函数发生器的设计报告.docx
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函数发生器的设计报告
电子实习报告
-------函数发生器的设计
绪论
能产生多种波形,如三角波、锯齿波、方波、正弦波的电路被称为函数信号发生器,又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有广泛的应用。
函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。
例如在通信、广播、电视系统中都需要射频(高频)发射,这里的射频波就是载波,把音频(低频),视频信号和脉冲信号运载出去,就需要产生高频振荡器。
作为基础测量仪器的信号发生器随着用户的需求而不断发展。
信号源实质上就是一个扫频示波器或合成信号源,并具有基本的调制功能。
现在是数字化时代,研发或其他人员对测量仪器是最基本的工具,测量仪技术指标上也不断提高。
如精度高、工作频带宽、误差小等。
能够满足不同层次用户的测试要求。
近几年,数字化仪器在迅速发展,我国也在不断研究推出各种新型数字化仪器。
目前使用的信号发生器大部分是利用AT89S51单片机构成的发生器,但本次设计要求采用分立元件产生正弦波、方波、三角波。
电路的原理部分的设计,可以是先设计单元电路,然后用仿真软件模拟,等到各个单元都设计完成后,再将各个单元结合到一起,由仿真软件模拟是否符合制作要求。
本次设计就是按照这样的思路来进行一步一步的分析:
首先按照设计的方案选择具体的元件,画出仿真图,并对仿真图进行调试,观察效果并与课题要求的性能指标作对比,最后分析出现误差的原因以及影响因素。
在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。
1函数发生器的总方案及原理框图
1.1电路设计原理框图
1.2电路设计方案设计
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。
根据用途不同,有产生三种或多种波形的函数发生器,使用的器件可以是分立器件(如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管),也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。
为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术,本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。
产生正弦波、方波、三角波的方案有多种,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等等。
本课题采用先产生方波—三角波,再将三角波变换成正弦波的电路设计方法,
本课题中函数发生器电路组成框图如下所示:
由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路,比较器输出的方波经积分器得到三角波,三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。
差分放大器具有工作点稳定,输入阻抗高,抗干扰能力较强等优点。
特别是作为直流放大器时,可以有效地抑制零点漂移,因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。
波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。
2设计的目的、任务及时间安排
2.1课程设计的目的
1.掌握电子系统的一般设计方法
2.掌握模拟IC器件的应用
3.培养综合应用所学知识来指导实践的能力
4.掌握常用元器件的识别和测试
5.熟悉常用仪表,了解电路调试的基本方法
2.2课程设计的任务与要求
设计构成正弦波、方波、三角波的函数发生器先产生正弦波,然后通过整形电路将正弦波变成方波,再由积分电路将方波变成三角波。
2.3课程设计的技术指标
1.设计、组装、调试函数发生器;
2.输出波形:
正弦波、方波、三角波;
3.频率范围:
在10-10000Hz范围内可调;
4.输出电压:
方波UP-P≤24V,三角波UP-P=8V,正弦波UP-P>1V。
2.4时间安排
时间
任务安排
5月27日(星期一)
资料的查找
5月28日(星期二)
学习设计原理
5月29日(星期三)
焊接
5月30日(星期四)
调试
5月31日(星期五)
发现问题并解决
3各部分电路设计
3.1方波发生电路的工作原理
此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。
RC回路既作为延迟环节,又作为反馈网络,通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。
设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。
Uo通过R3对电容C正向充电,如图中实线箭头所示。
反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高,当t趋于无穷时,Un趋于+Uz;但是,一旦Un=+Ut,再稍增大,Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。
随后,Uo又通过R3对电容C反向充电,如图中虚线箭头所示。
Un随时间逐渐增长而减低,当t趋于无穷大时,Un趋于-Uz;但是,一旦Un=-Ut,再减小,Uo就从-Uz跃变为+Uz,Up从-Ut跃变为+Ut,电容又开始正相充电。
上述过程周而复始,电路产生了自激振荡。
3.2方波---三角波转换电路的工作原理
方波—三角波产生电路
工作原理如下:
若a点断开,运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器,C1为加速电容,可加速比较器的翻转。
运放的反相端接基准电压,即U-=0,同相输入端接输入电压Uia,R1称为平衡电阻。
比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc,低电平等于负电源电压-Vee(|+Vcc|=|-Vee|),当比较器的U+=U-=0时,比较器翻转,输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。
设Uo1=+Vcc,则
将上式整理,得比较器翻转的下门限单位Uia-为
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
比较器的门限宽度
由以上公式可得比较器的电压传输特性,如图3-71所示。
a点断开后,运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器,其输入信号为方波Uo1,则积分器的输出Uo2为
时,
时,
可见积分器的输入为方波时,输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波,其波形关系下图所示。
a点闭合,既比较器与积分器首尾相连,形成闭环电路,则自动产生方波-三角波。
三角波的幅度为
方波-三角波的频率f为
由以上两式可以得到以下结论:
1.电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时,不会影响输出波形的幅度。
若要求输出频率的范围较宽,可用C2改变频率的范围,PR2实现频率微调。
2.方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。
三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。
电位器RP1可实现幅度微调,但会影响方波-三角波的频率。
3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理
三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。
差分放大器具有工作点稳定,输入阻抗高,抗干扰能力较强等优点。
特别是作为直流放大器,可以有效的抑制零点漂移,因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。
波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。
分析表明,传输特性曲线的表达式为:
式中
——差分放大器的恒定电流;
——温度的电压当量,当室温为25oc时,UT≈26mV。
如果Uid为三角波,设表达式为
式中 Um——三角波的幅度;
T——三角波的周期。
为使输出波形更接近正弦波,由图可见:
(1)传输特性曲线越对称,线性区越窄越好;
(2)三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
(3)图为实现三角波——正弦波变换的电路。
其中Rp1调节三角波的幅度,Rp2调整电路的对称性,其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。
电容C1,C2,C3为隔直电容,C4为滤波电容,以滤除谐波分量,改善输出波形。
三角波—正弦波变换电路
3.4电路的参数选择及计算
1.方波-三角波中电容C1变化(关键性变化之一)
实物连线中,我们一开始很长时间出不来波形,后来将C2从10uf(理论时可出来波形)换成0.47uf时,顺利得出波形。
实际上,分析一下便知当C2=10uf时,频率很低,不容易在实际电路中实现。
2.三角波-正弦波部分
比较器A1与积分器A2的元件计算如下。
由式(3-61)得
即
取
,则
,取
,RP1为47KΩ的点位器。
区平衡电阻
由式(3-62)
即
当
时,取
,则
,取
,为100KΩ电位器。
当
时,取
以实现频率波段的转换,R4及RP2的取值不变。
取平衡电阻
。
三角波—>正弦波变换电路的参数选择原则是:
隔直电容C3、C4、C5要取得较大,因为输出频率很低,取
,滤波电容
视输出的波形而定,若含高次斜波成分较多,
可取得较小,
一般为几十皮法至0.1微法。
RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联,以减小差分放大器的线性区。
差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线,调整RP4及电阻R*确定。
3.5总电路图
4电路的安装与调试
4.1方波---三角波发生电路的安装与调试
(一)安装方波——三角波产生电路
1.把两块741集成块插入面包板,注意布局;
2.分别把各电阻放入适当位置,尤其注意电位器的接法;
3.按图接线,注意直流源的正负及接地端。
(二)调试方波——三角波产生电路
1.接入电源后,用示波器进行双踪观察;
2.调节RP1,使三角波的幅值满足指标要求;
3.调节RP2,微调波形的频率;
4.观察示波器,各指标达到要求后进行下一部按装。
4.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试
(一)按装三角波——正弦波变换电路
1.在面包板上接入差分放大电路,注意三极管的各管脚的接线;
2.搭生成直流源电路,注意R*的阻值选取;
3.接入各电容及电位器,注意C6的选取;
4.按图接线,注意直流源的正负及接地端。
(二)调试三角波——正弦波变换电路
1.接入直流源后把C4接地,利用万用表测试差分放大电路的静态工作点;
2.测试V1、V2的电容值,当不相等时调节RP4使其相等;
3.测试V3、V4的电容值,使其满足实验要求;
4.在C4端接入信号源,利用示波器观察,逐渐增大输入电压,当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压;
4.3总电路的安装与调试
1.把两部分的电路接好,进行整体测试、观察
2.针对各阶段出现的问题,逐各排查校验,使其满足实验要求,即使正弦波的峰峰值大于1V。
3.调试接线图
4.4电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法
1.正弦波失真:
将10uf的电容换成0.47uf的电容,并在电阻R12上并联一个电阻。
2.换好电容后的电路把开关2、3连接后得不到波形,把开关1、2连接后得到波形,分析:
换好的电容损坏,再换上相同大小的电容后得到波形。
5电路的实验结果
5.1实测方波波形
5.2实测三角波波形
5.3实测正弦波波形
5.4误差分析及改进方法
1.方波-三角波发生器的装调
由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路,同时输出方波与三角波,这两个单元电路可以同时安装。
需要注意的是,安装电位器RP1与RP2之前,要先将其调整到设计值,如设计举例题中,应先使RP1=10KΩ,RP2取(2.5-70)KΩ内的任一值,否则电路可能会不起振。
只要电路接线正确,上电后,UO1的输出为方波,UO2的输出为三角波,微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求有,调节RP2,则输出频率在对应波段内连续可变。
2.三角波---正弦波变换电路的装调
按照图3—75所示电路,装调三角波—正弦波变换电路,其中差分发大电路可利用课题三设计完成的电路。
电路的调试步骤如下。
(1)经电容C4输入差摸信号电压Uid=50v,Fi=100Hz正弦波。
调节Rp4及电阻R*,是传输特性曲线对称。
在逐渐增大Uid。
直到传输特性曲线形状入图3—73所示,记下次时对应的Uid即Uidm值。
移去信号源,再将C4左段接地,测量差份放大器的静态工作点I0,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.
(2)Rp3与C4连接,调节Rp3使三角波俄输出幅度经Rp3等于Uidm值,这时Uo3的输出波形应接近正弦波,调节C6大小可改善输出波形。
如果Uo3的波形出现如图3—76所示的几种正弦波失真,则应调节和改善参数,产生是真的原因及采取的措施有;
1)钟形失真如图(a)所示,传输特性曲线的线性区太宽,应减小Re2。
2)半波圆定或平顶失真如图(b)所示,传输特性曲线对称性差,工作点Q偏上或偏下,应调整电阻R*.
3)非线性失真如图(C)所示,三角波传输特性区线性度差引起的失真,主要是受到运放的影响。
可在输出端加滤波网络改善输出波形。
(3)性能指标测量与误差分析
1)放波输出电压Up—p《=2Vcc是因为运放输出极有PNP型两种晶体组成复合互补对称电路,输出方波时,两管轮流截止与饮和导通,由于导通时输出电阻的影响,使方波输出度小于电源电压值。
2)方波的上升时间T,主要受预算放大器的限制。
如果输出频率的限制。
可接俄加速电容C1,一般取C1为几十皮法。
用示波器或脉冲示波器测量T
6实验总结
为期一周的实习时间显得短暂而忙碌,虽然操作的时间很少,但大多数时间还是需要我去思考,发现问题并解决,因此增强了我的思维能力。
这次实习让我对数字电子技术的认识从理论转化为实践,也让我体会到了数字电子技术的实用性,更让我对接下来的模拟电子技术这门课程充满了期待。
让我感慨的是,函数信号发生器竟然可以做得如此简单,电子技术真是个神奇的东西。
当然,在实习过程中,我也遇到了一些问题,这些问题也促使我去更深入地了解原理并查找相关资料,以及和其他同学探讨,这也增强了我的团队合作意识。
“实践是检验真理的唯一标准。
”在实习过程中,我对这句话有了更深刻的体会,只有在实践中,知识才能发挥它应有的作用。
7仪器仪表明细清单
1.直流稳压电源1台
2.示波器1台
3.集成运放2片
4.运放7412片
5.电位器50K2只
100K1只
100Ω1只
6.电容470μF2只
47μF1只
1μF1只
0.1μF1只
0.47μF1只
7.三极管90134只
8.面 包 板1块
9.剪 刀 1把
10.仪器探头线3根
11.电源线3根
12.电阻14个
13.电烙铁1个
14.镊子1个
15.剪刀1把
8参考文献
[1]康华光. 电子技术基础数字部分(第五版). 高等教育出版社
[2]康华光. 电子技术基础模拟部分(第五版). 高等教育出版社
[3]谢自美.电子线路设计、实验、测试.第二版.华中科技大学出版社
[4]李万臣主编.模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社
[5]陈梓城.实用电子电路设计与调试.中国电力出版社
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