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模电课程设计
扬州大学能源与动力工程学院
模电课程设计
题目:
函数发生器的设计
课程:
模拟电子技术基础
专业:
电气工程及其自动化
班级:
学号:
姓名:
指导教师:
设计时间:
2009.11.02—2009.11.06
总目录
第一部分:
任务书
第二部分:
课程设计报告
第三部分:
设计电路原理图接线图
第一部分
任
务
书
课题:
函数发生器的设计
一个电子产品的设计、制作过程所涉及的知识面很广;加上电子技术的发展异常迅速,新的电子器件的功能在不断提升,新的设计方法不断发展,新的工艺手段层出不穷,它们对传统的设计、制作方法提出了新的挑战。
但对于初次涉足电子产品的设计、制作来说,了解并实践一下电子产品的设计、制作的基本过程是很有必要的。
1、函数发生器的简介
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全部采用晶体管),也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。
为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术,本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—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方波,再由积分电路将方波变成三角波;也可以首先产生三角波—方波,再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。
本课题采用先产生方波—三角波,再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。
2、电子电路设计的一般方法
1.仔细分析产品的功能要求,利用互连网、图书、杂志查阅资料,从中提取相关和最有价值的信息、方法。
(1)设计总体方案
(2)设计单元电路、选择元器件、根据需要调整总体方案
(3)计算电路(元件)参数
(4)绘制电路图初稿
2.上机利用EDA软件进行电路实验仿真。
电路图设计已有不少的计算机辅助设计软件,利用这些软件可显著减轻了人工绘图的压力,电路实验仿真大大减少人工重复劳动,并可帮助工程技术人员调整电路的整体布局,减少电路不同部分的相互干扰等等。
3.掌握常用元器件的识别和测试。
电子元器件种类繁多,并且不断有新的功能、性能更好的元器件出现。
需要通过互连网、图书、杂志查阅它们的识别和测试方法。
对于常用元器件,不少手册有所介绍。
4、熟悉常用仪表,了解电路调试的基本方法。
通过排除电路故障,提高电路性能的过程,巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。
三、设计题目及内容
函数发生器能产生正弦波、方波、三角波
四、设计目的
1.掌握电子系统的一般设计方法
2.掌握模拟IC器件的应用
3.培养综合应用所学知识来指导实践的能力
五、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:
正弦波、方波、三角波
3.频率范围:
在10-10000Hz范围内可调
4.输出电压:
方波UP-P≤24V,三角波UP-P=8V,正弦波UP-P>1V
第二部分
课
程
设
计
报
告
目录
1、课程设计的目的和设计的任务························8
2、课程设计的要求及技术指标··························8
3、总方案及原理框图··································9
4、各组成单元电路设计,
及电路的原理、工作特性及元件的作用················10
5、总原理图··········································15
6、调试及实验结果分析································15
7、电路安装、调试步骤及方法·························18
8、实验结果分析····································19
8、改进意见、收获、体会······························20
9、仪器仪表清单······································21
9、参考文献··········································22
课程设计的目的和设计的任务
(一)课程设计的目的
1.掌握电子系统的一般设计方法
2.掌握模拟IC器件的应用
3.培养综合应用所学知识来指导实践的能力
(2)设计的任务
本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。
课程设计的要求及技术指标
1.设计、组装、调试函数发生器
2.输出波形:
正弦波、方波、三角波;
3.频率范围:
在10-10000Hz范围内可调;
4.输出电压:
方波UP-P≤24V,三角波UP-P=8V,正弦波UP-P>1V
总方案及原理框图
(1)总方案
先通过比较器产生方波,方波通过积分器产生三角波,三角波通过差分放大器产生正弦波。
设计差分放大器时,传输特性曲线要对称、线形区要窄,输入的三角波幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
(二)原理框图
各组成单元电路设计,及电路的原理、工作特性及元件的作用
方波发生电路的工作原理
此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。
RC回路既作为延迟环节,又作为反馈网络,通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。
设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。
Uo通过R3对电容C正向充电,如图中实线箭头所示。
反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高,当t趋于无穷时,Un趋于+Uz;但是,一旦Un=+Ut,再稍增大,Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。
随后,Uo又通过R3对电容C反向充电,如图中虚线箭头所示。
Un随时间逐渐增长而减低,当t趋于无穷大时,Un趋于-Uz;但是,一旦Un=-Ut,再减小,Uo就从-Uz跃变为+Uz,Up从-Ut跃变为+Ut,电容又开始正相充电。
上述过程周而复始,电路产生了自激振荡。
(1)矩形波发生电路
调节电路中R1、R2、R3的电阻值和C的电容值,即可改变电路振荡频率,调节电路中R1、R2的电阻值,可改变电路矩形波和三角波的幅值
(二)方波—三角波产生电路
对于虚线左边部分:
±UT=±R2·Uo2m/(R3+Rp1)=±R2·Vcc/(R3+Rp1)
对于虚线右边部分:
(Uo1-U2-)/(R4+Rp2)=ic2,
(1/C2)∫ic2dt=U2-U2,将ic2表达式代入此积分中,且U2-=U2+=0,
当U1=+VCC时,U2=-VCC·t/(R4+Rp2)C1;
当U1=-VEE时,U2=VEE·t/(R4+Rp2)C1。
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。
三角波的幅值U2m=R2*Vcc/(R3+Rp1),
输出波形频率f=
方波—三角波波形
(三)三角波—正弦波变换电路
三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。
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,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,传输特性曲线的表达式为:
式中
——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
式中 Um——三角波的幅度;
T——三角波的周期。
为使输出波形更接近正弦波,由图可见:
1.传输特性曲线越对称,线性区越窄越好;
2.三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
3.图为实现三角波——正弦波变换的电路。
其中Rp1调节三角波的幅度,Rp2调整电路的对称性,其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。
电容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。
隔直电容C2、C4一定要大,因为输出频率很低,取C2=C4=470uA;滤波器电容C5视输出波形而定,若含高次谐波成分较多,C5可取较小,一般取0.1uF;R7=100Ω与R13=100Ω并联,以减小差分放大器的线性区
三角波—正弦波波形
总原理图
三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路
电路安装、调试及实验结果分析
(一)方波、三角波测试
方波、三角波波形
(2)三角波、正弦波测试
三角波、正弦波波形
7电路安装、调试步骤及方法
7.1方波---三角波发生电路的安装和调试
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。
用双踪示波器同时观察Uo1与Uo2的波形,通过调节Rp1使得三角波的峰峰值为8V,方波的峰峰值小于24V;调节Rp2可得到在用不同的电容C2时的频率段。
安装:
1.先在电路板上排布器件与导线,尽量使其美观合理;
2.然后,在电路板上焊接元件,连接导线,注意焊点要焊实,导线尽量使其呈直线;
3.把两块741集成块插入万能板;
4.按图接线,注意直流源的正负及接地端。
调试:
1.接入电源后,用示波器进行双踪视察。
2.调节RP1,是三角波的波形幅值满足指标要求;
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步安装
7.2三角波---正弦波转换电路的安装和调试
安装:
1.在面包板上接入差分放大电路,注意三极管的各引脚接线
2.搭直流源电路,注意R*的取值
3.接入各电容及电位器,注意C6的选取
4.按图接线,注意直流源的正负及接地端
调试:
差动放大器传输特性曲线调试。
将C4与Rp3断开,在C4端输入100Hz、50mV的正弦波,用双踪示波器同时观察T1、T2两三极管的集电极对地的电压波形,通过调节Rp4和R11,使传输特性曲线对称。
再逐渐增大输入电压,用示波器观察输出波形,记下Uidm。
移去信号源,将C4接地,用数字万用表分别测量Ic3Q、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q以及Ue3Q。
7.3总电路的安装与调试
三角波---正弦波转换电路的调试。
将C4与Rp3连接起来,调节Rp3使得输入三角波的电压值为Uidm,用示波器观察输出波形,可看到输出正弦波。
7.4电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法
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。
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,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。
2.三角波---正弦波变换电路的装调
装调三角波—正弦波变换电路,电路的调试步骤如下。
(1)经电容C4输入差摸信号电压Uid=50v,Fi=100Hz正弦波。
调节Rp4及电阻R*,使传输特性曲线对称。
在逐渐增大Uid,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使三角波俄输出幅度经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的波形出现以下的几种正弦波失真,则应调节和改善参数,产生是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。
8实验结果分析
8.1方波---三角波发生电路的实验结果
1、方波的Vp-p=21V,三角波的Vp-p=10.8-4v
2、当C2=0.1uF时,调节Rp2测得的周期是11.6-0.4ms,频率是86.2-2500Hz
8.2三角波---正弦波转换电路的实验结果
正弦波的Vp-p=0.5-5.6v,周期是0.4-5.6ms,频率是2500-178.57Hz
8.3实测电路波形、误差分析及改进方法
改进意见、收获、体会
通过此次模电课程设计让我收获了很多,函数发生器的设计让我对波形的变换有了更深的了解,同时也锻炼了动手能力以及分析电路解决问题的能力。
从布置任务的第一天便去图书馆查阅了相关资料,了解有关函数发生器的设计、各种电子元件的接线(主要为运放、三极管的接线问题)以及EWB软件的运用,从中收获很多。
第二天便是上机调试电路,从茫然到成功的过程使我建立了自信,而接下来便是最重要的环节--焊接电路,首先必须在一块不是很大的面包板上安装器件,这就要考虑器件的摆放与布线问题,布线要少、好看、思路清晰,还要便于焊接,当然线路的正确性是最重要的。
其次便是焊接的技术了,说实话,面包板不如PCB板,焊接难度明显加大,焊点小而密,很难把握,但总体下来焊接还算可以。
当一切准备好就要开始调试电路了,焊接这个大工程结束后却发现示波器上没有显示出正确的波形时是非常痛苦的,此时就要检查电路,重新测试,上午过去了却没有任何进展,下午三个小时过去想要放弃的时候却无意中看到电路的一个焊接错误,运放的二号引脚焊接在了三号引脚上,再拿来电烙铁重新焊接,最终方波、三角波、正弦波都出来了,当时心情难以言表。
总之,此次课程设计让我进一步的了解了电力电子技术,相信对于今后的学习和工作都会产生很大的帮助。
仪器仪表清单
1.直流稳压电源
2.双踪示波器
3.万用表
4.运放uA7412个
5.电阻:
10kΩ3个
20kΩ3个
2kΩ2个
15kΩ1个
100Ω1个
5.1kΩ1个
6.8kΩ2个
滑动变阻器:
50kΩ2个
100Ω1个
100kΩ1个
6.电容:
1uF1个
470uF3个
0.1uF1个
7.共射三极管4个
8.面包板
参考文献
1、模拟电子技术基础华成英、童诗白主编北京
高等教育出版社2006.5
2、模拟电子技术实验及综合实训教程于卫主编武汉
华中科技大学出版社2008.11
3、EWB9电子设计技术李良荣主编北京
机械工业出版社2007.7
4、电子技术基础实验与课程设计高吉祥主编北京
电子工业出版社2005.2
第三部分
设
计
电
路
原
理
图
接
线
图
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