函數(shù)波形發(fā)生器

l 設(shè)計要求

函數(shù)波形發(fā)生器的基本要求：

（1）用運算放大器和分立元件實現(xiàn)，生成方波、三角波、矩形波；

（2）波形的幅值、頻率可調(diào)。

本設(shè)計的函數(shù)波形發(fā)生器的基本指標(biāo)：

1. 頻率在10Hz到lkHz之間，以10倍頻程步級進行變化，并產(chǎn)生幅值可調(diào)的方波和三角波。

2. 此處設(shè)計方波基準(zhǔn)幅值為±5V、三角波基準(zhǔn)幅值為±10V。

3. 本設(shè)計滿足頻率在特定的10倍頻程連續(xù)可調(diào)，幅值在基準(zhǔn)幅值的基礎(chǔ)上連續(xù)可調(diào)的要求。

l 設(shè)計原理及框圖

方波和三角波函數(shù)發(fā)生器的原理框圖如下圖所示：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7B3.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7C4.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7C5.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7C6.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7C7.tmp.png

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7C8.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7C9.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7CA.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7CB.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7CC.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7CD.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7CE.tmp.png

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7CF.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7D0.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7D1.tmp.png

1、 方波產(chǎn)生電路

因為方波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平、就是低電平。所以電壓比較器是它的重要組成部分。它由反相輸入的電壓滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過RC充、放電實現(xiàn)使輸出狀態(tài)自動地相互轉(zhuǎn)換。

本設(shè)計的方波局部電路如下：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7E2.tmp.png

圖1

方波的周期和頻率計算：

T=2RCln(1+2R1/R2)         

f=1/T

幅值：Ut=R1/(R1+R2) *Uz

2、三角波發(fā)生電路

三角波電路波形可以通過積分電路實現(xiàn)，把方波電壓作為積分運算電路的輸入，在積分運算電路的輸出就得到了三角波。

本設(shè)計的三角波發(fā)生基本電路如下：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7E3.tmp.png

圖2

三角波周期和頻率計算：

T=4*R1*R4*C/R2         

f=R2/(4*R1*R4*C)

三角波的幅值：

Ut=Uz*R1/R2

方波三角波的設(shè)計總電路圖如下：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7F3.tmp.png

l 器件說明

1、元器件選擇

1）集成單運放3554A  

電路所用的運放選用3554A,3554A的管腳圖如圖所示，其特點是電壓適應(yīng)范圍較寬，可在±5～±18V范圍內(nèi)選用；具有很高的輸入共模、差模電壓，電壓范圍分別為±15V和±30V；內(nèi)含頻率補償和過載、短路保護電路；可通過外接電位器進行調(diào)零.

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7F4.tmp.png                                波形發(fā)生器用到得腳位為1.2.5.6.7

                                   腳位1：INV.OUTPUT

                                   腳位2：NON-INV.INPUT

                                   腳位7: V-

                                   腳位6：INPUT

                                   腳位2：V+

圖2 3554AM管腳分布

2）穩(wěn)壓二極管1N4731A

雙穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓根據(jù)方波幅值選取，由設(shè)計要求可取5伏特的穩(wěn)壓二極管,本次試驗采用的1N4731A穩(wěn)壓二極管。

3）電阻

電阻R4根據(jù)雙穩(wěn)壓二極管的最大電流確定,此處可取10 kW，其他電阻分別有10K電阻，50K電阻和5K電阻。

4）電容

電容C根據(jù)振蕩頻率要求確定，本次實驗采用的250nF和25nF兩種電容。

5）由file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7F5.tmp.png式,令R1=10KW,為達到所要求的頻率,可求得二組值:

當(dāng)頻率為100HZ時,R2=20KW   R3=0KW  C=250nF

當(dāng)頻率為1000HZ時,R2=20KW   R3=0KW  C=25nF

l 設(shè)計過程

1、 方案對比

l 方案一：用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器，通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作不很穩(wěn)定，不易調(diào)試。

l 方案二：可以由晶體管、運放IC等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號發(fā)生器IC產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號發(fā)生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300kHz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調(diào)節(jié)，二者互相影響。

l 方案三：利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器，能產(chǎn)生多種波形，達到較高的頻率，且易于調(diào)試。鑒于此，美國馬克西姆公司開發(fā)了新一代函數(shù)信號發(fā)生器ICMAX038，它克服了上述方案二中芯片的缺點，可以達到更高的技術(shù)指標(biāo)，是上述芯片望塵莫及的。MAX038頻率高、精度好，因此它被稱為高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器IC。在鎖相環(huán)、壓控振蕩器、頻率合成器、脈寬調(diào)制器等電路的設(shè)計上，MAX038都是優(yōu)選的器件。

l 方案四：利用專用直接數(shù)字合成ＤＤＳ芯片的函數(shù)發(fā)生器，能產(chǎn)生任意波形并達到很高的頻率，但成本較高。

l 方案五：采用函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038集成模擬芯片，它是一種可以同時產(chǎn)生方波、三角波、正弦波的專用集成電路。但是這種模塊產(chǎn)生的波形都不是純凈的波形，會寄生一些高次諧波分量，采用其他的措施雖可濾除一些，但不能完全濾除掉,且價格較高。                                                                 

l 方案六：采用AT89S51單片機和DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器相結(jié)合的電路來產(chǎn)生波形，由于是軟件濾波，所以不會有寄生的高次諧波分量，生成的波形比較純凈。它的特點是價格低、性能高，在低頻范圍內(nèi)穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少，適合學(xué)生畢業(yè)設(shè)計。

產(chǎn)生方波、三角波的方案有如上多種，本設(shè)計主要采用由電壓滯回比較器和積分器同時產(chǎn)生方波和三角波。其中電壓滯回比較器產(chǎn)生方波，對其輸出波形進行一次積分產(chǎn)生三角波。該電路的優(yōu)點是十分明顯的：

1、線性良好、穩(wěn)定性好；

2、頻率易調(diào)，在幾個數(shù)量級的頻帶范圍內(nèi)，可以方便地連續(xù)地改變頻率，而且幅值改變時，頻率恒定不變。

3、三角波和方波在半周期內(nèi)是時間的線性函數(shù)，易于變換其他波形。

考慮到本設(shè)計頻率較低，設(shè)計要求即為用分立元件及集成運放設(shè)計函數(shù)發(fā)生器，因此本設(shè)計運用方案一。

l 變量的設(shè)定

參數(shù)的計算為：方波接入示波器的D通道，三角波接入示波器的B通道。雙向穩(wěn)壓二極管將比較器的輸入電平穩(wěn)定在+-5V，選用1N4731（4.3V），其方波輸出電壓為+-5V,可變電阻Rp3、Rp4用來改變電阻比值以改變方波和三角波的輸出幅值。取R2=10K，則R1為20K，需要改變幅值時再使用可變電阻。f需要在10HZ到100HZ時電路中的電容C1有：因為f=R2/4RR1C,則R取Rs時頻率達到最大，此時C1=250nf，f從100HZ到1KHZ時電路中的電容C2=25nf。

將A通道接三角波，取縱軸坐標(biāo)為5V／Div．B通道為方波，取縱坐標(biāo)為10V／Div。手動放置坐標(biāo)線有微小誤差。當(dāng)Rp3、Rp4都取0 時，．可實現(xiàn)方波幅值為±5V．三角波幅值為±10V

l 仿真調(diào)試過程

在本次仿真中，我運用的是multisim 11.0。對于集成運放的選擇，換取型號不同集成運放就會有完全不一樣的效果。我深有印象就是在反相比例運算電路這一模塊的仿真中，我分別用了不同的運放進行仿真。一次用的是運放741,一次用的是3554AM，但是運用741運放，則輸出波形不穩(wěn)定，頻率稍微增高就嚴重失真，而運用3554AM就克服了這種現(xiàn)象而且效果很好。后來根據(jù)我的分析，才知道741運放的驅(qū)動要求較高，作為負載接入電路后，負載電阻較大，頻率增大后放大電路不工作在放大區(qū)所致。而3554AM顯然要優(yōu)于741，接入電路后對電路的影響較小。

然而即使運用3554AM，在調(diào)節(jié)三角波的輸出幅值的時候，幅值基本沒有失真，但是在矩形波幅值輸出時，隨著頻率的增大，矩形波的幅值會有不同程度的干擾，但是影響不大。

因此，我的處理方案是：用3554AM替換741運放，將基準(zhǔn)方波、三角波和可調(diào)幅值的方波、三角波信號接入四蹤示波器中，用一個四路開關(guān)控制各個信號，特別是同種波形的幅值調(diào)節(jié)前后的對比，可以確定出現(xiàn)較大波形失真的輸出幅值的極限值，從而確定在本設(shè)計給定的條件下幅度輸出范圍。

l 仿真結(jié)果

Multisim 11的仿真結(jié)果如圖：A通道為三角波，取縱軸坐標(biāo)為5V／Div．B通道為方波，取縱坐標(biāo)為10V／Div。手動放置坐標(biāo)線有微小誤差。當(dāng)Rp3、Rp4都取0 時，．可實現(xiàn)方波幅值為±5V．三角波幅值為±10V。

接通電容C1，f的范圍為10Hz～100Hz，調(diào)節(jié)Rp1可實現(xiàn)f的連續(xù)變化．由模擬示波器得仿真結(jié)果如下：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA806.tmp.png

圖3

圖3

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA807.tmp.png

圖4

Rp1取0時，由上圖5可見T2-T1約為100ms，則f=10HZ，黨Rp1取最大值50K時，由圖6可見T2-T1=10.287ms,實現(xiàn)了方波幅值為+-5V，三角波幅值為+-10V，且在10HZ——100HZ內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

接通電容C2，f的范圍為100Hz～1KHz，調(diào)節(jié)Rp1可實現(xiàn)f的連續(xù)變化．由圖7可見T=T2-T1約為1ms,即f=1KHz,當(dāng)Rp1取最大值時f=100HZ和前面圖5一致。由模擬示波器得仿真結(jié)果如下：

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圖5

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圖6

l 數(shù)據(jù)處理及誤差分析

仿真數(shù)據(jù)表

數(shù)據(jù)記錄

l 檢測值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差分析

l 方波與矩形波的變換

本設(shè)計增加了反相比例運算電路，將本來受到穩(wěn)壓電路限制的方波幅值輸入，輸出即為連續(xù)可調(diào)的方波電壓幅值。同理也應(yīng)用于三角波的幅值調(diào)節(jié)。

反相比例運算電路如下：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA83D.tmp.png

比例公式為：Uo=-R4/R8*Ui

如下即為連續(xù)調(diào)節(jié)R4時，三角波的幅值逐漸變化圖像（其中，紅色圖像為基準(zhǔn)三角波，綠色三角波為逐漸調(diào)幅后的波形）

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如下即為連續(xù)調(diào)節(jié)R7時，三角波的幅值逐漸變化圖像（其中，藍色圖像為基準(zhǔn)三角波，黃色三角波為逐漸調(diào)幅后的波形）

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA84E.tmp.png

l 收音機原理及焊接調(diào)試

1、 收音機原理圖

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA85F.tmp.png

2、 收音機焊接

a.把收音機的電子元件先放進電路板中布局,想清楚電路的路線，減少電路出現(xiàn)的問題；

b．在焊接時注意集成運放的腳位，要對著來焊接，不能接錯，在焊接電解電容的時候，要分清電解電容的正負；

c．按圖接線,注意直流電源的正負及接地端，還有設(shè)立測試電路的五個輸出點；

d．焊接完后，要檢查電路，再重新看一次，檢查虛焊，不連通等的現(xiàn)象。

3、 調(diào)試收音機

一臺收音機若不經(jīng)過調(diào)試，可能會出現(xiàn)許多問題。例如，不發(fā)聲，聲音嘈雜，聲音小等諸多問題。經(jīng)過一定的調(diào)試，便可以判斷收音機的使用性能。

測量電流，電位器開關(guān)關(guān)掉，裝上電池（注意正負極）用萬用表50mA檔，表筆跨接在電位器開關(guān)的兩端（黑表筆接電池的負極、紅表筆接開關(guān)的另一端）若電流指示小于10mA（這時A、B、C、D四個電流缺口均未連上，連上時的總靜態(tài)電流為15-18mA）,則說明可以通電，將電位器開關(guān)打開（音量旋至最小即測量靜態(tài)電流）用萬用表分別測量D、C、B、A四個電流缺口，若被測量的數(shù)字在規(guī)定的參考阻值左右即可用烙鐵將這四個缺口依次連通，再把音量開到最大，調(diào)雙連拔盤即可收到電臺，在安裝電路板時應(yīng)注意把喇叭及電池隱線埋在比較隱蔽的地方，并不要影響調(diào)諧拔盤的旋轉(zhuǎn)和避開螺絲樁子，電路板挪位后再上螺絲釘固定。收音機的調(diào)試便完成。若還有什么問題進行相應(yīng)調(diào)試即可.

l 設(shè)計拓展

考慮到函數(shù)發(fā)生器需要盡可能寬的頻率帶，本設(shè)計的10HZ-1KHZ頻率范圍還是相對較窄。但是本設(shè)計的優(yōu)點就是可以適當(dāng)增大或是減小積分電路的電容值，已達到改變頻率的目的。因為電路的頻率以10倍頻程步級進行變化，所以只需要將電容外擴C3=2.5nf,C4=2500nf等等，就可以從里論仿真上使頻率變化范圍達到1HZ-10KHZ。但是考慮到由分立元件和集成運放構(gòu)成的函數(shù)發(fā)生器輸出頻率不高，所以實際頻率到不到10KHZ,需要進一步仿真測出最高頻率上限。鑒于篇幅有限，本文在這里不做過多陳述。

l 設(shè)計體會及收獲

通過這次對波形發(fā)生器的設(shè)計與仿真，讓我了解了設(shè)計電路的流程，也讓我了解了關(guān)于波形發(fā)生器的原理與設(shè)計理念，要設(shè)計一個電路總要先用仿真，仿真成功之后方可實際接線的。但是最后的成品卻不一定與仿真時完全一樣，因為，在實際接線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無法成功的電路接法，在實際中因為元器件本身的特性而能夠成功。所以，在設(shè)計時應(yīng)考慮兩者的差異，從中找出最適合的設(shè)計方法。

在這次電子實習(xí)中，我對焊接焊接收音機有著深刻的體會。雖然之前參加長通杯，也不是第一次接觸焊接電路，但是我真正在焊接收音機的時候，麻煩還是困擾我好久。焊點是否完全接觸，焊接是否正確，以及在焊接前對各個元件的檢查，都是有著很巧妙地手法，然而這些經(jīng)驗的東西不是在在課堂上，不是老師在實驗室一遍一遍的強調(diào)，我所能得來的。特別是在最后都焊接完畢的時候，接上電池，發(fā)現(xiàn)我的收音機沒有任何反應(yīng)，當(dāng)時心都碎了，但是稍微鎮(zhèn)定了一下，仔細查電路，仔細查原件是否有焊接問題。然而，當(dāng)我把所有可能的問題都檢查一遍以后，我才恍然大悟到，我竟然沒有把ABCDE五個焊點用焊錫鏈接！問題發(fā)現(xiàn)后，輕松解決后，收音機發(fā)出了聲音，收到了至少5個電臺，這種感覺太美妙了。小小的成就感頓時油然而生，我在焊接收音機中感受到動手的快樂，體會到將知識轉(zhuǎn)化為實際的美妙。

接下來的是函數(shù)波形發(fā)生器的軟件仿真。鑒于函數(shù)波形發(fā)生器運用的知識大部分是模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)所學(xué)過的，一開始我覺得仿真的原理部分不是個大問題。但是，當(dāng)真正開始運用multisim仿真的時候，效果沒有一開始的認為的那么好。對于集成運放，換取型號不同集成運放就會有完全不一樣的效果。我深有印象就是在反相比例運算電路這一模塊的仿真中，我和張藝涵同學(xué)分別用了不同的運放。他用的是運放741,我用的是3554AM，但是運用741運放，則輸出波形不穩(wěn)定，頻率稍微增高就嚴重失真，而運用3554AM就克服了這種現(xiàn)象而且效果很好。后來根據(jù)我和張藝涵的討論和分析，才知道741運放的驅(qū)動要求較高，作為負載接入電路后，負載電阻較大，頻率增大后放大電路不工作在放大區(qū)所致。而3554AM顯然要優(yōu)于741，接入電路后對電路的影響較小。

最后是書寫報告論文部分，更是深有感觸�？萍碱愓撐氖怯袊乐斍逦�規(guī)范的特點的，之前我在做數(shù)學(xué)建模比賽的時候，就體會到科技論文不是語文作文，需要標(biāo)準(zhǔn)嚴謹?shù)膽B(tài)度。

最重要的一點就是，本設(shè)計的論文在數(shù)據(jù)處理上，自我給出檢驗基準(zhǔn)，運用仿真的數(shù)據(jù)進行誤差分析與計算，用客觀的性能指標(biāo)檢驗了本設(shè)計達到了設(shè)計要求。

在這次實習(xí)過程中，讓我了解要多思考、多比較和多嘗試把所學(xué)的書本知識應(yīng)用于實際，培養(yǎng)自己的動手能力。所以說，坐而言不如立而行，對于這些電路還是應(yīng)該自己動手實際操作進行仿真才會有深刻理解。

l 參考文獻

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7、萬方數(shù)據(jù)庫

附總電路圖：

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