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(3)输出信号波形幅值0~10V,且连续可调;
2.摘要
函数信号发生器是一种能够产生多种波形,如锯齿波、锯齿波、矩形波、正弦波的电路。
广泛地应用于各大院校和科研场所。
随着科技的进步,社会的发展,单一的波形发生器已经不能满足人们的需求,而我们所设计的正是包含有正弦波、矩形波、锯齿波的多种波形发生器。
通过对函数波形发生器的原理以及构成分析,可设计一个能变换出锯齿波、正弦波、矩形波的函数波形发生器。
采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的矩形波—锯齿波—正弦波函数发生器的设计方法,先通过比较器产生矩形波,再通过积分器产生锯齿波,最后通过差分放大器形成正弦波。
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。
经过仿真得出了矩形波、锯齿波、正弦波、矩形波,利用555定时器实现占空比调节。
关键词:
比较电路差分电路集成运算放大器555定时器
3.方案设计
3.1总体设计方案论证及选择
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、锯齿波、矩形波及锯齿波、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)。
3.1.1方案一:
基于单片集成芯片MAX038构成的函数信号发生器。
3.1.1.1总体设计
该系统采用单片机作为数据处理及控制核心,由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析及信号的处理和变换,采用按键输入,利用数码管动态显示电路输出数字显示的方案。
将设计任务分解为按键电路、数码管显示电路等模块。
3.1.1.2MAX038芯片工作特性:
MAX038精度高且频率调节方便,并且能够产生多种波形,是性价比较高的信号发生芯片。
产生信号的频率可以通过调整电流、电压、电阻分别控制。
所需的输出波形可由在A0、A1输入端设置适当的代码来选择,所有的输出波形都是对称于地电位的2V(峰-峰值)信号。
MAX038工作电源为±
5V。
3.1.2方案二:
矩形波——锯齿波——正弦波函数信号发生器
3.1.2.1总体设计
矩形波—锯齿波—正弦波信号发生器电路有运算放大器及分立元件构成,由比较器和积分器组成矩形波—锯齿波产生电路,锯齿波通过差分放大电路产生正弦波输出,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锯齿波变换成正弦波。
输出波形幅度及频率均可通过改变元件参数进行调整,方便且成本较低。
3.1.2.2利用差分放大电路实现锯齿波—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,波形变换过程如图所示
锯齿波和正弦波得转换示意图
由图可以看出,传输特性曲线越对称,线性区域越窄越好;
锯齿波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。
3.1.3方案的选择
综合考虑以上方案,由于方案二稳定性高,可操作性强且经济性好,而方案一成本较高且需要程序控制,实现难度较高,故选择方案二矩形波——锯齿波——正弦波函数信号发生器。
3.2
设计方案的原理框图、总体电路原理图及说明
3.2.1方案原理框图
3.3.2总体电路原理图
采用分立器件实现电路组成,主要的部件有运算放大器、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矩形波,第二级可以产生锯齿波,第三级可以产生正弦波,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。
3.4单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算
3.4.1占空比可调矩形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。
在本文设计方案中,由于电路中二极管、的单向导电性,使电容的充放电回路分开,调节电位器,就可以调节多谐振荡器的占空比。
图中通过、上部分及对充电,充电时间为
通过、下部分及从放电端(DIS)放电,放电时间为
因而振荡频率为
输出波形的占空比即为
555定时器构成的多谐振荡器电路
555集成电路是8脚封装,双列直插型。
其中6脚称阈值端(THR),是上比较器的输入;
2脚称触发端(TRI),是下比较器的输入;
3脚是输出端(OUT),它有O和1两种状态,由输入端所加的电平决定;
7脚是放电端(DIS),它是内部放电管的输出,有悬空和接地两种状态,也是由输入端的状态决定;
4脚是复位端(RST),加上低电平时可使输出为低电平;
5脚是控制电压端(CON),可用它改变上下触发电平值;
8脚是电源端(VCC),1脚是地端(GND)。
3.4.2矩形波---锯齿波转换电路的工作原理
矩形波—锯齿波产生电路
迟滞电压传输特性
锯齿波发生器工作波形
工作原理:
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,
a点断开后,运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器,其输入信号为矩形波Uo1,则积分器的输出Uo2为
时,
时,
可见积分器的输入为矩形波时,输出是一个上升速度与下降速度相等的锯齿波,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,则自动产生矩形波-锯齿波。
锯齿波的幅度为
矩形波-锯齿波的频率f为
由以上两式可以得到以下结论:
(1)电位器RP2在调整矩形波-锯齿波的输出频率时,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)矩形波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。
锯齿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,但会影响矩形波-锯齿波的频率。
3.4.3锯齿波---正弦波转换电路的工作原理
锯齿波产生电路
锯齿波——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锯齿波变换成正弦波。
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为锯齿波,设表达式为
式中 Um——锯齿波的幅度;
T——锯齿波的周期。
1)为使输出波形更接近正弦波:
2)传输特性曲线越对称,线性区越窄越好;
3)锯齿波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
图为实现锯齿波——正弦波变换的电路。
其中Rp1调节锯齿波的幅度,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。
锯齿波—正弦波变换电路
3.5主要元器件选择与电路参数计算
(1)矩形波-锯齿波中电容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0.1uf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)锯齿波-正弦波部分
比较器A1与积分器A2的元件计算如下。
由计算得
即
取,则,取,RP1为47KΩ的点位器。
区平衡电阻
由式
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。
锯齿波—>
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。
4.1收获与体会
在完成了电工电子技术的课程学习后,我们用了一个周的时间完成本次课程设计《函数信号发生器》,在这次设计中,我学到了很多有关模拟电子技术理论和实际等方面的知识。
我认识到,学习的知识只有在不断的实践中才能更好的为我所用,而用心实践用心探索的过程可以让我们不断地进步。
在进行设计的过程中,遇到了很多困难和问题,我和同学们一起广泛地查找资料、一起讨论、并向老师请教,反复思考认真研究而得出了结果。
通过对所得的各种资料的综合分析,提炼出自己需要的信息,从而提高自己的分析能力;
通过对主要技术指标的分析,认真体会了设计时的各项技术政策;
通过对设计时出现的各种问题的分析与解决,锻炼了独立分析,进行设计的能力;
通过对电路设计中的某些问题的较为深入的探索,培养了自己的科研工作能力;
通过设计论文的书写,文字表达能力和材料撰写整理能力。
总之,本次课程设计让我受益匪浅,是我学习中重要的经历,我将在此基础上继续努力,用实践巩固和探索知识,真正做到学为我用,融会贯通。
4.2存在的问题
在设计中,对各元器件型号的选择还很陌生,无法很顺利地把书中所学电路知识灵活的运用到设计中,尤其是在仿真部分,设计进展的很缓慢。
另外,在完成仿真电路时,无法处理由于元器件参数问题引起的波形失真问题。
对于参数大小及相互之间的关系掌握不够完整,不够全面。
5.参考文献
[1]秦曾煌.《电工学电子技术(第七版)》.高等教育出版社
[2]李群芳.《单片微型计算机与接口技术(第二版)》.电子工业出版社
[3]李万臣.《模拟电子技术基础与课程设计》.哈尔滨工程大学出版社
[4]谢沅清.《模拟电子线路》.成都:
成都电子科大学
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