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函数发生器
电子设计(论文)
题目:
1、基于NE555的函数发生器
2、截止率为5000的低通滤波器
3、基于NE555的单-双电源转换
教学单位电子信息工程学院_____
姓名
学号
年级_
专业_电子信息工程________
指导教师
2012年6月8日
1、NE555信号发生器及低通滤波
一:
第一章:
概述:
(信号发生器)
定义
一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号,常用作测试的信号源或激励源的设备。
信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。
信号源的分类和作用
例如泰克生产的AFG3000系列就包括函数信号发生器、任意波形/函数信号发生器、脉冲信号发生器的功能。
另外,信号源还可以按照输出信号的类型分类,如射频信号发生器、扫描信号发生器、频率合成器、噪声信号发生器、脉冲信号发生器等等。
信号源也可以按照使用频段分类,不同频段的信号源对应不同应用领域。
下面我们将对函数信号发生器和任意波形/函数发生器做简要介绍:
۟۟1、函数信号发生器
函数发生器是使用最广的通用信号源,提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲波等波形,有的还同时具有调制和扫描功能。
函数波形发生器在设计上分为模拟式和数字合成式。
众所周知,数字合成式函数信号源(DDS)无论就频率、幅度乃至信号的信噪比(S/N)均优于模拟式,其锁相环(PLL)的设计让输出信号不仅是频率精准,而且相位抖动(phaseJitter)及频率漂移均能达到相当稳定的状态,但数字式信号源中,数字电路与模拟电路之间的干扰始终难以有效克服,也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器,如今市场上的大部分函数信号发生器均为DDS信号源。
2、任意波形发生器
任意波形发生器,是一种特殊的信号源,不仅具有一般信号源波形生成能力,而且可以仿真实际电路测试中需要的任意波形。
在我们实际的电路的运行中,由于各种干扰和响应的存在,实际电路往往存在各种缺陷信号和瞬变信号,如果在设计之初没有考虑这些情况,有的将会产生灾难性后果。
任意波发生器可以帮您完成实验,仿真实际电路,对您的设计进行全面的测试。
信号源的主要技术指标
(一)普通函数发生器的主要指标:
带宽(输出频率范围)仪器的带宽是指模拟带宽,与采样速率等无关,信号源的带宽是指信号的输出频率的范围,并且一般来讲信号源输出的正弦波和方波的频率范围不一致,例如,某函数发生器产生正弦波的频率范围是1mHz~240MHz,而输出方波的频率范围是1mHz~120MHz。
频率(定时)分辨率频率分辨率,即最小可调频率分辨率,也就是创建波形时可以使用的最小时间增量。
频率准确度信号源显示的频率值与真值之间的偏差,通常用相对误差表示,低档信号源的频率准确度只有1%,而采用内部高稳定晶体振荡器的频率准确度可以达到108~1010。
例如,某信号源的频率准确度为1ppm。
频率稳定度频率稳定度是指外界环境不变的情况下,在规定时间内,信号发生器输出频率相对于设置读数的偏差值的大小。
频率稳定度一般分为长期频率稳定度(长稳)和短期频率稳定度(短稳)。
其中,短期频率稳定度是指经过预热后,15分钟内,信号频率所发生的最大变化;长期频率稳定度是指信号源经过预热时间后,信号频率在任意三小时内所发生的最大变化。
输出阻抗信号源的输出阻抗是指从输出端看去,信号源的等效阻抗。
例如,低频信号发生器的输出阻抗通常为600Ω,高频信号发生器通常只有50Ω,电视信号发生器通常为75Ω。
输出电平范围输出幅度一般由电压或者分贝表示,指输出信号幅度的有效范围。
另外,信号发生器的输出幅度读数定义为输出阻抗匹配的条件下,所以必须注意输出阻抗匹配的问题。
(二)任意波发生器的主要指标:
取样(或采样)速率取样速率通常用每秒兆样点或者千兆样点表示,表明了仪器可以运行的最大时钟或取样速率。
取样速率影响着主要输出信号的频率和保真度。
奈奎斯特取样定理规定,取样频率或时钟速率必须至少是生成的信号中最高频谱成分的两倍,以保证精确的复现。
存储深度(记录长度)存储深度是指用来记录波形的数据点数,它决定着波形数据的最大样点数量(相当于时间)。
每个波形样点占用一个存储器位置,每个位置等于当前时钟频率下取样间隔时间。
任意波形发生器的带宽是由任意波发生器的取样速率和存储深度决定的。
垂直(幅度)分辨率信号源的垂直分辨率是指信号源中可以编程的最小电压增量,也就是仪器数模转换器的二进制字宽度,单位为位,它规定了波形的幅度精度。
在混和信号源中,垂直分辨率与仪器DAC的二进制字长度有关,位越多,分辨率就越高。
(滤波器)
定义
是一种用来消除干扰杂讯的器件,将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。
对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路,就是滤波器,其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。
滤波器的分类
按元件分类,滤波器可分为:
有源滤波器、无源滤波器、陶瓷滤波器、晶体滤波器、机械滤波器、锁相环滤波器、开关电容滤波器等。
按信号处理的方式分类,滤波器可分为:
模拟滤波器、数字滤波器。
按通频带分类,滤波器可分为:
低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等。
按通频带分类,有源滤波器可分为:
低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BEF)等。
按通带滤波特性分类,有源滤波器可分为:
最大平坦型(巴特沃思型)滤波器、等波纹型(切比雪夫型)滤波器、线性相移型(贝塞尔型)滤波器等。
按运放电路的构成分类,有源滤波器可分为:
无限增益单反馈环型滤波器、无限增益多反馈环型滤波器、压控电源型滤波器、负阻变换器型滤波器、回转器型滤波器等。
滤波器的主要参数
中心频率(CenterFrequency):
滤波器通带的中心频率f0,一般取f0=(f1+f2)/2,f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。
窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。
截止频率(CutoffFrequency):
指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。
通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。
相对损耗的参考基准为:
低通以DC处插损为基准,高通则以未出现寄生阻带的足够高通带频率处插损为基准。
通带带宽(BWxdB):
(下图)指需要通过的频谱宽度,BWxdB=(f2-f1)。
f1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准,下降X(dB)处对应的左、右边频点。
通常用X=3、1、0.5即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB表征滤波器通带带宽参数。
分数带宽(fractionalbandwidth)=BW3dB/f0×100%,也常用来表征滤波器通带带宽。
插入损耗(InsertionLoss):
由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗,以中心或截止频率处损耗表征,如要求全带内插损需强调。
纹波(Ripple):
指1dB或3dB带宽(截止频率)范围内,插损随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰-峰值。
带内波动(PassbandRiplpe):
通带内插入损耗随频率的变化量。
1dB带宽内的带内波动是1dB。
带内驻波比(VSWR):
衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。
理想匹配VSWR=1:
1,失配时VSWR>1。
对于一个实际的滤波器而言,满足VSWR<1.5:
1的带宽一般小于BW3dB,其占BW3dB的比例与滤波器阶数和插损相关。
回波损耗(ReturnLoss):
端口信号输入功率与反射功率之比的分贝(dB)数,也等于|20Log10ρ|,ρ为电压反射系数。
输入功率被端口全部吸收时回波损耗为无穷大。
阻带抑制度:
衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。
该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。
通常有两种提法:
一种为要求对某一给定带外频率fs抑制多少dB,计算方法为fs处衰减量As-IL;另一种为提出表征滤波器幅频响应与理想矩形接近程度的指标——矩形系数(KxdB>1),KxdB=BWxdB/BW3dB,(X可为40dB、30dB、20dB等)。
滤波器阶数越多矩形度越高——即K越接近理想值1,制作难度当然也就越大。
延迟(Td):
指信号通过滤波器所需要的时间,数值上为传输相位函数对角频率的导数,即Td=df/dv。
带内相位线性度:
该指标表征滤波器对通带内传输信号引入的相位失真大小。
按线性相位响应函数设计的滤波器具有良好的相位线性度,但频率选择性很差,限于脉冲、或调相信号传输系统应用。
二、第二章:
系统方案
系统要求:
(信号发生器)
1、能产生多种信号的发生器,如:
方波、三角波、正弦波;并且它们的频率是可以调节的!
2、对于滤波器,将以上的生成的信号中的方波,其方波的频率可以调到5K,滤除其高次谐波,使其留下基波!
最后输出5K的正弦基波!
实现方案(NE555):
电路如图下:
电路分析过程:
555定时器接成多谐振荡器工作形式,C2为定时电容,C2的充电回路是R2=》R3=》RP=》C2;C2的放电回路是C2=》RP=》R3=》IC的7脚(放电管)。
由于R3RP》R2,所以充电时间常数与放电时间常数近似相等,由IC的3脚输出的是近似对称的方波。
按图所示元件参数,其频率为1KHz左右,调节电位器RP可以改变振荡器的频率。
方波信号经R4,C5积分网络后,输出三角波。
三角波再经R5,C6积分网络,输出近似的正弦波。
C1是电源滤波电容。
发光二极管VD用作指示。
频率计算公式:
充电路径:
tw1=(R2+R3+RP1)*C2*In2
Tw2=(R3+RP2)*C2*In2
占空比:
q=tw1/(tw1+tw2),通过RP可来调节
(低通滤波)
其原理图如下
注:
图中的运算放大器为LM324
其参数计算如下:
先选择电容:
104=10*10000=0.1uF
然后跟椐截止频为5K-10K,计算电阻大小:
fc=1/(2*pi*R*C)
R=1/(2*fc*C*pi)=(318-159),我们在这里选取,200欧。
电路原理:
采用两个二阶级联,中间有一个可变电阻器,可以做到精确的调节。
只留下基波!
在此电路中并没有采用放大信号!
第三章:
系统实现:
将以上电路如实相连,并实现了系统要求的结果!
附加电路:
NE555单—双电源转换
其电路图如下:
工作原理:
3脚输出频率为20KHz,占空比为1:
1的方波
3脚高电平时C3充电;低电平时C4充电。
由于VD1,VD2的在电路中只充电,不放电。
充电最大值为EC,将B端接地,在A、C两端就得到了,+/-15双电源。
如实连接以上电路,并实现了其功能!
参考文献:
《电子专业综合课程设计讲义》
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- 关 键 词:
- 函数 发生器