函數波形發生器

l 設計要求

函數波形發生器的基本要求：

（1）用運算放大器和分立元件實現，生成方波、三角波、矩形波；

（2）波形的幅值、頻率可調。

本設計的函數波形發生器的基本指標：

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

2. 此處設計方波基準幅值為±5V、三角波基準幅值為±10V。

3. 本設計滿足頻率在特定的10倍頻程連續可調，幅值在基準幅值的基礎上連續可調的要求。

l 設計原理及框圖

方波和三角波函數發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、 方波產生電路

因為方波電壓只有兩種狀態，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回路既作為延遲環節，又作為反饋網絡，通過RC充、放電實現使輸出狀態自動地相互轉換。

本設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、三角波發生電路

三角波電路波形可以通過積分電路實現，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。

本設計的三角波發生基本電路如下：

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，其特點是電壓適應范圍較寬，可在±5～±18V范圍內選用；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零.

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7F4.tmp.png                                波形發生器用到得腳位為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）穩壓二極管1N4731A

雙穩壓二極管的穩定電壓根據方波幅值選取，由設計要求可取5伏特的穩壓二極管,本次試驗采用的1N4731A穩壓二極管。

3）電阻

電阻R4根據雙穩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:

當頻率為100HZ時,R2=20KW   R3=0KW  C=250nF

當頻率為1000HZ時,R2=20KW   R3=0KW  C=25nF

l 設計過程

1、 方案對比

l 方案一：用分立元件組成的函數發生器，通常是單函數發生器且頻率不高，其工作不很穩定，不易調試。

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信號發生器IC產生。早期的函數信號發生器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，無法產生更高頻率的信號，調節方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調節，二者互相影響。

l 方案三：利用單片集成芯片的函數發生器，能產生多種波形，達到較高的頻率，且易于調試。鑒于此，美國馬克西姆公司開發了新一代函數信號發生器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指標，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信號發生器IC。在鎖相環、壓控振蕩器、頻率合成器、脈寬調制器等電路的設計上，MAX038都是優選的器件。

l 方案四：利用專用直接數字合成ＤＤＳ芯片的函數發生器，能產生任意波形并達到很高的頻率，但成本較高。

l 方案五：采用函數信號發生器ICL8038集成模擬芯片，它是一種可以同時產生方波、三角波、正弦波的專用集成電路。但是這種模塊產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數模轉換器相結合的電路來產生波形，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，在低頻范圍內穩定性好、操作方便、體積小、耗電少，適合學生畢業設計。

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

1、線性良好、穩定性好；

2、頻率易調，在幾個數量級的頻帶范圍內，可以方便地連續地改變頻率，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是時間的線性函數，易于變換其他波形。

考慮到本設計頻率較低，設計要求即為用分立元件及集成運放設計函數發生器，因此本設計運用方案一。

l 變量的設定

參數的計算為：方波接入示波器的D通道，三角波接入示波器的B通道。雙向穩壓二極管將比較器的輸入電平穩定在+-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，取縱軸坐標為5V／Div．B通道為方波，取縱坐標為10V／Div。手動放置坐標線有微小誤差。當Rp3、Rp4都取0 時，．可實現方波幅值為±5V．三角波幅值為±10V

l 仿真調試過程

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，則輸出波形不穩定，頻率稍微增高就嚴重失真，而運用3554AM就克服了這種現象而且效果很好。后來根據我的分析，才知道741運放的驅動要求較高，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所致。而3554AM顯然要優于741，接入電路后對電路的影響較小。

然而即使運用3554AM，在調節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，將基準方波、三角波和可調幅值的方波、三角波信號接入四蹤示波器中，用一個四路開關控制各個信號，特別是同種波形的幅值調節前后的對比，可以確定出現較大波形失真的輸出幅值的極限值，從而確定在本設計給定的條件下幅度輸出范圍。

l 仿真結果

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

接通電容C1，f的范圍為10Hz～100Hz，調節Rp1可實現f的連續變化．由模擬示波器得仿真結果如下：

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

圖3

圖3

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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,實現了方波幅值為+-5V，三角波幅值為+-10V，且在10HZ——100HZ內連續可調。

接通電容C2，f的范圍為100Hz～1KHz，調節Rp1可實現f的連續變化．由圖7可見T=T2-T1約為1ms,即f=1KHz,當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果如下：

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圖5

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圖6

l 數據處理及誤差分析

仿真數據表

數據記錄

l 檢測值與標準值的誤差分析

l 方波與矩形波的變換

本設計增加了反相比例運算電路，將本來受到穩壓電路限制的方波幅值輸入，輸出即為連續可調的方波電壓幅值。同理也應用于三角波的幅值調節。

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

如下即為連續調節R4時，三角波的幅值逐漸變化圖像（其中，紅色圖像為基準三角波，綠色三角波為逐漸調幅后的波形）

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA83E.tmp.png

如下即為連續調節R7時，三角波的幅值逐漸變化圖像（其中，藍色圖像為基準三角波，黃色三角波為逐漸調幅后的波形）

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l 收音機原理及焊接調試

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，不連通等的現象。

3、 調試收音機

一臺收音機若不經過調試，可能會出現許多問題。例如，不發聲，聲音嘈雜，聲音小等諸多問題。經過一定的調試，便可以判斷收音機的使用性能。

測量電流，電位器開關關掉，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的兩端（黑表筆接電池的負極、紅表筆接開關的另一端）若電流指示小于10mA（這時A、B、C、D四個電流缺口均未連上，連上時的總靜態電流為15-18mA）,則說明可以通電，將電位器開關打開（音量旋至最小即測量靜態電流）用萬用表分別測量D、C、B、A四個電流缺口，若被測量的數字在規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，調雙連拔盤即可收到電臺，在安裝電路板時應注意把喇叭及電池隱線埋在比較隱蔽的地方，并不要影響調諧拔盤的旋轉和避開螺絲樁子，電路板挪位后再上螺絲釘固定。收音機的調試便完成。若還有什么問題進行相應調試即可.

l 設計拓展

考慮到函數發生器需要盡可能寬的頻率帶，本設計的10HZ-1KHZ頻率范圍還是相對較窄。但是本設計的優點就是可以適當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成的函數發生器輸出頻率不高，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 設計體會及收獲

通過這次對波形發生器的設計與仿真，讓我了解了設計電路的流程，也讓我了解了關于波形發生器的原理與設計理念，要設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，在設計時應考慮兩者的差異，從中找出最適合的設計方法。

在這次電子實習中，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，我所能得來的。特別是在最后都焊接完畢的時候，接上電池，發現我的收音機沒有任何反應，當時心都碎了，但是稍微鎮定了一下，仔細查電路，仔細查原件是否有焊接問題。然而，當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！問題發現后，輕松解決后，收音機發出了聲音，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，體會到將知識轉化為實際的美妙。

接下來的是函數波形發生器的軟件仿真。鑒于函數波形發生器運用的知識大部分是模擬電子技術基礎所學過的，一開始我覺得仿真的原理部分不是個大問題。但是，當真正開始運用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，則輸出波形不穩定，頻率稍微增高就嚴重失真，而運用3554AM就克服了這種現象而且效果很好。后來根據我和張藝涵的討論和分析，才知道741運放的驅動要求較高，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所致。而3554AM顯然要優于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�規范的特點的，之前我在做數學建模比賽的時候，就體會到科技論文不是語文作文，需要標準嚴謹的態度。

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

在這次實習過程中，讓我了解要多思考、多比較和多嘗試把所學的書本知識應用于實際，培養自己的動手能力。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

1、韓學軍. 數字電子技術基礎[M].北京：中國電力出版社

2、王義軍.模擬電子技術基礎[M].北京：中國電力出版社

3、童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社.

4、閻石. 數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社.

5、康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社.

6、張慶雙.電子元器件的選用與檢測[M].機械工業出版社,2002

7、萬方數據庫

附總電路圖：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA860.tmp.png