函数信号发生器设计Word格式.docx
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1.设计的任务和要求
1.设计任务
设计方波—三角波—正弦波函数信号发生器
2.设计目的
(1)巩固和加深对电子电路基本知识的理解,提高综合运用本课程所学知识的能力。
(2)培养根据课题需要选学参考书籍,查阅手册、图表和文献资料的自学能力。
通过独立思考,深入钻研有关问题,学会自己分析并解决问题的方法。
(3)通过电路方案的分析、论证和比较,设计计算和选取元器件;
初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。
(4)了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范,能按设计任务书的要求,完成设计任务,编写设计说明书,正确地反映设计与实验的成果,正确地绘制电路图等。
(5)培养严肃、认真的工作作风和科学态度。
3.性能指标要求
(1)输出波形:
正弦波、方波、三角波等;
(2)频率范围:
1~10Hz、10~100Hz;
(3)输出电压:
方波Up-p=24V,三角波Up-p=6V,正弦波U>
1V;
(4)波形特征:
方波tr<
10s(1kHz,最大输出时),三角波失真系数THD<
2%,正弦波失真系数THD<
5%。
二、设计的方案选择与论证
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)。
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。
1.方案一
采用分立器件实现电路组成,主要的部件有双运放uA741运算放大器、电压比较器、积分运算电路、差分放大电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。
该方案由三级单元电路组成的,第一级单元可以产生方波,第二级可以产生三角波,第三极可以产生正弦波,通过第二级的选择开关可以实现频率波段的转换,通过对差分放大电路部分元器件的调节来改善正弦波产生的波形。
2.方案二
采用集成电路实现,主要部件有高速运算放大器LM318、单片函数发生器模块5G8038、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。
该方案通过调节不同电位器可调节函数发生器输出振荡频率大小、占空比、正弦波信号的失真,可产生精度较高的方波、三角波、正弦波,且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。
3方案比较与选择
方案二采用芯片虽然精度较高,温度稳定性和频率稳定性比较好,而它们只能产生300kHz以下的中低频正弦波、矩形波和三角波,且频率与占空比不能单独调节,从而给使用带来很大不便,也无法满足高频精密信号源的要求。
uA741是美国仙童公司较为早期的产品,由于其性能完善,如差模电压范围和共模电压范围宽,增益高,不需外加补偿,功耗低,负载能力强,有输出保护等,因此具有较广泛的应用。
uA741这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作,可以方便的输出精度较高的方波、三角波、正弦波,且可以通过调节差分放大电路的各个参数调节正弦波的失真。
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,可将频率很低的三角波变换成正弦波。
综上所述,本课题选用方案一。
.
三、函数发生器的具体方案
1.总的原理框图及总方案
图1函数信号发生器原理图
多波形信号发生器方框图如图1所示。
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。
并采用先产生方波—三角波,再将三角波变换成正弦波的电路设计方法:
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。
设计差分放大器时,传输特性曲线要对称、线性区要窄,输入的三角波的的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
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.各组成部分的工作原理
2.1方波---三角波转换电路的工作原理
图2方波-三角波转换电路
图2为方波-三角波转换电路,其中运算放大器用双运放uA741。
工作原理如下:
若a点断开,运算发大器A1(左)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A2(右)与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器,其输入信号为方波Uo1,则积分器的输出电压Uo2为
当
时,
当
由此可见积分器在输入为方波时,输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波,其波形关系如下图3所示
图3方波--三角波波形关系
若a点闭合,即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。
2.2三角波—正弦波转换电路工作原理
图4三角波—正弦波转换电路
图(4)为实现三角波—正弦波变换的电路。
其中Rp3调节三角波的幅度,Rp4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C3,C4,C5为隔直电容,C6为滤波电容,以滤除谐波分量,改善输出波形。
三角波-正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。
差分放大器采用单入单出方式。
三角波-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。
差分放大器传输特性曲线的非线性及三角波-正弦波变换原理如下图:
图5三角波-正弦波变换原理
分析表明,传输特性曲线的表达式为:
上式中:
;
—差分放大器的恒定电流;
—温度的电压当量,当室温为25℃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5可知:
(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.总电路图
整个设计电路如图6所示。
图6方波—三角波—正弦波函数信号发生器
四、电路的参数选择与电路仿真
本课题采用Multisim10.1作为仿真软件。
Multisim是InteractiveImageTechnologies(ElectronicsWorkbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。
NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真,能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。
Multisim10.1通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路;
通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为;
借助高级电路分析,理解基本设计特征;
本课题使用Multisim交互式地搭建电路原理图,并对电路行为进行仿真。
1.方波--三角波部分
参数选择:
在电容C1、C2处放置了选择开关,可以满足课设要求的两个频率范围1~10Hz、10~100Hz:
当需要1~10Hz时,开关选择C2=10μF,取
,RP2为100Ω电位器;
当需要10~100Hz时,取C2=1μF,以实现频率波段的转换,R4及RP2的取值不变。
平衡电阻
。
方波-三角波电路的仿真:
在Multisim10.1中按方波-三角波转换电路图(图2)接线。
调节Rp1和Rp2到设定值,检查无误后,在正确位置接上示波器观察输出波形,即可得到如图7所示的波形:
图7(a)方波
图7(b)三角波
图8为双踪示波器显示的方波三角波波形图
图8方波-三角波
微调Rp1,使三角波的输出幅度满足设计要求,调节Rp2,则输出频率在对应波段内连续可变。
2.三角波--正弦波部分
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。
差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线,调整RP4及电阻R7确定。
三角波--正弦波电路的仿真:
在Multisim10.1中按方波-三角波转换电路图(图4)接线。
保证参数正确,检查无误后,在正确位置接上示波器观察输出波形,调整R7和C6的大小即可得到如图9所示的波形:
图9正弦波
五、实验结果分析
比较器与积分器组成正反馈闭环电路,方波、三角波同时输出。
电位器Rp1与Rp2要事先调整到设定值,否则电路可能会不起振。
只要接线正确,接通电源后便可输出方波、三角波。
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- 函数 信号发生器 设计