课题 函数信号发生器的课程设计.docx
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课题函数信号发生器的课程设计
函数信号发生器的设计报告
一、设计要求2
二、设计作用和目的3
三、设计方案的具体实现4
1)设计方案概述4
2)方案比较5
3)设计方案的实现5
四、单元电路的设计与分析6
1)方波—三角波的设计及仿真6
i.方波部分6
ii.三角波部分8
iii.方波—三角波转换9
2)正弦波的设计及仿真11
五、心得体会及建议15
六、附录17
七、参考文献18
一、设计要求
1.利用集成运算放大器,设计一个正弦波—方波—三角波函数信号发生器。
使得信号频率可调,发出信号不失真。
2.频率范围100Hz~1KHz。
3.输出电压:
正弦波Up-p>6V,方波Up-p=12V,三角波Up-p=12V。
4.总体设计画出电路原理框图。
5.单元电路设计。
6.利用仿真软件设计进行电路仿真,列出元件明细表。
7.撰写设计说明书。
二、设计的作用和目的
1.巩固和加深对电子电路基本知识的理解,提高综合运用本课程所学知识的能力。
2.培养根据课题需要选学参考书籍,查阅手册,图表和文献资料的自学能力。
通过独立思考,深入钻研有关问题,学会自己分析并解决问题的方法。
3.通过电路方案的分析,论证和比较,设计计算和选取元器件;初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。
4.了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范,能按设计任务书的要求,完成设计任务,编写设计说明书,正确地反映设计与实验的成果,正确地绘制电路图等。
5.学会运用Mulitisim8仿真软件对所做出的理论设计进行仿真测试,并能进一步完善设计。
6.熟练掌握常用元器件的识别和测试,熟悉常用仪表,了解电路调试的基本方法。
7.培养严肃,认真的工作作风和科学态度
三、设计方案的具体实现
1)设计方案概述
函数信号发生器是一种常用的信号源,是是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。
在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时,都要有信号源。
通常所说的函数信号发生器指的是能自动产生正弦波—三角波—方波等的电路或者仪器。
根据不同的需要有产生一种波形的发生器,也有产生多种波形的发生器,所使用的期间可以是分立元件,也可以是专用集成电路。
根据要求,产生正弦波、方波、三角波的方案有许多种,例如首先产生正弦波,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,再将三角波变成正弦波或方波,再或者先产生方波,再将方波变成正弦波等等。
2)方案比较
方案一:
以由分立元件运算放大器、电阻、电容、晶体管等器件组成电路,主要部件是运算放大器LM741组的滞回放大电路、积分电路和差分放大电路构成。
分为三级单元电路组成,第一级单元电路利用滞回放大器产生方波,第二级为积分电路改成三角波,第三级电路用运算放大器改为正弦波。
图1由差分放大电路构成的函数信号发生器
方案二:
采用单片集成芯片来构成函数信号发生器,由于单片集成芯片的知识对于我们比较陌生,而且集成电路的芯片中各路元件已经设计好,不能实现我们本设计的目的,所以此方案不采用。
方案三、
运用集成放大器、电容、电阻等基本元件实现正弦波—方波—三角波的波形的产生,本课程设计采用先用滞回比较电路—积分电路—RC振荡电路来实现函数信号发生器的设计。
由于滞回比较电路、积分电路、RC振荡电路等为我们本学期模拟电子课程所学习的内容,所以便于我们通过本设计来熟悉所学知识。
3)设计方案的实现
本次课程设计函数信号发生器实现方案的特点是:
首先是滞回比较电路产生方波,再通过积分电路产生三角波,然后再通过RC桥式振荡电路产生正弦波。
下面我们将分别对各个波形的发生进行分析,从而达到在合成电路时使电路更加合理,如图2。
图2系统实现方案整体框图
四、单元电路的设计与分析
1)方波—三角波发生电路的设计
i.方波部分
由运放LM324为主构成的同相滞回比较电路产生方波信号的工作原理图如下图3:
电路中运用集成运算放大器LM324,用稳压管D1、D2来实现对方波信号的幅值的稳定,经过用Multisim软件多次反复的实验确定11.3V的稳压幅值可以实现方波信号Up-p为12V左右,各个电阻阻值通过参数计算及查阅资料来确定。
电位器R8的改变可以改变输出方波信号的频率值,电路的参数计算及器件选择后面写出。
使用Multisim10.1仿真软件仿真出的波形图如下图4所示,电压峰峰值Up-p为12.4V。
图3方波发生电路原理图
图4方波仿真图
ii.三角波部分
图5三角波发生电路原理图
本课程设计要求输出频率为100Hz~1kHz,,所以电容选择C1=100nF以实现频段的转换,R4以及R7阻值都不变,平衡电阻R5等于10kΩ。
运放经过查阅资料及多次试验,选择3288RT,直流电源电源
。
图6三角波仿真图
iii.方波—三角波转换部分
方波—三角波转换的整体工作原理图如下图
图7方波—三角波转换电路原理图
图7中由同相输入滞回比较器产生方波,有运算放大器LM324、电阻和稳压管组成。
当同相端输入电压大于零时,运放输出幅值为+Uz的高电平当同相端输入电压小于零时,运放输入幅值为-Uz的低电平,故输出Uo1的幅值为±Uz的方波。
右边的积分运算电路由电阻和电容组成。
当方波输出Uo1输出高电平时,电容充电,运放输出电压负方向线性增加,并发亏到滞回比较器的同相输入端,控制其输出端的状态跳变;当Uo1输出电压跳变到低电平是,电容放电,运放输出电压正方向线性增加,并反馈回去,从而在三角波输出Uo2端得到周期性的频率与方波相同的三角波。
参数计算和器件选择
滞回比较器中运算放大器LM324同相输入端的电压U+同时与Uo1和Uo2有关,根据叠加原理,可得:
根据叠加原理,集成运放U1A同相输入端的电位U+=U-=0,
,滞回比较器的输出发生跳变。
阈值电压
。
由积分电路的运算可得:
起始值为-UT,终了值为+UT,积分时间为T/2。
此时
故得:
所以频率为:
可以通过控制R8的阻值来实现改变方波输出电压Uo1的频率。
由Multisim软件仿真之后的仿真图如下图8。
图8方波—三角波转换电路仿真图
2)正弦波发生电路
由RC振荡器振荡产生正弦波信号的工作原理图如下图10:
正弦波振荡器是在只有直流供电、不加外加输入信号的条件下产生正弦波信号的电路,通常由放大电路、选频网络。
正反馈网络、稳幅环节组成。
根据选频电路回路的不同,正弦波振荡器可分为RC正弦波振荡器。
LC正弦波振荡器和石英晶体振荡器。
其中,RC正弦波振荡器驻澳用于产生中低频正弦波,振荡频率一般小于1MHz;如在电子琴中产生音频信号灯;LC正弦波振荡器主要用于高频率震荡,如收音机的本机震荡;而石英晶体震荡器主要应用
图9正弦波发生电路原理图
于对频率稳定度要求较高的场合,如产生时钟信号等。
本次课程设计要求频率范围是100Hz~1kHz,所以采用RC正弦波振荡器来
实现正弦波信号的简易输出。
RC正弦波振荡器的实验电路如上图图9所示。
其中,由R4、C1、R5、C2组成的RC串、并联选频网络引入了正反馈,其谐振频率为:
此时RC串、并联网络的增益为
。
所以满足正弦振荡的幅值条件,由运算放大器和R3、R6、R1组成同相比例放大器的增益:
(起振时大于3,稳定振荡时等于3)。
参数计算及器件选择
正反馈通道是RC串、并联选频网络,震荡频率取决于选频网络的参数。
在图中,因为RC串、并联网络在正弦波振荡电路中既为选频网络,又为正反馈网络,所以其输入电压为
,输出电压为
。
由图得到:
整理可得:
(1)
令
,则
代入
(1)式,得出
幅频特性为:
相频特性为:
当RC桥式正弦波振荡电路要产生振荡必须满足相位平衡条件
和幅度平衡条件
,即需要电路的振荡频率为
改变电阻R6的电阻阻值可以改变负反馈的深度,使电路产生稳定振荡、停振和波形振荡是真的几种不同的输入信号。
调节R6的值为37.5%可以得到RC振荡的起振波形,用Multisim仿真软件仿真得到的起振波形如下图11所示;下图12是用仿真软件仿真所得的正弦波振荡振荡中的波形。
原电路为先选出电容为μF级的电容,本次课程设计选择1μF的电容,电阻阻值通过查阅资料以及用仿真软件不断改变尝试所得。
图10起振波形仿真
图11正弦波振荡电路振荡中的仿真
五、心得体会及建议
通过本次课程设计,我巩固的本学期在《模拟电子技术基础》中所学习的对各种电路的简单应用,尤其是对于RC振荡电路、滞回比较电路、积分电路以及差分放大电路在设计函数信号发生器过程中的应用。
在课程设计的过程中,我学会了如何自己根据已知条件,把各个熟悉的元件应用到各个电路中。
在此过程中,我需要不断地认真分析已知条件,以及老师所给的基本电路,在遇到不会的知识点时,需要积极地去图书馆查阅资料,从对各种资料的综合分析中提取出自己需要的信息,提高了自己的分析能力。
在设计过程中,我还学会了如何熟练的使用Multisim仿真软件来模拟现实电路,对各个元件的查找等等。
在本次课程设计的过程中,通过自己查阅资料,解决做课设过程中出现的各种问题,锻炼了我的独立分析能力,进行电路设计的能力,培养了自己对各个问题深入探索的能力以及自己钻研学习的能力,通过设计论文的书写,锻炼了自己的语言表达能力以及对知识点的透彻了解。
在设计以及仿真过程中遇到的很多自己解决不了问题,通过和同组同学查阅资料以及讨论,请老师指导等途径解决了,更加深了我对基础知识的理解,以及对本学期学习的专业知识的巩固,使得我能将理论学习与实际设计相结合起来。
五、附录
元件明细表
元件名称
数量
规格或型号
运算放大器
3个
LM324、3288RT
200Ω电阻
1个
1kΩ电阻
2个
3kΩ电阻
1个
10kΩ电阻
6个
50kΩ变位器
2个
100kΩ变位器
1个
稳压管
2个
11.3V
二极管1BH62
2个
1BH62
电容10
2个
1µF、100nF
七、参考文献
[1]纪静波·低频电子线路·机械工业出版社·2009.1
[2]杨凌·模拟电子线路·机械工业出版社·2006.7
[3]何希才·尤克·振荡电路的设计与应用·科学出版社·2005.3
[4]张新喜等·Multisim10电路仿真及应用·机械工业出版社·2010.2
[5]童诗白·模拟电子技术基础·高等教育出版社·2009.4
[6]熊伟林主编·模拟电子技术及应用·机械工业出版社·2010.6
[7]刘树林·低频电子线路·机械工业出版社·2008.8
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