武汉理工大学数电课设函数信号发生器设计Word文档格式.docx
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10Hz~10kHz;
(2)输出电压:
正弦波VPP=0~3V,三角波VPP=0~5V,方波VPP=0~15V;
(3)输出电压幅度连续可调
(4)方波上升时间小于2微秒,三角波线性失真小于1%,正弦波失真度小于3%
3.发挥部分
(1)矩形波占空比50%~95%连续可调;
(2)锯齿波斜率连续可调。
摘要
函数发生器是一种多波形的信号源,能够产生多种特定的周期性函数的波形,如三角波、方波、正弦波及可调整占空比的锯齿波和矩形波,输出信号的频率范围为几微赫到几十兆赫。
函数发生器在通信、仪表、自动控制系统测试等用电测量领域的应用十分广泛,在一些非电测量领域的使用也十分普遍。
此次课程设计中,通过查阅相关的资料,了解了关于函数发生器的原理,得到了几种不同的设计思路。
经过认真地思考与分析,最终选用的方案是由方波变换得到三角波,再由三角波经过差分放大器得到正弦波。
方波电压作为积分运算电路的输入,通过积分运算电路得到三角波电压,得到的三角波电压再作为电压比较器的输入形成方波。
正弦波由三角波输入差分放大器得到。
通过联系书上的知识,运用相关的实践经验,整合电路得到总图。
关键字:
函数发生器;
方波;
三角波;
正弦波
Abstract
Functiongeneratorisamultiwaveformsignalsource,canproduceavarietyofspecificperiodicfunctionwaveform,suchasthetrianglewave,squarewave,sinewaveandadjustedtoaccountfortheairthanthesawtoothwaveandsquarewave,theoutputsignalfrequencyrangeforafewmicrosecondsHectortotensofmegahertz.Functiongeneratoriswidelyusedinthefieldofcommunication,instrumentation,automaticcontrolsystemtesting,andsoon.Itisalsowidelyusedinthefieldofnonelectricmeasurement.
Thecurriculumdesign,throughaccesstorelevantinformation,understandtheprincipleofthefunctiongenerator,hasbeenseveraldifferentdesignideas.Aftercarefulconsiderationandanalysis,thefinalchoiceoftheprogramistogetthetrianglewavebyFangBotransform,andthenbythetriangularwavethroughthedifferentialamplifiertogetasinewave.
Squarewavevoltageastheinputoftheintegraloperationcircuit,thetrianglewavevoltageisobtainedbytheintegraloperationcircuit,andthetriangularwavevoltageisthenusedastheinputofthevoltagecomparatortoformasquarewave.Thesinewaveisobtainedbythetriangularwaveinputdifferentialamplifier.Throughthebooks,relatedtotheuseofpracticalexperience,integratedcircuitlayout.
Keywords:
functiongenerator,sinewave,squarewave,trianglewave
1绪论
函数信号发生器是一种能够产生多种特定的周期性时间函数波形如三角波、方波、正弦波的专用集成电路。
当调节外部参数时,还可以获得占空比可调的矩形波和锯齿波。
频率范围可从几个微赫到几十兆赫。
除供通信、仪表和自动控制系统测试用外,还广泛用于其他非电测量领域。
正弦波:
正弦波发生电路能产生正弦波输出,它是在放大电路的基
础上加上正反馈而形成的。
它是各类波形发生器和信号源的核心电路。
正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。
方波:
方波是通过电压比较器产生的:
比较电压信号(被测试信号与标准信号)大小。
三角波:
方波电压作为积分运算电路的输入,积分运算电路的输出得到三角波电压。
现在通过对函数信号发生器的原理以及电路的分析,参数的确定设计出一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。
1.1设计目的及意义
利用集成运算放大器和晶体管差分放大器等设计一个方波-三角波-正弦波函数发生器。
通过查阅相关资料,深入学习函数发生器设计原理,进行认真思考与分析,在实践中锻炼自己的动手能力和解决问题的能力。
1.2设计任务及要求
2设计方案
2.1可产生满足要求波形的方案
从电路的设计过程来看电路分为三部分:
①正弦波部分②方波部分③三角波部分。
(1)方案一:
首先产生正弦波,再将正弦波通过整形电路转换成方波,再由积分电路将方波变成三角波,如图2.3。
根据RC正弦波振荡器可以产生正弦波,而通过迟滞电压比较器可以将正弦波转变成占空比可调的矩形波(如图2.2),其中包括占空比为1/2的方波。
再由三角波发生器,即为积分器,由方波发生器和反向积分器组成,可以将矩形波变为三角波。
其中,关键在于RC正弦波振荡器。
RC文氏桥振荡器是由RC串并联选频网络和负反馈网络构成。
产生正弦振荡的振幅条件为|AF|=1,相位条件为ψA+ψF=2nπ(n=0,1,2,……)。
如图2.1
图2-1RC文氏桥振荡器
图2-2迟滞电压比较器
图2-3正弦波---方波---三角波转换电路
(2)方案二:
首先产生三角波与方波,再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波。
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,输出阻抗高,抗干扰能力较强等特点,可以有效地抑制零点漂移,因此可以将频率很低的三角波变成正弦波。
也可以利用二极管折线近似电路实现三角波变成正弦波的原理图。
如图2.4
图2.4方波---三角波---正弦波产生原理框图
(3)方案三:
用单片集成函数发生器5G8038,如图2.5。
图2-5单片集成函数发生器5G8038
2.2最优方案设计
比较三种方案,方案三采用了集成芯片,使电路大为简化,但考虑到实验条件及实验成本有限,方案三不予采用。
方案一与方案二相比较,产生正弦波的原理不相同,但都是通过搭建波形变化电路来实现获得正弦波的目的。
从使用元件上看,方案一主要使用元件是电容、电阻、运放和三极管,而方案二使用的是二极管、三极管、运放和电阻等元器件,从电路复杂程度、器件使用方便程度等来看,我们最终选择方案二作为设计方案。
3硬件电路设计
3.1方波---三角波产生电路及工作原理
三角波发生器是由方波发生器和反向积分器组成。
此电路要求前后电路的时间常数配合好,不能让积分器饱和。
如图3.1。
图3.1方波—三角波产生电路
工作原理:
运放的反相端接基准电压,即V_=0,同相端接输入电压Vi;
比较器的输出V01的高电平等于正电源电压+VCC,低电平电压等于负电源电压-VEE(|+VCC|=|-VEE|)。
当比较器的V+=V-=0时,比较器翻转,输出V01从高电平+VCC跳到低电平-VEE,或者从低电平-VEE跳到高电平+VCC。
设Uo1=+Vcc,则
(3-1)
将上式整理,得比较器翻转的下门限单位Uia-为
(3-2)
若Uo1=-VEE,,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
(3-3)
比较器的门限宽度
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
(3-7)
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.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
三角波的幅度为
(3-8)
方波-三角波的频率f为
(3-9)
由以上两式可以得到以下结论:
电位器RP5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,RP5实现频率微调。
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RP7可实现幅度微调,但会影响方波-三角波的频率。
图3-2方波—三角波
3.2参数计算
根据性能指标可知
(3-10)
与c成正比,
由输出的三角形幅值与输出方波的幅值分别为5v和15v,有
(3-11)
∴
=20k
则
≈50k
,
=20k
根据方波的上升时间为两毫秒,查询运算放大器的速度,可以选择UA741CP型号的运放。
由此可得调整电阻:
当10HZ<
f<
1000HZ时,取
uF,则
,取
,为100KΩ电位器。
当1000HZ<
10KHZ时,取
uF以实现频率波段的转换,R4及RP2的取值不变。
取平衡电阻
。
3.3三角波---正弦波产生电路及工作原理
(1)三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。
波形变换的原理是利用差分放大器差分对管的饱和与截止特性进行变换以及传输特性曲线的非线性。
为使输出波形更接近正弦波,要求:
①传输特性曲线越对称,线性区域越窄越好;
②三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。
图3-3三角波---正弦波产生电路
——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
(3-12)
式中 Um——三角波的幅度;
T——三角波的周期。
图3-4方波---三角波---正弦波
(2)用二极管折线近似电路实现三角波——正弦波的变换。
根据二极管折线近似电路实现三角波——正弦波的变换的原理图,可得其输入、输出特性曲线。
频率调节部分设计时,可先按三个频率段给定三个电容值:
1000pF、0.01Μf、0.1μF然后再计算R的大小。
手控与压控部分线路要求更换方便。
为满足对方波前后沿时间的要求,以及正弦波最高工作频率(10kHz)的要求,在积分器、比较器、正弦波转换器和输出级中应选用Sr值较大的运放(如NE5532)。
为保证正弦波有较小的失真度,应正确计算二极管网络的电阻参数,并注意调节输出三角波的幅度和对称度。
输入波形中不能含有直流成分。
3.4参数的选择原则是:
隔直电容C要取得很大,因为输出频率较低。
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。
图3-4方波---三角波---正弦波函数发生器电路
4仿真及分析
4.1方波-三角波发生器的仿真结果
在电路开始时不易得出波形,需要调试参数,改变频率才能产生方波。
其中方波产生电路具有正负反馈,其中电路的正反馈系数为
,
输出的方波幅度由集成运算放大器的偏置电压决定。
采用积分电路,将方波转变为三角波。
在进行仿真时要核对运放的同相与反相得连接,并进行参数的设定。
电路的时间常数
图4-1
4.2三角波-正弦波变换电路的仿真结果
图4-2
若出现钟形失真,那么传输特性曲线的线性区太宽,应减小RE2。
若出现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RP4。
若非线性失真,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.
5实物制作
5.1方波---三角波发生电路的安装与调试
5.1.1按装方波——三角波产生电路
1.分别把各电阻放入适当位置,注意布局;
2.把两块UA741CP集成块插入实验板;
3.分别把各电阻放入适当位置,尤其注意电位器的接法;
4.按图接线,注意直流源的正负及接地端。
5.1.2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。
5.1.3三角波---正弦波转换电路的安装与调试
1.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;
5.2调试三角波——正弦波变换电路
1.接入直流源后,把C6接地,利用万用表测试差分放大电路的静态工作点;
2.测试C1、C2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C3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;
5.3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约等于3V。
5.4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。
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=50KΩ,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。
5.5三角波---正弦波变换电路的装调
按照电路图,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=3v,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如图所示,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。
(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NPN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。
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。
5.6电路的实验结果
5.6.1方波---三角波发生电路的实验结果
C=0.1uf
fmin=23HZ
fmax=1393HZ
C=1uf
fmin=8HZ
fmax=167HZ
5.6.2三角波---正弦波转换电路的实验结果
R=15KΩ
Vc1=Vc2=5.530V
Vc3=-0.6218V
Vc4=-10.307V
Ic1=Ic2=0.6813mA
模拟仿真(R*=13K
)
Vc1=Vc2=4.358V
Vc3=-0.831V
Vc4=-9.028V
Ic1=Ic2=0.5368mA
6设计心得及体会
通过此次课程设计,我更加扎实地掌握了有关函数发生器方面的知识,在设计过程中虽然遇到了一些问题,但经过一次又一次的思考,一遍又一遍地检查,终于找到了原因所在,也暴露出前期在此方面的知识欠缺和经验不足。
实践出真知,通过亲自动手制作,使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
在一开始拿到选题时,由于所学知识有限,不知道怎么入手。
在老师的指导下,我知道了应该先去图书馆查阅关于函数发生器的如设计原理等的相关资料,只有拥有了一定的知识储备,才能比较顺利的完成这一次课程设计。
在原理方面,一开始找到3种产生方波、三角波、正弦波的方式,经过认真的思考以及对于实际因素的考虑,最终采取的方案是先使用电压比较器和积分器产生方波和三角波,再通过差分放大电路由三角波得到正弦波这一方案。
确定了方案以后就是要进行元件参数的计算,以此来选型。
这一步是较为关键的一部,选型选的好坏与否关系到最后出现波形的好坏程度。
一开始选用的运放是LM324N,发现出来的正弦波有严重的失真,猜想可能是方波上升时间的影响,于是在R3和RP1的两端并联了一个电容进行加速。
但是仿真结果并没有改善,反而出现了另一种类型的失真。
此后经过调整电阻阻值等一系列的措施发现并未减小失真。
通过查阅资料,我决定用集成运放UA741CP来替换LM324N,输出的波形大为改善。
根据课设题目要求,输出波形的频率可调范围为10Hz到10kHz,在查阅书籍后得知需要用不同容值的电容来达到要求,于是采用单刀双掷开关接不同容值的电容,实现频率连续可调。
在使用Multisim对设计的电路图进行仿真,解决了一些根本的电路错误问题之后,就去商店买元件进行电路的焊接。
焊接结束以后是对实物进行调试。
在进行整个课程设计过程中,遇到不少的困难。
很多在实际中遇到的困难是课堂上传授的知识暂时解决不了的,要自己不断地尝试和探索,要收集大量的书籍论文,才能比较好地解决。
认识到理论知识和实际情况还是有一定程度上的偏差,这些东西是需要自己多加实践才能够体会到的。
除此之外,仿真的成功有时并不能代表实物焊接的成功,焊接的过程和结果还会有许多仿真软件不能检查出的错误,这些都是要亲身经历的。
我认为,在这学期的实验中,不仅培养了我的独立思考能力、动手操作能力,还提高了其他各方面的能力。
更重要的是,在这个过程中我还学会了很多学习方法,这在今后的学习过程中是十分实用的。
要面对社会的挑战,要经过不断地学习、实践、再学习、在实践。
这对于我们的将来是有极大的帮助的。
同时,在完成此次课程设计的过程中,少不了老师、同学们对我的帮助,有很多我无法自己解决的问题,都是在他们的帮助下顺利地解决了,促进了同学间的感情,感受到了同学的热情。
以后的生活中,不管有多么艰苦,我想我们都能变苦为动力,找寻有趣的事情,发现其中珍贵的一面。
参考文献
[1]谢自美《电子线路设计·
实验·
测试》第三版华中科技大学出版社2000年出版
[2]康华光《电子技术基础》第三版高等教育出版社2005出版
[3]陈大钦《模拟电子技术基础》华中科技大学出版社2001出版
[4]吴友宇《模拟电子技术基础》清华大学出版社2009年出版
[5]郝波.电子技术基础—模拟电子技术.西安电子科技大学出版社2004出版
[6]赵志强等编著.现代电子学及应用.西安电子科技大学出版社,2000
[7]杨利军.电子技术实验与实训教程.中南大学出版社,2007
附录
实物
单元器件明细清单
名称
型号
数目
集成运放
UA741CP
2
三极管
2N2222A
2N1711
电阻
20k
10k
5
5.1k
1
8.2k
6.8k
2k
100
陶瓷电容
104
105
电解电容
470uf
3
电位器
100k
50k
开关
单刀双掷
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:
课程设计答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
评分项目
最高分限
实际得分
报告内容充实
70
10
答辩回答问题
20
总分
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
- 配套讲稿:
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