，然后通过过零比较器，产生三角波，在通过积分电路产生方波。其中，RC震荡电路为RC桥式正弦振荡电路，然后通过放大器组成过零比较器来实现方波的转换，在通过反向积分电路来实现方波到三角波的转化。

方案二：能够由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的那么是用专门的函数信号发生器IC产生。初期的函数信号发生器IC，如L803八、BA20五、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调剂方式也不够灵活，频率和占空比不能调剂，二者相互阻碍。

方案三：能够依照方波——三角波——正弦波的顺序来设计电路，其中，方波能够通过模电中的方波发生电路来产生，也能够通过数电中的555多谐振荡电路来产生，方波到三角波为积分的进程，三角波到正弦波能够通太低通滤波来实现，也能够利用差分放大器的传输非线性来实现或通过折现法来实现。

可行性分析：

纵观以上N种方案，对照如下，本着自己动手的观念，第一排除第二种用集成

芯片的方式，因为这种方式对设计的要求太低；第二分析方案一可得其RC桥式正弦震荡电路的占空比受R和C一起阻碍，调剂频率时需要调剂的元器件参数太多，比较繁琐，而且此震荡电路的频率也不是专门好的知足设计的要求。因此综上所

述，选择方案三来实现本次的课程设计：555多谐振荡器的频率专门好计算和调剂，而且输出的波形比较准确；波到三角波的转化可通过简单RC积分电路来实现；角波到正弦波可通过简单RC低通滤波器来实现也可通过折现法或差分法来实现。分析方案得：各个不分的实现有多种方法，但或许理论上比较好的方式在实践中由于环境的各类缘故可能并非是最好的，因此最终的方案的细节有待在实验仿真中作进一步的确信。

 函数信号发生器整体方案框图 多谢振荡器产生方波

三角波 正弦波 频率计测频率

AD转换及数码显示 峰值检波  第二章、单元电路设计与分析

 信号发电路设计框图

方波 三角波 正弦波 方波发生电路 2．2．1方案选择

方案一：占空比可调的矩形波放声电路（模电知识，通过比较器和积分电路来现）。

方案二：改良型555多谐振荡器电路（数电知识，利用555按时器和积分电路

来实现）。

对照如上两个方案，方案一的频率性较差，而且输出电压受到稳压二极管的阻碍，输出电压幅值不能改变；而方案二频率调剂理与方案一很是相似，可是方案二的

频率表达式比较简练，容易计算，而且方案二的输出电压幅值的改变可通过对555按时器的供电的改变来实现，关于占空比，已对原始的多谐振荡器做了些许改动，能达到1/2的要求。综上，选择方案二。

555按时器的工作原理 ：555按时器是一种功能壮大的模拟数字混合集成电路，其组成电路框图如下图。555按时器有二个比较器A1和A2，有一个RS触发器，R和S高电平有效。三极管VT1对清零起跟从作用，起缓冲作用。三极管VT2是放电管，将对外电路的元件提供放电通路。比较器的输入端有一个由三个5kW电阻组成的分压器，由此能够取得 和 两个分压值，一样称为阈值。555按时器的1脚是接地端GND，2脚是低触发端TL，3脚是输出端OUT，4脚是清除端Rd，5脚是电压操纵端CV，6脚是高触发端TH，7脚是放电端DIS，8脚是电源端VCC。

参数计算：改良型多谐振荡电路要紧改良了电容充电和放电的回路，使得回路的时刻常数相同即可，再此引入二极管来分开充电和放电回路。

高电平，充电时刻 T1=（R3 +R5 ）Cln2=（R3 +R5 ）C1 ； 低电平，放电时刻 T2=（R2 +R5 ）Cln2=（R2 +R5 ）C1 ；

占空比 q= T1/（T1+T2）=（R3 +R5 ）/（R2 +R5 ） = 即要求R3 = R2 ；

因此方波周期T= T1+T2=（（R3 + R2 + 2R5 ）C1 ）；

振荡频率 f=1/T=（（R3 + R2 + 2R5 ）C1 ）；

通过计算，选取C1为200nF，R3 = R2 =10欧姆。当R5最大时，频率即为1HZ（依照仿真结果），现在

f=1=（（10+10+2R5 ）*200*10E（-9）） 取 R5 =1M欧姆即可； f=100k=（（10+10+2R5 ）*200*10E（-9）） 取R5=0时，f>100k； 综上，取 R5 =1M欧姆即可知足频率范围的要求。

 方波——三角波转换电路原理图

由积分电路构成方波—三角波产生电路，方波经反向积分电路积取得三角波。 方案一：简单的积分电路（由电阻和电容组成）。

方案二：带有放大器的积分电路（由放大器和电阻电容组成）。

对照如上两个方案，在方波的频率改变的情形下，都需改变充电电容，因为方波频率变大时，要求积分时刻短，即电容的容量要小，以达到快速充电的要求，不然波形失真；当方波频率变小时，要求积分时刻要长，这时增大电容的容量，不然将产生梯形式的方波。两个方案相对没有理论上的好坏，现选择方案一。

原理：输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。 电路结构如图，积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理，那个地址要提的是电路的时刻常数R*C，组成积分电路的条件是电路的时刻常数必需要大于或等于10倍于输入波形的宽度。

RC积分电路是一种应用比较普遍的模拟信号运算电路。在自动操纵系统中，经常使用积分电路作为调剂环节。另外，RC积分电路还能够用于延时、按时和各类波形的产生或变换。本课题采纳RC积分电路来产生三角波。

此部份的参数不需要具体的计算，能够在仿真实验中具体的持续调剂，来找到最适合的电容大小。总之频率变大，调剂电容变小；频率变小，调剂电容变大即可。  三角波——正弦波转换电路原理图 方案选择：

方案一：低通滤波电路（通过简单ＲＣ电路来实现）。

方案二：利用差分放大电路的传输曲线（差分放大器的非线性传输曲线）。

方案三：通过折线法来实现。

对照如上方案：

方案一利用低通滤波器将三角波变换成正弦波，将三角波按傅里叶级数展开

其中Um是三角波的幅值。依照上式可知，低通滤波器的通带截止频率应大于三角波的基波频率且小于三角波的三次谐波频率。固然，也能够利用带通滤波器实现

上述变换；

方案二利用差分放大器的非线性传输曲线来实现，具体原理如以下图所示：

方案三的电路连接比较复杂，而且需要的元器件也比较多，调试也比较不方便。

综上所述，及依如实验的结果来看，方案二和方案三的结果波形并非睬想，而且调剂繁琐，应选择方案一来实现三角波到正弦波的转换。

 数字显示输出信号频率和电压幅值 基于OP37的峰值检波系统

调幅波的解调即是从调幅信号中掏出调制信号的进程，通常称为检波。调幅波解调方式有二极管包络检波器、同步检波器。不论哪一种振幅调制信号，都可采纳相乘器和低通滤波器组成的同步检波电路进行解调。可是关于一般调幅信号来讲，它的载波分量被抑制掉，能够直接利用非线性器件实现相乘作用，取得所需的解调电压，而没必要另加同步信号，通常将这种振幅检波器称为包络检波器。目前应用最广的是二极管包络检波器，而在集成电路中，要紧采纳三极管射极包络检波器。同步检波，又称相干检波，要紧用来解调双边带和单边带调制信号，它有两种实现电路。一种由相乘器和低通滤波器组成，另一种直接采纳二极管包络检波。

本次课设采纳OP37来进行峰值检波。

 数码管显示电压

AD转换确实是模数转换，顾名思义，确实是把模拟信号转换成数字信号。 逐次比较型（如TLC0831）

逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑组成，从MSB开始，顺序地对每一名将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出 数字值。其电路规模属于中等。其优势是速度较高、功耗低。

VCCR110kΩR1010kΩ436VV18 V U1A514U1B1074U1C1284U1D14R210kΩV25.5 V R310kΩ21169111311LM324ADLM324ADLM324AD11LM324ADR410kΩ4U2A514U2B1074U2C8XSC1Ext Trig+_AB_+_+R510kΩ32611911R610kΩLM324ADLM324AD11LM324AD412U2D14R710kΩVEE0V1311LM324ADR810kΩSETDQ~QU3SETDCLKQ~QU4SETDCLKQ~QU5SETDCLKQ~QU6U11R910kΩXFG2CLKRESETRESETRESETRESETDCD_HEXD_FFU10D_FFU7SETDCLKQ~QDCLKSETQ~QD_FFU8SETDCLKQ~QD_FFU91011121312345D0D1D2D3D4D5D6D7EIA0A1A2GSEO9761415RESETRESETRESETD_FFD_FFD_FF74LS148D

 关于频率计测频率的方案如下：

方案一：利用做课程设计三题同窗的设计电路，完本钱次频率设计的要求。 方案二：利用VHDL设计频率计并用quartusII进行仿真。

本要求并非是此题目的重点，选择方案一相对省时省力，故咱们选择方案一。

U13U14U15U16DCD_HEXDCD_HEXDCD_HEXDCD_HEX1916151296528Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q151413121115181714138743191615129652LED111CLK1~CLRU1141312111514131211141312112191076543~CLR~LOAD1511121314RCOQDQCQBQAENTENPDCBARCORCORCO~LOAD~CLR~LOAD~CLR~LOAD~CLR~LOAD~CLRU474LS160DCLKU874LS160DCLKU974LS160DCLKRCOQAQBQCQDQAQBQCQDQAQBQCQDQAQBQCQD15CLK181714138743R920Ω8D7D6D5D4D3D2D1D5V8D7D6D5D4D3D2D1DVCC11CLK1~CLRU1174LS273DWU1274LS273DW8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1QU1074LS160DCLK27ENP10ENT7ENP10ENT7ENP10ENT7ENP10ENTABCDABCDABCD3456912345691234569123456ABCDVCC5VR12100kΩVCCRSTDISOUT74LS160DVCC5VC1330µFBUZZER200 Hz U18VCC5VVCC5VR132.4kΩTHRTRICONGND100nFC1110nFC12555_VIRTUALTimerQ22N2907R7100kΩVCCRSTDISTHRTRICONOUTA3Q32N2907R8100kΩVCCRSTDISTHRTRICONOUTA4U17A74LS04DVCC5VR104.7kΩRSTDISTHRTRIC710nFC810µFGND555_VIRTUALC910nFC1010µFGND555_VIRTUALVCCOUT4.7kΩR11VCC5VGNDCON150µFC510nFC6555_VIRTUALTimerR150kΩR347kΩR6100kΩA1VCC91V16 Vrms 600 Hz 0° C147µFR210kΩQ1RSTDISTHROUTU7D7400N2SC1815R410kΩC410nFTRICONGNDU5A7404N555_VIRTUALC30.01µFR51kΩC2100µF

 第三章 电路的安装与调试

 方波产生的结果

（555按时器组成多谐振荡器产生的方波）

 方波转换为三角波的结果

（积分电路产生的三角波）

 三角波转换为正弦波的结果

（二阶低通滤波器产生的正弦波）

 数字显示频率和幅值的结果

 第四章 终止语

函数信号发生器是本次课程设计的较难的一个题目，通过十天的团队合作，咱们勉强完成了本课题所需要求。本设计最大的特色确实是信号发生流程相对简单明了，易于明白得。 可是，它的难度：电路对各元件的参数选择要求比较高，调整波形相对而言不方便。这些问题仅是受咱们自身条件的，和时刻有限，还没能完美解决。直接数字频率合成器也确实是DDS却能够专门好解决那个问题。在进程中尝试了一下，从理论到实际操作，尽管还有一段距离，可是，能够确信，这是一个很不错的解决方式。

 参考文献

1林涛•《数字电子技术基础》•清华大学出版社•2006年6月•（ISBN 978-7-302-120-3）

2林涛•《模拟电子技术基础》•重庆大学出版社•2004年12月•(ISBN 7-5623-2831-X/TN•70)

3黄志伟•全国大学生电子设计竞赛•北京航天航空大学出版社•2007年2月（ISBN978-7-81077-983-8）

4赵文博•新型经常使用集成电路速查手册•人民邮电出版社•2006年1月（ISBN7-/TN•2578）

5王伊娜•Multisim8•国防工业出版社•2006年6月•（IBSN7--X） 6. 杨刚 周群 电子系统设计与实践 2005年1月 电子工业出版社（ISBN7-5053-9593-9）

7.谢自美 电子线路设计，实验，测试 2006年8月

 元件清单列表 序 号 1 2 3 名 称 555定时器 电阻 电容 型号参数 LM555CN —— —— 数量 1 若干 若干 备注 4 5 6 7 8 9 10

运算放大器 运算放大器 二极管 二极管 数码管 集成芯片 稳压电源 OP37CH LM324AD 1N4248GP BAW62 DCD_HEX 74LS140D —— 1 7 2 1 5 1 若干  整体框图：

（波形发生器）

（显示模块）

 收成及体会

课程设计已悄然走到了尾声，回忆这次课设，感慨颇多。的确，从选题到定稿，从理论到实际，在这短短的日子里，能够说是苦多于乐。可是，通过自己动手，学到了许多，不仅巩固了以前很学的，也同时扩展了相关的知识面。

咱们拿到课题，想利用555按时器解决波形输出，从各方面来看，利用数模电的思想完成此的设计，颇具优势。

但是，咱们在设计和仿真进程中碰到许多困难，包括仿真元件的缺失，关于元件参数的不了解，致使无法选型，面对这些困难，咱们查阅了相当多的资料，包括查阅了些许元件的datasheet。咱们做电子课程设计，最重若是在自己已接触的知识的基础上扩展，巩固所学，从而创新！咱们利用单片机既不驾轻就熟，反而还失去了这次课程的意义。

在咱们集体熟悉课程设计的重要思想后，咱们决定用数模电的思路，利用555按时器和其他大体元器件组成适合电路 在电路的设计进程中，三角波转换为正弦振荡电路是其中比较有难度的一部份。第一次做，不免困难重重，主若是模电知识点的应用不灵活，到实际中，无法确信具体元件的参数，具体的计算到实际电路中显得无从下手，实际电路图较原理图加倍的不行明白得，这是自己的缺点，在以后要重点练习弥补。

最后，我感觉通过具体的实践，自己动手，深刻感知了实践的重要性，明白了明白得和应用仍是有所不同的，咱们应该朝着更高的要求即灵活的应用去尽力。

鸣谢

感激杨兆辉教师，邓秋霞教师的悉心指导，教师渊博的知识、严谨的治学态度、灵敏的学术洞察力、活跃的思想、和平易近人的师长风度，也使咱们收成颇丰。值此论文完成之际，谨向教师致以深深的敬意和衷心的感激。一样感激我的同组同窗和其他的教师和同窗们，感激你们的无私帮忙，成功不是属于一个人的，而是属于大伙儿的。

评 语 评阅人： 日期：