简易信号发生器课程设计Word文件下载.docx
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二、设计内容
设计一个电路能够产生正弦波、方波和三角波等三种波形。
三、主要参考资料
模电电子技术基础(第四版)
清华大学电子学教研组编童诗白华成英主编高等教育出版社
内容
一,函数发生器总方案及原理框图
1.1原理框图
1.2函数发生器的总方案
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)。
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上图所示:
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。
二,各部分电路设计及总电路图
3.1方波发生电路的工作原理
用迟滞比较器构成的方波产生电路如图3-1所示,图中,R和C为定时元件,构成积分电路它把输出电压反馈到集成运算放大器的反向端,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。
比较器主要部件为uA741芯片(相关信息将在后续章节介绍)。
当Uo=UoH=+Uz时,电容C充电,电流流向如图3-1(a)所示,电容两端电压Uc不断上升,而此时同相端电压为上限门UT+。
当Uc>UT+时,输出电压变为低电平Uo=UoL=-Uz,使同向端电压变为下限门电压UT-,然后电容C开始放电,电流流向如图3-1(b)所示,电容上的电压不断降低,当Uc降低到Uc<UT-时,Uo又变为高电平UoH,电容又开始充电但是,上述过程周而复始,电路产生了自激振荡。
(a)(b)
图3-1方波产生电路
3.2方波---三角波转换电路的工作原理
如果用线性积分电路代替方波产生电路的RC积分电路,则电容器两端就可获得理想的三角波输出。
其电路图如3-2所示。
波形如图3-3所示。
若反馈网络断开,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
图3-2方波——三角波产生电路
图3-3电路输出波形
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
(3-2-1)
将上式整理,得比较器翻转的下门限单位Uia-为
(3-2-2)
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
(3-2-3)
比较器的门限宽度(3-2-4)
反馈网络断开后,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 (3-2-5)
时,(3-2-6)
时,(3-2-7)
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,其波形关系如图3-2所示。
反馈网络闭合,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(3-2-8)
方波-三角波的频率f为(3-2-9)
3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理
图3-4三角波——正弦波电路图
三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。
分析表明,传输特性曲线的表达式为:
(3-3-1)
式中
:
差分放大器的恒定电流(约为1mA)。
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
(3-3-2)
式中 Um:
三角波的幅度。
T:
三角波的周期。
3.4电路的参数选择及计算
1差分放大器元件参数确定
输出电压为0.5=1/2=0.5V,取,则IcQ=0.5V/1KΩ=0.5mA,,取,则,得。
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(3-2-8)得即。
取,则,取,RP1为47KΩ的点位器。
区平衡电阻。
由式(3-2-9)
即(3-3-3)
当时,取,则,取,RP2为100KΩ电位器。
当1KHz≤f≤10KHz时,取以实现频率波段的转换,R4及RP2的取
图3-5波形变换
值不变。
平衡电阻取8.2KΩ。
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。
简易信号发生器EWB总电路图
三,EWB电路仿真及仿真结果
4.1方波---三角波发生电路的仿真
图4-1方波仿真图
图4-2三角波仿真图
图4-3方波——三角波仿真图
4.2三角波---正弦波转换电路的仿真
图4-4正弦波仿真图
图4-5三角波——正弦波仿真图
4.3方波——三角波发生电路的仿真结果
表4-1方波、三角波实验数据
表4-2方波图形结果分析
要求数据
仿真结果
4.4三角波——正弦仿真测试结果
表4-3三角波、方波实验数据
表4-4波形转换电路的实验结果
模拟仿真
Ic1=Ic2=0.5mA
四,电路板的制作
1.安装方波——三角波产生电路
1)把两块741集成块插入面包板(或PCB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;
焊好各结点,注意焊接质量与焊点的大小。
2.按装三角波——正弦波变换电路
1)在面包板(PCB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;
4)按图接线,注意直流源的正负及接地端;
焊好相关结点。
按要求接入相应的插座供电源的接入,连接好各接地线路,电路板即制作完毕。
简易信号发生器PCB总电路封装图
简易信号发生器PCB总电路原理图
五,电路板的调试与误差分析
6.1方波——三角波发生电路的调试
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。
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。
4.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。
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——正弦波转换电路的调试
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的电压值,当不相等时调节RP4使其相等。
3.测试V3、V4的电压值,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。
为使输出波形更接近正弦波,由图3-5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。
6.3总电路的调试
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等于1V。
6.4调试中遇到的问题及解决方法
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。
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,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。
电路接线正确,通电后,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
(1)经电容C4输入差模信号电压Uid=1v,Fi=100Hz正弦波。
调节Rp4及电阻R,使传输特性曲线对称。
再将C4左端接地,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的波形出现几种正弦波失真,则应调节和改善参数,产生失真的原因及采取的措施有:
1)钟形失真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。
6.5误差分析
1.方波的误差分析
图6-2所示的波形为改换0.01uF时候的方波信号失真图
(1)方波输出电压,因为运放输出级是由NPN型或者PNP型两种晶体管组成的复合互补对称电路,输出方波时,两管轮流截止和饱和导通,导通时输出电阻的影响,使方波输出幅度小于电源电压值。
(2)方波的上升时间,主要受运放转换数率的限制。
如果输出频率较高,则可接加速电容,与,并联。
从而改变转换数率。
可接加速电容C1,一般取C1为几十皮法。
用示波器或脉冲示波器测量T
2.三角波的误差分析
图6-3所示为三角波的信号图。
三角波的幅值没有达到稳定的输出值6V,通过调节大小可以得到想要的波形幅值。
3.正弦波的误差分析
图6-1所示的波形为正弦波的平顶失真,通
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