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电子测量技术
武汉工程大学实验报告
姓名:
班级:
学号:
课程名称:
电子测量技术(④)
实验成绩:
指导教师
函数发生器设计与实现
第一部分:
试验任务
1.1、函数发生器介绍
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、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),也可以采用集成电路(如单片机函数发生器模块)。
为进一步掌握信号发生器电路的原理,本试验主要对由集成运算放大器组成的方波—三角波发生器进行研究与实现。
1.2、函数发生器的工作原理
本试验的函数发生器电路组成框图如图1所示,电路由比较器和积分器组成方波—三角波信号发生电路。
比较器输出的方波,方波经过积分器得到三角波。
图1函数发生器电路组成框图
1.3、设计目的
(1)掌握简单的方波、三角波信号发生系统的原理与设计方法。
(2)掌握模拟IC器件的应用,以及焊接安装。
(3)培养综合应用所学知识来指导实践的能力。
1.4、设计要求及技术指标
(1)设计、组装、调试函数发生器
(2)输出波形:
方波、三角波;
(3)频率范围:
在1-100Hz范围内可调;
(4)输出电压:
方波Up-p≤24V,三角波Up-p=8V;
1.5、设计所用仪器及器件
(1)直流稳压电源
(2)示波器
(3)万用表
(4)运放741
(5)电阻、电容若干
(6)面包板
1.6、试验安排
(1)阅读实验指导,明确系统工作原理,熟悉各元器件。
(第一次试验)
(2)在面包板上对电路进行装配调试,使其达到规定的技术指标。
(第二次试验)
(3)课后撰写总结报告。
1.7、课程设计报告内容
总结设计过程,写出设计报告,设计报告内容要求如下:
(1)课程设计目的、设计的任务以及技术指标。
(2)总方案的确定并绘制出详细的原理框图。
(3)各组成单元电路设计,及电路的原理、工作特性(结合设计图及电路图)
(4)电路安装、调试步骤及方法,调试中遇到的问题,及分析解决方法。
(5)实验结果分析,改进意见及收获。
第二部分:
试验指导
2.1、系统原理图
(a)方波—三角波产生电路(b)741运放引脚图
图2系统原理图
2.2、系统工作原理
若Via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
(1)
将上式整理,得比较器翻转的下门限单位Uia-为
(2)
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
(3)
比较器的门限宽度UH:
(4)
由以上公式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
Via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
(5)
时,
(6)
时,
(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,其波形关系如图4所示。
图4方波—三角波关系
Via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—三角波。
三角波的幅度为:
(8)
方波-三角波的频率f为:
(9)
由以上两式可以得到以下结论:
电位器RP2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,PR2实现频率微调。
而RP1能使三角波的幅度与频率均发生变化,但它是以调幅为主的。
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。
第三部分:
试验报告
3.1、课程设计目的、设计的任务以及技术指标
3.1.1、课程设计目的
(1)掌握简单的方波、三角波信号发生系统的原理与设计方法。
(2)掌握模拟IC器件的应用,以及焊接安装。
(3)培养综合应用所学知识来指导实践的能力。
3.1.2、课程设计任务
(1)阅读实验指导,明确系统工作原理,熟悉各元器件。
(2)在面包板上对电路进行装配调试,使其达到规定的技术指标。
3.1.2、课程设计的技术指标
(1)设计、组装、调试函数发生器
(2)输出波形:
方波、三角波;
(3)频率范围:
在1-100Hz范围内可调;
(4)输出电压:
方波Up-p≤24V,三角波Up-p=8V;
3.2、课程设计方案
采用集成运放电路设计方案产生要求的波形,主要是应用集成运放741,其芯片的内部结构是由1个集成运放所组成的,通过滞回比较器能调出方波,并通过积分电路就可以调试出三角波,此电路方案能实现基本要求和扩展总分的功能,电路较简单,调试方便,是一个优秀的可实现的方案。
方波—三角波产生电路的原理图如图5所示
图5方波—三角波产生电路
3.3、单元电路的设计
①方波电路的设计
原理图
图6方波电路原理图
工作原理
若Uia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
(1)
将上式整理,得比较器翻转的下门限单位Uia-为
(2)
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
(3)
比较器的门限宽度UH:
(4)
由以上公式可得比较器的电压传输特性,如图7所示。
图7比较器电压传输特性
②三角波电路的设计
原理图
图8三角波电路原理图
工作原理
Via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
(5)
时,
(6)
时,
(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,其波形关系如图9所示。
图9方波—三角波关系
Via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—三角波。
三角波的幅度为:
(8)
方波-三角波的频率f为:
(9)
由以上两式可以得到以下结论:
电位器RP2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,PR2实现频率微调。
而RP1能使三角波的幅度与频率均发生变化,但它是以调幅为主的。
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。
3.4实验调试
整个电路连接完之后就可以对该电路进行调试和检测了。
在进行调试和测试之前首先要对电路进行检查。
对照原理图按顺序一一检查,以免产生遗漏。
以元件作为中心进行检查,把每个元器件的引脚依次检查,看是否有接错线或者漏接等问题,为了防止出现错误,最好对已经检查好的线路在原理图上做好标记,倘若线路检查无误,则可以对线路进行调试和测试了。
用万用表适当的档位对线路进行测试,看线路是否有短路或者断路等问题,如果出现错误,就立即进行改进修改再进行调试。
当先前的准备工作做好之后,就开始对电路进行调试了。
方波-三角波中电容C变化(关键性变化之一)。
开始调试时,我们一开始很长时间出不来波形,不管怎么调试,示波器上总是显示一条直线,经过仔细检查后发现信号线没有接地,然后把信号线接地后,波形是有了,但不是方波和三角波,而是很奇怪的波形,再接着又更换了741芯片,波形就出来了,可以肯定的是芯片坏了,可能是用电烙铁进行焊接的时候由于温度过高使芯片烧毁了。
波形虽然出来了,但是扫描的周期太快了,波形出现闪动,很不稳定,然后我就仔细检查电路,把原先的开关触头由连接电容C1=10uF转向连接电容C2=1uF,连接之后,波形就十分的稳定顺利得出波形。
实际上,分析一下便知当C1=10uf时,频率很低,不容易在实际电路中实现,而连接C2=1uF后,频率的幅度就大大地提高了,这样就很容易在实际电路中实现了,在示波器上观察的波形也就很稳定了。
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=10KΩ,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。
3.5实验仿真结果
图10方波电路的输出波形
图11三角波电路的输出波形
图12方波—三角波
3.6实验心得及体会
在这次设计、焊接过程中我对抽象的理论有了进一步的认识。
通过这次课程设计,我了解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、焊接方法;以及如何提高电路的性能等等。
虽然这次实验使得我纠结了近一天,但收获的确很多。
在这次实验中,总结了很多感触体会,我们不能盲目的图快,一定要在心底有个具体的谱然后下手去焊接,这样能让我们少走弯路,更加节省时间。
首先,在实验过程中,我们遇到了不少的问题。
比如波形失真,甚至不出波形这样的问题。
我也发现自己并不能够熟练的使用自己所学到的模电知识。
再有后的学习中,我要加强自己对电路的设计和使用的能力。
但是由于这次课程设计的实验电路很简单,并且有章可循,在各种资料的指引下,我们完成起来并不是很难。
课程设计只是我们以后从事技术工作的一个缩影,通过这种训练,可以提高我们动手设计电路的能力,能够让我们更好的组织实验。
培养分析问题,解决问题的能力也为我们以后的毕业设计和电子工作打下了基础。
其次,在此次的函数发生器的设计与制作过程中,对于元件实物有了新的一些认识,也让我们对使用到的元件的结构和功能进一步了解和掌握,弄懂了所用器件的工作原理和具体的使用方法。
最后,通过这次对函数信号发生器的设计,更加让我明白了理论联系实际的重要性,明白了动手实践的重要性。
因为理论与实际毕竟有一定的距离,同时这次设计加深了我对所学知识的理解。
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