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(1)引导学生自主性学习、研究性学习,加强团队合作,提高创新意识,实现自主性学习与研究性学习。
(2)通过直流稳压电源的设计和调试,学会选择变压器、整流二极管、滤波电容、稳压器相关元器件。
掌握直流稳压电源电路的调试和相关系数测试的方法。
1.1.2设计任务
1、设计、组装、调试矩形波、三角波、正弦波发生器;
2、输出波形:
矩形波、三角波、正弦波;
3、频率范围:
在15Hz~14KHz范围内可调;
4、占空比可调,并实现矩形波电压幅度可调。
1.2设计原理及其方案
1.2.1设计原理
函数信号发生器要求输出正弦波、矩形波、三角波。
产生正弦波、矩形波、三角波波的方案有多种,如首先产生正弦波,然后通过整形电路将正弦波变换成矩形波,再由积分电路将矩形波变成三角波;
1.2.2设计方案
设计方案一:
图1-1方案一原理图
首先由555定时器组成的多谐振荡器产生矩形波,然后由积分电路将矩形波转化为三角波,最后用低通滤波器将矩形波转化为正弦波,但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形,因为负载的变动将拉动波形的崎变。
设计方案二:
正弦发生电路
锯齿波电路
矩形波电路
→→→
图1-2方案二原理图
首先产生正弦波,再由过零比较器产生矩形波,最后由积分电路产生三角波。
正弦波通过RC串并联振荡电路(文氏桥振荡电路)产生,利用集成运放工作在非线性区的特点,由最简单的单门限电压比较器将正弦波转换为矩形波,然后将矩形波经过积分运算变换成三角波。
本次函数信号发生器设计采用方案二进行设计。
2单元电路的设计
2.1正弦波产生电路
正弦波振荡器是一个没有输入信号,依靠自激振荡产生正弦波输出信号的电路,它由一个基本放大器和一个带有选频功能的正反馈网络组成。
电路接通电源的一瞬间,由于电路中电流从零突变到某一值,它包含着很多的交流谐波,经选频网络选出频率为fo的信号,一方面由输出端输出,另一方面经正反馈网络传送回到输入端,经放大和选频,这样周而复始,不断地反复,只要反馈信号大于初始信号,振荡逐渐变强起来。
(1)振荡平衡条件
要使振荡器输出信号
维持稳定的输出,必须使再次反馈回输入端信号
和原来输入端的信号
相等,即:
又有
得
由于
所以振荡平衡条件为:
设
则
即:
……………………………………………………幅度平衡条件
…)…………………………………………相位平衡条件
一个振荡器只有同时满足这两个条件,才能振荡。
(2)振荡起振条件
振荡器满足平衡条件时,
输出信号幅度保持不变。
但在振荡器刚开始振荡时,信号非常微弱,如仅是
振荡器将不能起振。
必须使每次反馈回来的信号大于原来的输入信号,即
。
振荡才能由弱到强建立起来。
所以振荡起振条件应为
>
1。
正弦波产生电路利用RC文氏电桥电路构成,具有电路简单、易起振、频率可调等特点被大量应用与低频振荡电路,所以我们采用RC文氏电桥振荡器产生正弦波。
电子电路图如图2-1所示:
图2-1正弦波产生电路原理图
如图所示,根据设计要求可选择电阻R1,R2均为1k,R23为18k的可调电位器。
电容C1和C2为10nF,D1、D2为DIODE_VIRTUAL型号,采用的集成运放为LM358。
R1、R20、C1、R2、R21、C2组成RC串并联网络形成正反馈,运放、R23、R24、D1、D2组成同相比例放大器,D1,D2具有稳幅作用。
在此电路中,由RC串、并联网络组成正反馈支路和选频网络,这部分电路决定了电路的振荡频率;
由R23、D1、D2和R24组成负反馈支路和稳幅环节。
负反馈电路控制运算放大器的增益。
反馈过深,不易起振,反馈过小,容易造成波形失真。
调节R23为适当值(大约为可调电阻的80%~100%),电路即能起振,输出正弦波,并利用D1、D2的非线性实现稳幅。
并联电阻R24有改善二极管非线形引起波形失真的作用。
在实际应用中,常选取文氏电桥两个支路中的R、C相同,当R选用同轴双连电位器,即可以实现振荡频率的连续可调,输出正弦波的频率为:
本电路可以实现15Hz至15KHz的正弦信号输出,若要求更大范围的频率输出,可通过改变文氏电桥中R、C的值来控制调节。
2.2矩形波产生电路
矩形波产生信号电路图如图2-2所示:
图2-2矩形波产生及电压放大电路
如图R3和U2构成单门限电压比较器,可输出电压不变的矩形波信号,R28、R29和U10A构成一个反向比例运算电路,可实现电压的放大,由公式知:
Auf=-(R28+R29w)/(R29-R29w)
其中调节R29可实现矩形波信号电压的放大和缩小,可实现1.5V~2KV的矩形波信号的输出。
若要得到更大的电压幅值,可通过改变R28、R29的电阻值来控制调节。
2.3锯齿产生波电路
锯齿产生波电路如图2-3所示:
图2-3锯齿产生波电路
三角波的产生是由积分电路实现的,积分电路将矩形波转换成三角波。
积分电路的原理图如下:
由于集成运放的反相输入端“虚地”,故
;
又由于“虚断”,运放反相输入端的电流为零,则
,故
由以上几个表达式可得积分电路输入电压和输出电压的关系为:
由于输入的是矩形波,所以的值为两个状态,当>
0时,
,输出波形以
的斜率上升,当uI<
0时,输出波形以
的斜率下降。
上升和下降的斜率相等所以波形对称,形成三角波。
3仿真与制作
3.1仿真电路
函数信号发生器仿真总电路如图3-1所示:
如图3-1函数信号发生器电路总图
3.2仿真结果
1、正弦波信号仿真
图3-2正弦波信号起振及稳定波形
改变频率后波形如图3-3所示:
图3-3改变频率后正弦波波形
2、矩形波信号仿真
图3-4矩形波信号及电压放大波形
改变频率之后波形如图3-5所示:
图3-5改变频率之后的波形
改变占空比之后波形如图3-6所示:
图3-6改变占空比之后的三角波波形
3、三角波信号仿真
三角波信号如图3-7所示:
图3-7三角波信号波形
改变频率周后波形如图3-8所示:
图3-8改变频率周后的三角波波形
改变占空比后波形如图3-9所示:
图3-9改变占空比后的三角波波形
4课程设计心得体会
通过这次课程设计,培养了我们综合应用课本理论解决实际问题的能力,需要我们将学过的理论知识与实际系统地联系起来,加强我们对学过的知识的实际应用能力。
此外,增强了了我们自主性学习、研究性学习的能力,再做实验设计的同时,也加强我们团队合作的能力和思维创新的意识。
在将近一个月的设计过程中,我们首先分配好设计计划,第一周,看课本第八章内容,在纸上完成初步课程实验必做题目设计方案;
第二周,完成仿真调试,完善课程实验设计;
第三周,完成课程设计报告内容,并确定选作内容,初步确定选做题目设计方案;
第四周,完成选做题目的仿真调试,写好设计报告,并准备好答辩时用的PPT。
本次课程设计,是我收获很多,实践是检验真理的唯一标准。
书本知识是死的,需要我们活学活用。
遇到问题时,要积极寻求解决办法,查阅资料,图书馆、因特网都是很好的资源,但是我们要具备辨别并吸收信息的能力。
此外,请教同学好老师也是很好的办法之一。
课程设计过程中,初步设计方案问题比较多,一些参数测试只能在仿真软件下进行,通过直流稳压电源的设计和调试,学会选择变压器、整流二极管、滤波电容、稳压器相关元器件。
但是由于水平有限,各种测试手段使用不是很全面,我们的课程设计难免会有一些错误和误差,还望老师及各位评委批评指正。
参考文献
1、刘润华李震梅.《模拟电子技术基础》.中国石油大学出版社,2007.1
2、朱定华主编.《模拟电子技术》.清华大学出版社,2005.2
3、赵桂钦.《模拟电子技术教程与实验》.清华大学出版社,2008.2
4、林涛林薇.《模拟电子技术基础》.清华大学出版社,2010.11
5、黄志伟主编.《基于NIMultisim的电子电路计算机仿真设计与分析》(修订版).电子工业出版社,2011.6
附录I电路图
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- 关 键 词:
- 函数 发生器