lyp函数信号发生器.docx
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lyp函数信号发生器.docx
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lyp函数信号发生器
专业:
电气工程卓越人才
姓名:
卢倚平
学号:
3150101215
日期:
2017.6.11
地点:
东三404
实验报告
课程名称:
电器电子电路综合实验指导老师:
张伟成绩:
__________________
实验名称:
函数信号发生器的设计实验类型:
一、实验目的
采用运算放大器来实现~简易低成本的函数信号发生器。
波形种类:
正弦波、方波、三角波
频率范围:
3Hz~1MHz
输出信号电压幅度:
≥20Vpp
输出阻抗:
50Ω
最大输出功率:
4W(8Ω),1W(50Ω)
电源条件:
电压AC220V(1±5%),频率50Hz
二、方波三角波发生电路
1、实验电路
2、实验仿真确定参数与原件
1)仿真文件如下
仿真结果:
(果然为14ms后发生振荡)
局部放大结果:
方波的峰峰值为15.86V,三角波的峰峰值为16.64V,周期为2.18ms,频率为458Hz,为提高频率,可减小电容值或减小R3。
将电容减小到0.01uf:
仿真结果:
图中红色线为方波的波形,绿色线为三角波的波形,方波的峰峰值为15.86V,三角波的峰峰值为23.0V,周期为0.337ms,频率为2967Hz。
紫色线为比较器U1同相输入端的波形,黄色线为比较器的输出端波形。
当比较器U1的同相端电压过零时,比较器开始翻转,输出端从-15V上升到+15V,由于LM741的转换速率(压摆率)SR=0.5V/us,其翻转时间达到了0.0613us,在输出端电压过零后,三角波才开始往下走,所以其峰值变为11.5V。
因此LM741不能满足设计要求。
选择OPA2830,继续进行仿真,仿真文件如下:
仿真结果:
函数信号发生器共有6个频段,分别是2-10Hz、10-100Hz、100-1kHz、1k-10kHz、10k-100kHz、100k-1MHz,频段的选择由MSP430G2553控制,电路如下:
图中K1对应2-10Hz频段,K2对应10-100Hz频段,K3对应100-1kHz频段,K4对应1k-10kHz频段,K5对应10k-100kHz频段,当K1-K5都不闭合时,对应100k-1MHz频段。
通过仿真确定积分电容C23-C34的容量。
P3外接1个10K阻值的粗调电位器和1个1K阻值的细调电位器。
当C33+C34=270pf时,频率范围:
94.3kHz-1.04MHz;
当C31+C32+C33+C34=2700pf时,频率范围:
9.57kHz-112.5kHz;
当C29+C30+C33+C34=0.027uf时,频率范围:
959Hz-11.45kHz;
当C27+C28+C33+C34=0.27uf时,频率范围:
96Hz-1.15kHz;
当C25+C26+C33+C34=2.7uf时,频率范围:
9.61Hz-115Hz;
当C23+C24+C33+C34=27uf时,频率范围:
0.96Hz-11.5Hz;
以100k-1MHz频段为例,仿真文件如下:
对滑动变阻器仿真结果如下(仅保留set=0和1的情况):
可知频率范围为:
5.41kHz-1.00MHz。
三、三角波—正弦波电路
1、实验电路原理
折线法是用多段直线逼近正弦波的一种方法。
其基本思路是将三角波分成若干段,分别按不同比例衰减,所获得的波形近似为正弦波。
在ωt=0-25段,输出的正弦波用此段三角波近似(二者重合),因此,此段放大电路的电压增益为1。
当ωt=25时,Uo=Ui=25/90UImax=0.278UImax。
由于Sin25=0.423,因此,输出的正弦波的峰Uomax=0.278UImax/0.423=0.657UImax。
当ωt=50时,输入三角波的值为Ui=50/90UImax=0.556UImax,要求输出电压Uo=0.657UImax×Sin50=0.503UImax,可得在ωt=25-50段,电路的增益:
ΔUo/ΔUi=(0.503-0.278)/(0.556-0.278)=0.809。
当ωt=70时,输入三角波的值为Ui=70/90UImax=0.778UImax,要求输出电压Uo=0.657UImax×Sin70=0.617UImax,可得在ωt=50-70段,电路的增益:
ΔUo/ΔUi=(0.617-0.503)/(0.778-0.556)=0.514。
当ωt=90时,输入三角波的值为Ui=UImax,要求输出电压Uo=0.657UImax可得在t=70-90段,电路的增益:
ΔUo/ΔUi=(0.657-0.617)/(1-0.778)=0.180
三角波变换为正弦波的电路:
当输入Ui=0V时,Uo=0V,由于+5V和-5V电源的作用,所有二极管均截止。
当输入Ui从0V向负的峰值变化时,输出Uo将向正的峰值变化。
电阻R3~R8的设置必须保证当ωt=25时,二极管D1导通;当t=50时,二极管D2导通;当ωt=70时,二极管D3导通。
并且须保证:
K1=R2/R1=1
K2=(R2∥R3)/R1=0.809
K3=(R2∥R3∥R5)/R1=0.514
K4=(R2∥R3∥R5∥R7)/R1=0.180
2、实验仿真及确定元件
1)仿真文件如下
仿真结果:
图中绿色线为三角波波形,红色线为三角波转正弦波电路的正弦波输出,可以发现正弦波波形并不理想,峰值到了3.5V,前面理论计算输出正弦波的峰值Uomax=0.657UImax=2.6V。
继续观察二极管的电压波形,下图中紫色线为二极管D1的电压波形,黄色线为D2的电压波形,洋红色线为D3的电压波形。
由于二极管的正向压降的缘故,造成了二极管的导通区域达不到设计的要求,特别是D3二极管,基本上没有导通了。
按二极管正向压降0.4V重新计算电阻参数。
按照老师给出的电阻值改变电路参数。
仿真电路图:
仿真结果:
可见波形是较为理想的正弦波,但有一定的偏移,正弦波的幅值为2.9V。
运放输出端的电流如下:
通过三个二极管的电流波形如下:
流过二极管D1~D3的电流波形已经不对称了,这是由于二极管的结电容引起的,可以通过采用高频二极管如1SS510来解决,也可以降低电阻值来改善。
四、波形选择与幅值调整
本项目采用MSP430单片机来控制,可以采用信号继电器或模拟开关。
模拟开关体积小、一个集成电路就可以满足功能要求,缺点是导通电阻较大(
约500Ω),信号继电器至少要2个才能满足功能要求,相当来说体积大,需要驱动电路。
因此在这里采用模拟开关来实现波形选择。
电路如下:
五、功率放大电路与衰减输出电路
功率放大电路要实现最大输出功率4W(8Ω负载)和1W(50Ω负载),并要求输出信号电压幅度大于20Vpp,就需要对波形选择电路的输出信号进行功率放大。
1、实验原理
2、实验仿真及确定元件
ocl功放电路
仿真结果:
绿色线为输入信号,红色线为输出电压,黄色线为输出电流。
此电路的缺陷是工作时会产生“交越失真”,但和运放配合可以消除“交越失真”,电路如下,反馈点在OLC输出,通过仿真可以看到交越失真消除。
仿真结果图:
此时,已无交越失真。
当提高Vsin的频率时,设其频率为1MHz,仿真结果如下:
可以看到输出电压波形已出现失真。
所以这个OCL电路可以用在频率为几十K的场合。
OCL准互补功放电路:
查看D882、B772和TIP41的数据手册,可以发现D882和B772的特征频率fT为50MHz,TIP41的特征频率fT为3MHz,TIP41的特征频率明显偏低了,选用2SC2078高频三极管代替TIP41,2SC2078的特征频率fT为150MHz。
由于在ORCAD中没有2SC2078的Pspice模型,所以在仿真时用D882代替,仿真文件如下:
仿真结果:
当提高Vsin的频率时,设其频率为1MHz,仿真结果如下
可以看出图中的红色输出电压波形也产生了少许失真。
设R6=50Ω,仿真后波形如下,
设R6=8Ω,仿真后波形如下,
设输入信号频率为100KHz、R6=8Ω,仿真如下
可知此时功放电路能满足要求
查看D882、B772和TIP41的数据手册,可以发现D882和B772的特征频率fT为50MHz,TIP41的特征频率fT为3MHz,TIP41的特征频率明显偏低了,选用2SC2078高频三极管代替TIP41,2SC2078的特征频率fT为150MHz。
由于在ORCAD中没有2SC2078的Pspice模型,所以在仿真时用D882代替,仿真文件如下:
在负载R6=8Ω的情况下,输出正弦波波形仍然能满足要求,输出功率达到了6W,输出电流峰值达1.2A。
运放的输出电流波形(频率为100k)
功率管的输出电流波形
六、实验总结
由于三角波-方波-正弦波震荡电路以前已经有过学习,这次只是将其改进以运用于实践(高频与较大功率输出),因此结合运放的知识可以看懂这一块的原理。
这次仿真相较于上次稳压电源的仿真相对来说简单一点,上一次的稳压电源的电路比这次的复杂的更多。
有更多我们不熟悉的器件和复杂的反馈电路搭建。
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- lyp 函数 信号发生器