函数信号发生器课程设计.docx
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函数信号发生器课程设计.docx
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函数信号发生器课程设计
学号:
本科课程设计
学院
专业
年级
姓名
课程名称
课程设计题目
指导教师
成绩
年月日
课程设计成绩评定书
设计题目
函数发生器设计
姓名
学号
专业
班级
指导教师
联系电话
设计任务
。
指导教师评语
成绩:
指导教师(签字):
201年月日
学院意见:
学院院长(签名):
201年月日
目录
1课程设计目的1
2设计要求与设计指标1
2.1设计要求1
2.2设计指标1
3方案设计1
3.1方案比较1
3.2总体框图设计1
3.3技术指标分配2
4功能模块设计2
4.1电路设计2
4.2电路的参数选择及计算6
5电路组装、调试、测试7
5.1电路安装调试技术7
5.2测试过程8
5.3测试结果8
6总结9
7心得体会9
8参考文献10
9附录10
函数发生器设计
1课程设计目的
掌握方波-三角波-正弦波函数发生器的设计方法与测试技术。
学会安装与调试由分立器件与集成电路组成的多级电子电路小系统。
2设计要求与设计指标
2.1设计要求
设计方波-三角波-正弦波函数信号发生器
2.2设计指标
●输出波形方波、三角波、正弦波等。
●频率范围频率范围一般分为若干波段,如1Hz~10Hz,10Hz~100Hz,100Hz~1kHz,1kHz~10kHz,10kHz~100kHz,100kHz~1MHz等6个波段。
●输出电压一般指输出波形的峰-峰值,即Vp-p=2Vm。
●波形特性表征正弦波特性的参数是非线性失真γ~,一般要求γ~<3%;表征三角波特性的参数是非线性系数γ△,一般要求γ△<2%;表征方波特性的参数是上升时间tr,一般要求tr<100ns(1kHz,最大输出时)。
3方案设计
3.1方案比较
函数发生器能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形。
其电路中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),也可以是集成电路(如芯片ICL8038)。
本课题采用第三种方案,由集成运算放大器与晶体管差分放大器组成的方波-三角波-正弦波函数发生器的设计方法。
产生正弦波、方波、三角波的方案有很多种,如先产生正弦波,然后通过整形电路将正弦波变成方波,再由积分电路将方波变成三角波;也可先产生三角波-方波,再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波。
本方案采用先产生方波-三角波,在将三角波变换成正弦波的电路设计。
3.2总体框图设计
本课题中函数发生器电路组成框图如图所示:
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
图1函数发生器组成框图
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。
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。
3.3技术指标分配
●频率范围1Hz~10Hz,10Hz~100Hz;
●输出电压方波Vp-p≤24V,三角波Vp-p=8V,正弦波Vp-p>1V;
●波形特性方波tr<30µs,三角波γ∆<2%,正弦波γ~<5%。
4功能模块设计
4.1电路设计
4.1.1方波-三角波产生电路
如图所示的电路能自动产生方波-三角波。
电路工作原理如下:
若a点断开,
图2方波-三角波产生电路
运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器,R1称为平衡电阻,C1称为加速电容,可加速比较器的翻转;运放的反相端接基准电压,即V–=0,同相端接输入电压via;比较器的输出vo1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V+=V–=0时,比较器翻转,输出vo1从高电平+VCC跳到低电平-VEE,或从低电平-VEE跳到高电平+VCC。
设vo1=+VCC,则
⑴
式中,RP1指电位器的调整值(以下同)。
将上式整理,得比较器翻转的下门限电位
⑵
若Vo1=-VEE,则比较器翻转的上门限电位
⑶
比较器的门限宽度VH为
⑷
由式⑴~⑷可得比较器的电压传输特性,如图3所示
图3比较器电压传输特性图4方波-三角波
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vo1,则积分器的输出
⑸
当Vo1=+VCC时,
⑹
当Vo1=-VEE时,
⑺
可见,当积分器的输入为方波时,输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波,其波形关系如图4所示。
a点闭合,即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
⑻
方波-三角波的频率
⑼
由式⑻及⑼可以得出以下结论:
①电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时,一般不会影响输出波形的幅度。
若要求输出频率范围较宽,可用C2改变频率的范围,RP2实现频率微调。
②方波的输出幅度约等于电源电压+VCC。
三角波的输出幅度不超过电源电压+VCC。
电位器RP1可实现幅度微调,但会影响方波-三角波的频率。
4.1.2三角波-正弦波变换电路
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。
分析表明,差分放大器的传输特性曲线iC1(或iC2)的表达式为
⑽
式中,α=IC/IE≈1;I0为差分放大器的恒定电流;VT为温度的电压当量,当室温为25℃时,VT≈26mV。
如果vid为三角波,设表达式
⑾
式中,Vm为三角波的幅度;T为三角波的周期。
将式⑾代入式⑽,则
⑿
用计算机对式⑿进行计算,打印输出的iC1(t)或iC2(t)曲线近似于正弦波,则差分放大器的输出电压vC1(t)、vC2(t)亦近似于正弦波,波形变换过程如图5所示
图5三角波-正弦波变换
为使输出波形更接近正弦波,要求:
①传输特性曲线尽可能对称,线性区尽可能窄;
②三角波的幅值Vm应接近晶体管的截止电压值。
图6为三角波-正弦波的变换电路。
其中,RP1调节三角波的幅度,RP2调整电路的对称性,并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。
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。
图6三角波-正弦波变换电路
4.2电路的参数选择及计算
4.2.1方波-三角波中电容C1变化
实物连线中,我们一开始很长时间出不来波形,后来将C2从10μF(理论时可出来波形)换成0.1μF时,顺利得出波形。
实际上,分析一下便知当C2=10μF时,频率很低,不容易在实际电路中实现。
4.2.2三角波-正弦波部分
比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下:
由式⑻得
⒀
取R2=10kΩ,取R3=20kΩ,RP1=47kΩ。
平衡电阻R1=R2//(R3+RP1)≈10kΩ
由输出频率的表达式⑼得
⒁
当1Hz≤ƒ≤10Hz时,取C2=10µF,R4=5.1kΩ,RP2=100kΩ。
当10Hz≤ƒ≤100Hz时,取C2=1µF以实现频率波段的转换,R4及RP2的取值不变。
取平衡电阻R5=10kΩ。
三角波-正弦波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C3=C4=C5=470µF,滤波电容C6的取值视输出的波形而定,若含高次谐波成分较多,则C6一般为几十皮法至0.1µF。
RE2=100Ω与RP4=100Ω相并联,以减小差分放大器的线性区。
差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线、调整RP4及电阻R*来确定。
图7三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路
4.3总电路图
采用如图7所示电路,其中运算放大器A1与A2用一只双运放µA747,差分放大器采用晶体管单端输入-单端输出差分放大器电路。
因为方波的幅度接近电源电压,所以取电源电压+VCC=+12V,-VEE=-12V。
先通过比较器产生方波,再通过积分器产生三角波,最后通过差分放大器形成正弦波。
5电路组装、调试、测试
5.1电路安装调试技术
在安装多级电路时,通常按照单元电路的先后顺序进行分级装调与级联。
以下是电路的装调顺序如下:
5.1.1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,故这两个单元电路可以同时安装。
需要注意的是,在安装电位器RP1与RP2之前,要先将其调整到设计值,否则电路可能会不起振。
如果电路接线正确,则在接通电源后,A1的输出vo1为方波,A2的输出vo2为三角波,微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标的要求,调节RP2,则输出频率连续可调。
5.1.2三角波-正弦波变换电路的装调
三角波-正弦波变换电路可利用差分放大器电路来实现。
电路的调试步骤如下:
①差分放大器传输特性曲线调试。
将C4与RP3的连线断开,经电容C4输入差模信号电压Vid=50mV,ƒi=100Hz的正弦波。
调节RP4及电阻R*,使传输特性曲线对称。
再逐渐增大vid,直到传输特性曲线形状如图5所示,记下此时对应的峰值Vidm。
移去信号源,再将C4左端接地,测量差分放大器的静态工作点I0、VC1Q、VC2Q、VC3Q、VC4Q。
②三角波-正弦波变换电路调试。
将RP3与C4连接,调节RP3使三角波的输出幅度(经RP3后输出)等于Vidm值,这时vo3的波形应接近正弦波,调整C6改善波形。
如果vo3的波形出现如图8所示的几种正弦波失真,则应调整和修改电路参数,产生失真的原因及采取的相应处理措施如下:
●钟形失真如图8(a)所示,传输特性曲线的线性区太宽,应减小RE2。
●半波圆顶或平顶失真如图(b)所示,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*。
●非线性失真如图(c)所示,三角波的线性度较差引起的失真,主要受运放性能的影响。
可在输出端加滤波网络改善输出波形。
图8波形失真现象
5.2测试过程
⑴按照电路图连接好方波-三角波的实验电路。
接通电源,给运放加上偏置电压,通过导线引出要输出的信号。
再把输出信号加到示波器上观察波形。
合理的调整RP1与RP2使输2出的波形满足设计标准,记录波形及相关数据。
⑵方波-三角波的电路调好以后。
再把三角波接到差分放大器的输入端。
若输出的正弦波的幅值过小,可调节输入电压的幅值(调整RP1的阻值),使输出的正弦波幅值达到标准的幅值。
如果正弦波的波形没有关于坐标轴对称的话,需要调整RP4的阻值。
最终是输出的正弦波达到设计要求,同样记录波形及相关参数。
5.3测试结果
(1)方波-三角波图形
方波:
X轴:
2ms/div
Y轴:
5V/div
三角波:
X轴:
2ms/div
Y轴:
1V/div
(2)三角波-正弦波图形
三角波:
X轴:
2ms/div
Y轴:
1V/div
正弦波:
X轴:
2ms/div
Y轴:
1V/div
6总结
本设计的优点是电路简单易组装,很容易能产生波形,非常适合初学者;缺点是电路元件都太简单,不精确,产生的波形容易发生失真;可改进之处:
为使失真减小可使用更小的电容和更大的电阻,在差分放大器的偏置部分在增加一个晶体管,以使偏置部分更有利于提高波形的品质。
7心得体会
本学期我们开设了《模拟电路实验》课程,这门学科属于电子电路范畴,与我们的专业也都有联系,且都是理论方面的指示。
近段我们进行了电子课程技术设计,通过这段时间不懈的努力与切实追求,我们小组终于做完了课程设计。
通过这次课程设计,我掌握了常用元件的识别和测试;熟悉了常用的仪器仪表;了解了电路的连接方法;以及如何提高电路的性能等等。
在实验过程中,我们也遇到了不少的问题。
比如:
刚连接完电路时,怎么调都不出来波形,那时心里真的不是滋味,很着急,就又照着电路图检查了一遍连线,但没发现什么问题,电路连接是没问题的;后来就开始调节示波器,但调了几次都没波形,当时正好周老师在身边,周老师就帮我们把示波器调节了一下,波形就出来了,但是发现失真很大,我们当时都不知如何是好,周老师就指导我们换个更小点的电容试试,换个0.1μF的电容后波形就完整的呈现在了我们眼前。
通过这次试验,知道了自己在示波器调节这个能力上还有所欠缺,并且模电也学的不怎么好,都有待提高。
课下有时间有机会就应该多去练习调节示波器,一定要将示波器的调节学好;并且还要在重新复习模电,提高模电的理论知识。
三角波-方波的波形出现后,我们便又在试验箱与面包板之间连线使能够出现正弦波。
连完后,打开电源,波形很快就出来了,没有其它什么问题。
这次课程设计让我学到了很多,不仅是巩固了先前学的模电的理论知识,而且也培养了我的动手能力,更令我的创造性思维得到拓展。
希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些!
8参考文献
[1]DonaldANeamen.MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign[M](ThirdEdition)Beijing:
TsinghuaUniversityPress,2007:
135-205.
[2]周胜海.函数发生器设计[PDF].2013:
1-8.
[3]陈大钦,罗杰.电子技术基础实验[M](第三版).北京:
高等教育出版社,2008:
208-211.
[4]赵广林.常用电子元器件识别检测选用一读通[PDF].2007:
2-118.
9附录
μA747×1;
电解电容:
470µF×3;10µF×1;1µF×1;
电位器:
100kΩ×2;47kΩ×2;100Ω×1;
电阻:
10kΩ×5;20kΩ×1;5.1kΩ×1;6.8kΩ×2;2kΩ×2;
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