函数发生器的设计课设.docx
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函数发生器的设计课设.docx
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函数发生器的设计课设
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
电子科学与技术13班
指导教师:
工作单位:
信息工程学院
题目:
函数发生器的设计
初始条件:
可选元件:
双运放μA741两只,双三极管3DG130两对,电阻、电位器、电容若干,直流电源Vcc=+12V,VEE=-12V,或自备元器件。
可用仪器:
示波器,万用表,直流稳压源,毫伏表
要求完成的主要任务:
(1)设计任务
根据已知条件,完成对方波-三角波-正弦波发生器的设计、装配与调试。
(2)设计要求
频率范围 10~100Hz,100Hz~1KHz,1KHz~10KHz;
正弦波Upp≈3V,幅度连续可调,线性失真小。
三角波Upp≈5V,幅度连续可调,线性失真小。
方波Upp≈14V,幅度连续可调,线性失真小。
选择电路方案,完成对确定方案电路的设计。
计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图,阐述基本原理。
(选做:
用PSPICE或EWB软件完成仿真)
安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。
时间安排:
1、2010年1月18日分班集中,布置课程设计任务、选题;讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求;课设答疑事项。
2、2010年1月18日至2010年1月21日完成资料查阅、设计、制作与调试;完成课程设计报告撰写。
3、2010年1月22日提交课程设计报告,进行课程设计验收和答辩。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
目录
摘要………………………………………………………………………………………………I
1绪论…………………………………………………………………………………………....1
2设计任务及要求…………………………………………………………………………………2
2.1设计任务……………………………………………………………………………………..2
2.2设计要求……………………………………………………………………………………..2
3函数信号发生器设计方案论证………………………………………………………….……..3
3.1函数发生器的应用意义……………………………………………………………………..3
3.2函数信号发生器的要求及技术指标………………………………………………………..3
3.3设计方案论证………………………………………………………………………………..3
3.4总体设计方案框图及分析………………………………………………………………….4
4函数信号发生器各单元电路设计……………………………………………………..……….5
4.1方波产生的电路图及元件参数的确定…………………………………………………….5
4.2方波和三角波转换的电路图及元件参数的确定………………………………………….5
4.3正弦波产生电路及元件参数的确定……………………………………………………….7
4.4系统电路的集成……………………………………………………………………………..8
5电路模拟及结果分析…………………………………..…………………………......................9
5.1用Multisim模拟电路……………………………………………………………………….9
5.2结果分析……………………………………………………………………………………10
6电路的安装与调试………………………………………………………….………………….11
6.1方波—三角波电路的安装与调试…………………………………………........................11
6.2三角波—正弦波转换电路的安装与调试…………………………………………………11
6.3总电路的安装与调试………………………………………………………………………11
6.4调试中遇到问题及解决的方法……………………………………………………………12
7课程设计心得体会……………………………..………………………………………………13
参考文献………………………………………………………………………………………….14
附录I元件清单………………………………………………………………………………..15
附录II整体电路图…………………………………………………………………………….16
摘要
信号发生器广泛应用于电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域。
采用集成运放和分立元件相结合的方式,利用迟滞比较器电路产生方波信号,以及充分利用差分电路进行电路转换,从而设计出一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易信号发生器。
通过对电路分析,确定了元器件的参数,并利用Multisim软件仿真电路的理想输出结果,克服了设计低频信号发生器电路方面存在的技术难题,使得设计的低频信号发生器结构简单,实现方便。
该设计可产生频率段分别在10~100Hz、100~1KHz、1K~10KHz的各波形输出,并已应用于实验操作。
关键词:
函数信号发生器,方波信号,电路仿真,迟滞比较器
绪论
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也可以是集成电路。
为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术,本课题采用有集成运算放大器与晶体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。
具体方法是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。
现代社会的电子科技技术日新月异,这就要求我们有独立思考、理论联系实际、勇于创新的能力。
此次模电课程设计为我们提供了良好的实践平台,也为我们走向社会奠定了良好的基础。
通过此次设计,我们能将理论知识很好的应用于实践,不仅巩固了书本上的理论知识,而且锻炼了我们独立查阅资料、设计电路、焊接电路板、独立思考的能力。
希望自己能够充分利用此次机会,更加深刻的了解课本上的知识以及培养自己的动手能力。
设计任务及要求
.2.1设计任务
(1)设计并制作能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的波形发生器;
(2)设计、组装并调试电路。
.2.2设计要求
(1)输出的各种波形工作频率范围10~100Hz,100~1KHz,1KHz~10KHz;
正弦波Upp≈3V,幅度连续可调,线性失真小;
三角波Upp≈5V,幅度连续可调,线性失真小;
方波Upp≈14V,幅度连续可调,线性失真小;
(2)选择电路方案,完成对确定方案电路的设计;计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图,阐述基本原理;
(3)安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。
低频信号发生器设计方案论证
.3.1函数发生器的应用意义
函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。
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,都学要有信号源,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。
它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。
.3.2函数信号发生器的要求及技术指标
.3.2.1要求
现设计并制作能产生方波、三角波及正弦波等多种波形输出的信号发生器。
.3.2.2技术指标
(1)输出的各种波形工作频率范围为10~100Hz,100~1KHz,1KHz~10KHz。
(2)正弦波峰峰值3V,幅度连续可调,线性失真小。
(3)三角波峰峰值5V,幅度连续可调,线性失真小。
(4)方波峰峰值14V,幅度连续可调,线性失真小。
.3.3设计方案论证
(1)积分器可以将方波转换成三角波;比较器可以将三角波转换成方波,因此将两者串联起来后,构成闭合回路,就可以产生三角波和方波。
(2)三角波经低通滤波器滤波后就可得到正弦信号,改变积分器的时间常数就可以得到正弦波。
.3.4总体设计方案框图及分析
(1)方波和三角波的产生
方波—三角波—正弦波信号发生器电路有运算放大器及分立元件构成,其结构如图1所示。
他利用比较器产生方波输出,方波通过积分产生三角波输出,三角波通过差分放大电路产生正弦波输出。
(2)利用差分放大电路实现三角波—正弦波的变换
波形变换原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性,波形变换过程如图2所示。
由图2可以看出,传输特性曲线越对称,线性区域越窄越好;三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。
函数信号发生器各单元电路设计
.4.1方波产生的电路图及元件参数的确定
.4.1.2方波产生的电路
图3方波产生电路图
.4.1.2元件参数的确定
图3中U1构成同相输入迟滞比较器电路,用于产生输出方波。
负反馈Rp5具有调频作用,可用于调节方波的频率。
为了拓宽输出方波的频率范围故Rp5=50kΩ,C1、C5为滤波电容,可选为0.1uF,其他电阻的阻值应根据方波—三角波转化来确定
.4.2方波和三角波转换的电路图及元件参数的确定
.4.2.1方波和三角波转换的电路图
图4方波—三角波转换的电路图
.4.2.2元件参数的确定
(1)图4中U1构成同相输入迟滞比较器电路,用于产生输出方波。
负反馈Rp5具有调频作用,可用于调节方波的频率。
运算放大器U2与电阻Rp2及电容构成积分电路,用于将U1电路输出的方波作为输入,产生输出三角波。
(2)图中R6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。
若要求频率较宽,可以调节Rp5(负反馈中的Rp5就有调频作用),也可以靠更换C2、C3、C4来改变频率。
(3)方波部分与三角波部分的参数确定如下:
根据性能指标可知,由
可见,f与C成反比,若要得到10~100Hz输出,C=1μF若要得到100~1KHz输出,C3=0.1uF;若要得到1K~10KHz输出,C4=0.01uF。
此时,R4+Rp2=7.5~75
,若取R4=5.1
,则Rp2=2.4
或者Rp2=69.9
,因为Rp2=100
时,
根据输出的三角形幅值5V和输出的方波幅值14V,若有:
R2/(R3+Rp1)14=5→R2/(R3+Rp1)=5/14时,R2=10
,则有Rp1=50
,R3=20
。
根据方波的上升时间为2ms,可以选择74141型号的运放。
由此可得调整电阻为:
.4.3正弦波产生电路及元件参数的确定
.4.3.1正弦波产生的电路图
图5正弦波产生电路图
.4.3.2元件参数的确定
(1).图5中R9调节三角波的幅度,Rp4调节电路的对称性,其并联电阻Re2用来减小差分放大器的线性区。
电容C6、C7、C8为隔直电容,C9为滤波电容,一滤除谐波分量,改善输出波形。
(2)由于选取差分放大电路对三角波一正弦波进行变换
根据晶体管的静态特性曲线,选取静态工作区的中心静态电流和电压分别为:
根据直流通路有:
(3)因为静态工作点已经确定,所以静态电流变成已知。
根据KVL方程可计
算出镜像电流源中各个电阻值的大小:
图中R9调节三角波的幅度,Rp4调节电路的对称性,其并联电阻Re2用来减小差分放大器的线性区。
电容C6、C7、C8为隔直电容,C9为滤波电容,一滤除谐波分量,改善输出波形。
.4.4系统电路的集成
把各分电路集中在一块电路板上,共用电源和接地端后,整个信号发生器的结构变得紧凑美观,集成电路图如图6所示。
图6函数信号发生器整体电路图
电路模拟及结果分析
.5.1用Multisim模拟电路
利用Multisim软件画出电路图,在相应点接上示波器,模拟电路结果,
观察各波形的输出。
.5.1.1方波—三角波发生电路的仿真
图7方波—三角波仿真波形
.5.1.2三角波—正弦波转换电路的仿真
图8三角波—正弦波仿真波形
.5.2结果分析
.5.2.1频率范围
为了便于测量,将电路图上的方波信号接入示波器,并调节Rp5改变方波频率,并测出方波的频率变化范围。
再依次闭合开关J1、J2、J3来改变输出三角波的频率范围。
使波形的输出频率达到预期的效果
.5.2.2输出电压
方波信号接入示波器,调节Rpl,得方波峰峰Vpp=14V;撤除方波信号并接入三角波信号,调节Rp1,测得三角波峰峰值Upp=5V;将正弦波信号接入示波器,调节Rp3,Rp4和Rp5,测得正弦波峰峰值Upp=2.8V。
电路的安装与调试
.6.1方波—三角波电路的安装与调试
.6.1.1方波—三角波电路的安装
(1)把两块741集成块插入电路板,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).按图连线,注意直流源的正负及接地端。
.6.1.2方波—三角波电路的调试
(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;
(5)观察示波器,各指标达到要求后进行下一步安装。
.6.2三角波—正弦波转换电路的安装与调试
.6.2.1三角波—正弦波转换电路的安装
(1).在电路板上接入差分放大电路,注意三极管的各管脚的接线;
(2)搭接直流源电路,注意各电阻阻值的选取;
(3)接入各电容及电位器;
(4)按图接线,注意直流源的正负及接地端。
.6.2.2三角波—正弦波转换电路的调试
(1).接入直流源后,C7接地,利用万用表测试差分放大电路的静态工作点;
(2)测试VT1、VT2的电压值,当不相等时调节Rp4使其相等,使电路结构对称;
(3)测试VT3、VT4的电压值使其满足实验要求;
(4).在C7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录其最大不失真电压。
.6.3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,逐个排查校验,使其满足实验要求,即使正弦波的峰峰值约为3V
.6.4调试中遇到的问题及解决的方法
方波—三角波—正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。
.6.4.1方波—三角波发生器的装调
由于比较器U1与积分器U2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和Rp2之前,要先将其调整到设计值,否则电路可能会不起振。
这要电路接线正确,上电后,Uo1的输出为方波,Uo2的输出为三角波,微调Rp1,是三角波的输出幅度满足设计指标要求,调节Rp5,则输出频率在对应波段连续可调。
.6.4.2三角波—正弦波转换电路的装调
(1).经电容C7输入差模信号电压Uid=50V,Fi=100Hz正弦波。
调节Rp4及电阻,使传输特性曲线对称。
再逐渐增大Uid。
移去信号源,再将C7左端接地,测量差分放大器的静态工作点。
Rp3与C4连接,调节Rp3使三角波输出幅度等于Uid值,这时Uo3输出的波形接近正弦波。
课程设计心得体会
为期一周的课程设计已经结束,在这一星期的学习、设计、焊接过程中我感触颇深。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
通过这次课程设计,我掌握了常用元件的识别和测试;熟悉了常用的仪器仪表;了解了电路的连接、焊接方法;以及如何提高电路的性能等等。
在实验过程中,我遇到了不少问题。
比如:
波形失真,甚至测不出波形的问题。
在自己不懈的努力和同学们热情而又耐心的帮助下,终于把这些问题一一解决了。
历经诸多困难最后成功的喜悦是真正尝试过的人才能体会到的。
同时经过这次课程设计,我对电路故障的排查能力有了很大的提高。
再次,在这次课程设计中也应用到了Multisim软件,让我对这个软件有了更加深刻的了解,这对我们以后的工作和学习都有很大的帮助。
同时,通过课程设计也暴漏出了很多问题,最大的问题就是我们在进行理论学习的过程中,有些问题并没有真正的搞懂,对它们的掌握还只是处于懵懂的状态,这就要求我们要虚心求学。
这次课程设计让我明白了实践的可行性是需要以理论知识为依托的,这就纠正了我们对学习无用的错误的认识。
总之,感谢学校给我们这次机会,锻炼了我们的动手能力。
这次课程设计让我明白了理论和实际操作之间的差距,而且也让我很明确的意识到自己在模电上尚有很多知识漏洞,以后应该多多专研。
同时也感谢指导老师在设计过程中的辅导以及同学的帮助。
参考文献
[1]童诗白主编.模拟电子技术基础(第三版).北京:
高等教育出版社,2001
[2]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,2001.3
[3]胡宴如主编.模拟电子技术.北京:
高等教育出版社,2000
[4]谢自美.电子线路设计·实验·测试(第三版).武汉:
华中科技大学出版社,2006年08月
[5]康华光.电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2006年01月
[6]吴慎山.电子线路设计与实践——高等学校电子信息类教材.电子工业出版社,2005年09月
[7]吴友宇.模拟电子技术基础.清华大学出版社,2009年5月
附录Ⅰ元件清单
名称
型号参数
数量
电阻
R1、R2、R5
10
3
R3、Rc1、Rc2
20
3
R4
5.1
1
Rb1、Rb2
6.8
2
Rc3、Rc4
2
2
Re2
120
1
R
8
1
电容
C1、C3、C5、C9
0.1uF
4
C4
0.01uF
1
C2
1uF
1
C6
47uF
1
C7、C8
470uF
2
电位器
Rp1、Rp2
100
2
Rp5
50
1
Rp3
5
1
Rp4
100
1
集成运算器
U1、U2
u741
2
开关
J1、J2、J3
3
三极管
VT1、VT2、VT3、VT4
NPN
4
附录Ⅱ 整体电路图
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目:
函数发生器
课程设计答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
……………………年月日
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