沈阳航空航天大学
课 程 设 计 任 务 书
课 程 名 称 电子线路课程设计 课程设计题目 函数信号发生器的设计 课程设计的内容及要求：
一、设计说明与技术指标
1．设计能产生正弦波等波形的函数信号发生器， 2．信号频率范围： 1Hz ∽100kHz ； 3．输出波形要求
① 正弦波 谐波失真度≤2%；
② 方波 上升沿和下降沿时间不得超过200nS ，占空比在48%∽50%之间； 4．输出信号幅度范围：0∽20V ； 二、设计要求
1．在选择器件时，应考虑成本。
2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。 3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。 三、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用multisim 软件仿真。 2．进行实验数据处理和分析。 四、推荐参考资料
1. 童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础．[M]北京：高等教育出版社，2006年
2. 阎石，数字电子技术（第五版）．[M]北京：高等教育出版社，2005. 3. 陈孝彬《555集成电路实用电路集》高等教育出版社2002-8 4. 王刚 《TTL 集成电路应用》 机械工业出版社 2000-10 五、按照要求撰写课程设计报告
成绩评定表：
指导教师签字：
年 月 日
一、概述
函数信号发生器是信号源的一种，信号源可以给被测电路提供所需的各种波形信号，然后用其他仪表测量所需的参数。作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量和各种实际需要。
这一学期刚学习了数电课程，为进一步掌握数电的基本理论及实验调试技术，本小组进行了这次课程设计，主要说明采用555定时器和运放及各种电阻电容共同组成的方波—三角波波—正弦波函数发生器的设计方法与调试。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。
产生方波、三角波、正弦波的方案有多种，如首先产生正弦波，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；也可以首先产生方波，然后把方波变成三角波，最后把三角波变成正弦波等等。
本次课程设计用555定时器组成的多谐振荡器来产生方波，在其中加了一个滑动变阻器，根据T=(R1+R2+R
滑动变阻器
)Cln2和f=1/T来改变波的频率，然后让输出的方波
输入用运放组成的RC 积分电路，从而输出为三角波，最后用低通滤波器把输出的三角波变为正弦波。它的制作成本不高，电路简单并且使用很方便，有效的节省了人力，物力资源。
二、方案论证
设计一个函数信号发生器，能够产生方波和正弦波，并且频率可调，方波占空比在48%-50%，正弦波失真度小于2%。 方案一:
方案一原理框图如图1所示。
图1 函数信号发生器的设计电路方案一原理框图
555构成多谐振荡电路实现的先产生方波，再由积分电路输出三角波，最后由低通滤波器输出正弦波，或者直接由低通滤波器把方波变为正弦波，此电路能够输出正确的波且电路不复杂，性价比较高。 方案二：
图2 函数信号发生器的设计电路方案二原理图
首先由文氏桥振荡电路产生正弦波，再由过零比较器产生方波。正弦波通过RC 串并联振荡电路（文氏桥振荡电路）产生，利用集成运放工作在非线性区的特点，由最简单的过零比较器将正弦波转换为方波。
本设计采用的是方案一，本人数电相较模电学得较好一点，所以选择应用数电知识较多的方案一。555构成多谐振荡电路实现的先产生方波，再由积分电路输出三角波，最后由低通滤波器输出正弦波，或者直接由低通滤波器把方波变为正弦波，此电路能够输出正确的波且电路不复杂，性价比较高。
三、电路设计
1. 方波的产生电路
图3 方波的产生电路图
题目要求产生的方波占空比为48%-50%，即在小于50%的范围，所以采用改进型的用555定时器做成的占空比可调的多谐振荡电路，其输出脉冲的占空比为R1/(R1+R2)，由题意得R1=R2。振荡周期也就是（R1+R2）Cln2。
因为设计的函数信号发生器需要输出在1Hz-100kHz 范围内频率可调的波，所以加了一个滑动变阻器来调节波的频率，f=1/T,T=(R1+R2+R滑动变阻器)Cln2。若想输出频率为100kHz 的信号，滑动变阻器阻值应滑到最小，即为0，得R1=R2=36Ω；若想输出频率为1Hz 的信号，滑动变阻器阻值应滑到最大，R1，R2的值以定，得R 滑动变阻器=7.2MΩ。
在multisim 中按照以上理论值连接好各元器件后，得到的波形、频率、占空比都不是很符合设计要求，于是更改数据至如图3。
图 4 产生的方波波形图
按照更改后的参数连接后，当滑动变阻器R6的小滑片滑到100%时，由公式T=（R1+R2+R6）Cln2，f=1/T得，此时的频率最小，仿真得其最小频率为1.221Hz ，如图5；上升时间为4.821ns ，下降时间为2.332ns ，均小于200ns ，如图6。符合题目的要求。
图 5 最小频率截图 图 6 上升下降的时间截图
当滑动变阻器R6的小滑片滑到0%时，由公式T=（R1+R2+R6）Cln2和公式f=1/T得，此时的频率最大，仿真得其最小频率为100.304kHz ，如图7；上升时间为5.798ns ，下降时间为1.497ns ，均小于200ns ，如图8。均符合题目的要求。
图 7 最大频率截图 图 8 上升下降的时间截图
2. 三角波的产生电路
用函数信号发生器代替由555定时器组成的多谐振荡电路来产生方波，经过由运放组成的RC 积分电路，对电容进行横流充电，输出三角波。
图 9 三角波的产生电路图
3. 正弦波的产生电路
用函数信号发生器代替RC 积分电路来产生三角波，经过一个二阶低通滤波器。f=1/2πRC ，由于是低通滤波器，所以f=100kHz，RC=1.59*10-6, 取C=1uF,R=1Ω。电路图如图10所示。输出正弦波如图11所示。
图 10 正弦波的产生电路图
图 11 产生的正弦波波形图
4. 总电路
图 12 实际总电路图
由于元器件不足，缺少运放，所以把中间的三角波产生电路去掉，直接把方波变成正弦波。如图12所示。得到波形如图13和图14所示。
图 13 产生的方波图
图 14 产生的正弦波图
用失真分析仪测得的方波与正弦波的失真度，均小于2%，符合设计要求。方波失真度如图16所示，正弦波失真度如图17所示。
图 15 方波的失真度截图 图 16 正弦波的失真度截图
四、性能测试
1. 方波的测试
表1 多谐振荡电路测试数据表
2. 低通滤波器产生正弦波的测试
五、硬件部分
把各器件按照仿真图连接好，然后调好电源电压，把连好的面包板连接上电源，并且把示波器线的红色夹子接在电路的输出端上，黑色夹子接地。接好后打开示波器电源，按auto 键，期待着能输出我想要的波形，可是事与愿违，输出的波形很杂乱。于是我重新检查了一遍电路，原来打算接到555定时器的3号输出端竟然被我接到了2号上，多么低级的错误，就在改完瞬间，我闻到了一股烧焦的味道，赶紧关闭电源，检查电路。应该是电源电压太大了，在我改变电源电压为5V 后重新打开电源，然后通过调节scale 按钮调节波形的尺寸，经过几番调整，终于出了正确的波形，方波。最后按下stop 键，如图17，即为硬件部分输出的方波图。
图 17 硬件部分输出的方波图
本次设计是先产生方波，再由方波转变为正弦波，为避免由于方波的微小失真而影响正弦波的波形，把方波转变为正弦波的那部分电路分离出来，用函数信号发生器产生的规范方波代替多谐振荡电路产生的相较不规范的方波，把信号发生器的输出端接在产生正弦波的那部分电路的输入端，如此产生如图18所示的正弦波。
图 18 硬件部分输出的正弦波
六、结论
为期两个星期的课程设计已经结束，在这两个星期的学习、设计、做硬件过程中我感触颇深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过对函数信号发生器的设计，我掌握了常用元件的识别和测试，比如电容的型号等；熟悉了常用的仪器仪表；进一步了解了电路的连接、面包板的使用方法；以及如何提高电路的性能等等。
通过对函数信号发生器的设计，我还深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了很多以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师要求我们做好这个课程设计的原因。是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的设计以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，比如影响占空比的R1，R2，根据题目要求理论值两者应该是相等的，但实际却不是。我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。
其次，这次课程设计从设计电路到参数设计以及仿真、连接电路到最后调试电路的过程中体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦，体会到成功来自于汗水，体会到成果的来之不易。
9
在课题过程中，我们遇到了不少的问题。在老师的严格要求与指点和同学的帮助下，把问题一一解决掉。课题中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于模糊状态，为了能胜任以后的工作，我们必须更加努力，不仅是在理论知识的学习上，而且还要在实践中进一步提高。
参考文献
[1] 阎石主编. 《数字电子技术》.[M]北京：高等教育出版社，2006年
[2] 陈振官等编著. 《新颖高效声光报警器》.[M]北京：国防工业出版社，2005年 [3] 陈孝彬主编. 《555集成电路实用电路集》. 高等教育出版社，2002-8
[4] 童诗白，华成英主编. 《模拟电子技术基础》. [M]北京：高等教育出版社，2006年
[5] 王刚主编. 《TTL 集成电路应用》. 机械工业出版社，2000-10
[6] Ward,Jack .The 555 Timer IC – An Interview with Hans Camenzind. The Semiconductor Museum. 2010-04-05
10
附录I 总电路图
11
附录II 元器件清单
12
沈阳航空航天大学
课 程 设 计 任 务 书
课 程 名 称 电子线路课程设计 课程设计题目 函数信号发生器的设计 课程设计的内容及要求：
一、设计说明与技术指标
1．设计能产生正弦波等波形的函数信号发生器， 2．信号频率范围： 1Hz ∽100kHz ； 3．输出波形要求
① 正弦波 谐波失真度≤2%；
② 方波 上升沿和下降沿时间不得超过200nS ，占空比在48%∽50%之间； 4．输出信号幅度范围：0∽20V ； 二、设计要求
1．在选择器件时，应考虑成本。
2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。 3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。 三、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用multisim 软件仿真。 2．进行实验数据处理和分析。 四、推荐参考资料
1. 童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础．[M]北京：高等教育出版社，2006年
2. 阎石，数字电子技术（第五版）．[M]北京：高等教育出版社，2005. 3. 陈孝彬《555集成电路实用电路集》高等教育出版社2002-8 4. 王刚 《TTL 集成电路应用》 机械工业出版社 2000-10 五、按照要求撰写课程设计报告
成绩评定表：
指导教师签字：
年 月 日
一、概述
函数信号发生器是信号源的一种，信号源可以给被测电路提供所需的各种波形信号，然后用其他仪表测量所需的参数。作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量和各种实际需要。
这一学期刚学习了数电课程，为进一步掌握数电的基本理论及实验调试技术，本小组进行了这次课程设计，主要说明采用555定时器和运放及各种电阻电容共同组成的方波—三角波波—正弦波函数发生器的设计方法与调试。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。
产生方波、三角波、正弦波的方案有多种，如首先产生正弦波，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；也可以首先产生方波，然后把方波变成三角波，最后把三角波变成正弦波等等。
本次课程设计用555定时器组成的多谐振荡器来产生方波，在其中加了一个滑动变阻器，根据T=(R1+R2+R
滑动变阻器
)Cln2和f=1/T来改变波的频率，然后让输出的方波
输入用运放组成的RC 积分电路，从而输出为三角波，最后用低通滤波器把输出的三角波变为正弦波。它的制作成本不高，电路简单并且使用很方便，有效的节省了人力，物力资源。
二、方案论证
设计一个函数信号发生器，能够产生方波和正弦波，并且频率可调，方波占空比在48%-50%，正弦波失真度小于2%。 方案一:
方案一原理框图如图1所示。
图1 函数信号发生器的设计电路方案一原理框图
555构成多谐振荡电路实现的先产生方波，再由积分电路输出三角波，最后由低通滤波器输出正弦波，或者直接由低通滤波器把方波变为正弦波，此电路能够输出正确的波且电路不复杂，性价比较高。 方案二：
图2 函数信号发生器的设计电路方案二原理图
首先由文氏桥振荡电路产生正弦波，再由过零比较器产生方波。正弦波通过RC 串并联振荡电路（文氏桥振荡电路）产生，利用集成运放工作在非线性区的特点，由最简单的过零比较器将正弦波转换为方波。
本设计采用的是方案一，本人数电相较模电学得较好一点，所以选择应用数电知识较多的方案一。555构成多谐振荡电路实现的先产生方波，再由积分电路输出三角波，最后由低通滤波器输出正弦波，或者直接由低通滤波器把方波变为正弦波，此电路能够输出正确的波且电路不复杂，性价比较高。
三、电路设计
1. 方波的产生电路
图3 方波的产生电路图
题目要求产生的方波占空比为48%-50%，即在小于50%的范围，所以采用改进型的用555定时器做成的占空比可调的多谐振荡电路，其输出脉冲的占空比为R1/(R1+R2)，由题意得R1=R2。振荡周期也就是（R1+R2）Cln2。
因为设计的函数信号发生器需要输出在1Hz-100kHz 范围内频率可调的波，所以加了一个滑动变阻器来调节波的频率，f=1/T,T=(R1+R2+R滑动变阻器)Cln2。若想输出频率为100kHz 的信号，滑动变阻器阻值应滑到最小，即为0，得R1=R2=36Ω；若想输出频率为1Hz 的信号，滑动变阻器阻值应滑到最大，R1，R2的值以定，得R 滑动变阻器=7.2MΩ。
在multisim 中按照以上理论值连接好各元器件后，得到的波形、频率、占空比都不是很符合设计要求，于是更改数据至如图3。
图 4 产生的方波波形图
按照更改后的参数连接后，当滑动变阻器R6的小滑片滑到100%时，由公式T=（R1+R2+R6）Cln2，f=1/T得，此时的频率最小，仿真得其最小频率为1.221Hz ，如图5；上升时间为4.821ns ，下降时间为2.332ns ，均小于200ns ，如图6。符合题目的要求。
图 5 最小频率截图 图 6 上升下降的时间截图
当滑动变阻器R6的小滑片滑到0%时，由公式T=（R1+R2+R6）Cln2和公式f=1/T得，此时的频率最大，仿真得其最小频率为100.304kHz ，如图7；上升时间为5.798ns ，下降时间为1.497ns ，均小于200ns ，如图8。均符合题目的要求。
图 7 最大频率截图 图 8 上升下降的时间截图
2. 三角波的产生电路
用函数信号发生器代替由555定时器组成的多谐振荡电路来产生方波，经过由运放组成的RC 积分电路，对电容进行横流充电，输出三角波。
图 9 三角波的产生电路图
3. 正弦波的产生电路
用函数信号发生器代替RC 积分电路来产生三角波，经过一个二阶低通滤波器。f=1/2πRC ，由于是低通滤波器，所以f=100kHz，RC=1.59*10-6, 取C=1uF,R=1Ω。电路图如图10所示。输出正弦波如图11所示。
图 10 正弦波的产生电路图
图 11 产生的正弦波波形图
4. 总电路
图 12 实际总电路图
由于元器件不足，缺少运放，所以把中间的三角波产生电路去掉，直接把方波变成正弦波。如图12所示。得到波形如图13和图14所示。
图 13 产生的方波图
图 14 产生的正弦波图
用失真分析仪测得的方波与正弦波的失真度，均小于2%，符合设计要求。方波失真度如图16所示，正弦波失真度如图17所示。
图 15 方波的失真度截图 图 16 正弦波的失真度截图
四、性能测试
1. 方波的测试
表1 多谐振荡电路测试数据表
2. 低通滤波器产生正弦波的测试
五、硬件部分
把各器件按照仿真图连接好，然后调好电源电压，把连好的面包板连接上电源，并且把示波器线的红色夹子接在电路的输出端上，黑色夹子接地。接好后打开示波器电源，按auto 键，期待着能输出我想要的波形，可是事与愿违，输出的波形很杂乱。于是我重新检查了一遍电路，原来打算接到555定时器的3号输出端竟然被我接到了2号上，多么低级的错误，就在改完瞬间，我闻到了一股烧焦的味道，赶紧关闭电源，检查电路。应该是电源电压太大了，在我改变电源电压为5V 后重新打开电源，然后通过调节scale 按钮调节波形的尺寸，经过几番调整，终于出了正确的波形，方波。最后按下stop 键，如图17，即为硬件部分输出的方波图。
图 17 硬件部分输出的方波图
本次设计是先产生方波，再由方波转变为正弦波，为避免由于方波的微小失真而影响正弦波的波形，把方波转变为正弦波的那部分电路分离出来，用函数信号发生器产生的规范方波代替多谐振荡电路产生的相较不规范的方波，把信号发生器的输出端接在产生正弦波的那部分电路的输入端，如此产生如图18所示的正弦波。
图 18 硬件部分输出的正弦波
六、结论
为期两个星期的课程设计已经结束，在这两个星期的学习、设计、做硬件过程中我感触颇深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过对函数信号发生器的设计，我掌握了常用元件的识别和测试，比如电容的型号等；熟悉了常用的仪器仪表；进一步了解了电路的连接、面包板的使用方法；以及如何提高电路的性能等等。
通过对函数信号发生器的设计，我还深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了很多以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师要求我们做好这个课程设计的原因。是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的设计以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，比如影响占空比的R1，R2，根据题目要求理论值两者应该是相等的，但实际却不是。我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。
其次，这次课程设计从设计电路到参数设计以及仿真、连接电路到最后调试电路的过程中体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦，体会到成功来自于汗水，体会到成果的来之不易。
9
在课题过程中，我们遇到了不少的问题。在老师的严格要求与指点和同学的帮助下，把问题一一解决掉。课题中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于模糊状态，为了能胜任以后的工作，我们必须更加努力，不仅是在理论知识的学习上，而且还要在实践中进一步提高。
参考文献
[1] 阎石主编. 《数字电子技术》.[M]北京：高等教育出版社，2006年
[2] 陈振官等编著. 《新颖高效声光报警器》.[M]北京：国防工业出版社，2005年 [3] 陈孝彬主编. 《555集成电路实用电路集》. 高等教育出版社，2002-8
[4] 童诗白，华成英主编. 《模拟电子技术基础》. [M]北京：高等教育出版社，2006年
[5] 王刚主编. 《TTL 集成电路应用》. 机械工业出版社，2000-10
[6] Ward,Jack .The 555 Timer IC – An Interview with Hans Camenzind. The Semiconductor Museum. 2010-04-05
10
附录I 总电路图
11
附录II 元器件清单
12