模电函数发生器.docx
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模电函数发生器.docx
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模电函数发生器
摘要
函数信号发生器是一种能能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路被称为函数信号发生器。
函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。
现在我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。
我们通过对电路的分析,参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。
在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。
按照设计的方案选择具体的原件,焊接出具体的实物图,并在实验室对焊接好的实物图进行调试,观察效果并与课题要求的性能指标作对比。
最后分析出现误差的原因以及影响因素。
1.总体方案的选取
1.1总体方案的比较
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,
三角波变换成正弦波
由运算放大器单路及分立元件构成,方波——三角波——正弦波函数发生器电路组成如图1所示,由于技术难点在三角波到正弦波的变换,故以下将详细介绍三角波到正弦波的变换。
图1.1.1
1.2利用差分放大电路实现三角波——正弦波的变换
波形变换的原理是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性,波形变换过程如图2所示。
由图可以看出,传输特性曲线越对称,线性区域越窄越好;三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。
图1.1.2
方案一:
用差分放大电路实现三角波到正弦波以及集成运放组成的电路实现函数发生器
图1.1.3
1.3用二极管折线近似电路实现三角波——正弦波的变换
二极管折线近似电路图1.1.4图1.1.5
根据二极管折线近似电路实现三角波——正弦波的变换的原理图,可得其输入、输出特性曲线如入1.1.4图所示。
频率调节部分设计时,可先按三个频率段给定三个电容值:
1000pF、0.01Μf、0.1μF然后再计算R的大小。
手控与压控部分线路要求更换方便。
为满足对方波前后沿时间的要求,以及正弦波最高工作频率(10kHz)的要求,在积分器、比较器、正弦波转换器和输出级中应选用Sr值较大的运放(如LF353)。
为保证正弦波有较小的失真度,应正确计算二极管网络的电阻参数,并注意调节输出三角波的幅度和对称度。
输入波形中不能含有直流成分。
方案二:
用二极管折线近似电路以及集成运放组成的电路实现函数发生器
图1.1.6
1.4集成芯片
图1.1.7是由μA741和5G8038组成的精密压控震荡器,当8脚与一连续可调的直流电压相连时,输出频率亦连续可调。
当此电压为最小值(近似为0)时。
输出频率最低,当电压为最大值时,输出频率最高;5G8038控制电压有效作用范围是0—3V。
由于5G8038本身的线性度仅在扫描频率范围10:
1时为0.2%,更大范围(如1000:
1)时线性度随之变坏,所以控制电压经μA741后再送入5G8038的8脚,这样会有效地改善压控线性度(优于1%)。
若4、5脚的外接电阻相等且为R,此时输出频率可由下式决定:
f=0.3/RC4
设函数发生器最高工作频率为2kHz,定时电容C4可由上式求得。
电路中RP3是用来调整高频端波形的对称性,而RP2是用来调整低频端波形的对称性,调整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。
稳压管VDz是为了避免8脚上的负压过大而使5G8038工作失常设置的。
方案三:
用单片集成函数发生器5G8038
图1.1.7
2.1可行性分析:
上面三种方案中,方案一与方案二中三角波——正弦波部分原理虽然不一样,但是他们有共通的地方就是都要人为地搭建波形变换的电路图。
而方案三采用集成芯片使得电路大大简化,但是由于实验室条件和成本的限制,我们首先抛弃的是第三种方案,因为它是牺牲了成本来换取的方便。
其次是对方案一与方案二的比较,方案一中用的是电容和电阻运放和三极管等电器原件,方案二是用的二极管、电阻、三极管、运放等电器原件,所以从简单而且便于购买的前提出发我们选择方案一为我们最终的设计方案。
变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。
2.课程设计的任务与要求
1.1设计任务
1.设计并制作能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的函数发生器。
2.设计电路所需的直流稳压电源。
1.2课程设计的要求
功能要求
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、及其他波形;
3.频率范围:
在0.02Hz-1KHz范围内连续可调;
4.方波幅值±10V。
5.三角波峰峰值20V;各种输出波形幅值均连续可调。
设计要求:
1.分析设计要求,明确性能指标。
必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等,广开思路,构思出各种总体方案,绘制结构框图。
2.确定合理的总体方案。
对各种方案进行比较,以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较,并考虑器件的来源,敲定可行方案。
3.设计各单元电路。
总体方案化整为零,分解成若干子系统或单元电路,逐个设计。
4.组成系统。
在一定幅面的图纸上合理布局,通常是按信号的流向,采用左进右出的规律摆放各电路,并标出必要的说明。
3.各部分电路设计
1.1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。
2.1方波---三角波转换电路的工作原理图
方波—三角波产生电路3.2.1
3.2.2
3.2.2
2.2方波---三角波工作原理
工作原理如下:
若a点短开,运算放大器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。
由图3.2.1分析可知比较器有两个门限电压
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Uo1,则积分器的输出Uo2为
时,
时,
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,其波形关系下图3.2.2所示。
a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
方波-三角波的频率f为
由以上两式可以得到以下结论:
1.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。
2.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。
电位器RP1可实现幅度微调,但会影响方波-三角波的频率。
3.1三角波---正弦波转换电路原理图
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。
三角波—正弦波主要的差分放大电路3.1.1
3.1.2
三角波—正弦波转换电路图
3.2三角波—正弦波工作原理
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。
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。
直流稳压电源的设计
3.4.1直流稳压电源设计
1.直流稳压电源设计思路
(1)电网供电电压交流220V(有效值)50Hz,要获得低压直流输出,首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
(2)降压后的交流电压,通过整流电路变成单向直流电,但其幅度变化大(即脉动大)。
(3)脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑,脉动小的直流电,即将交流成份滤掉,保留其直流成份。
(4)滤波后的直流电压,再通过稳压电路稳压,便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出,供给负载RL。
2.直流稳压电源原理
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置,它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成,见图1。
图3.4.1直流稳压电源方框图
其中:
(1)电源变压器:
是降压变压器,它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压,并送给整流电路,变压器的变比由变压器的副边电压确定。
(2)整流电路:
利用单向导电元件,把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电
(3)滤波电路:
可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除,从而得到比较平滑的直流电压。
(4)稳压电路:
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定,不随交流电网电压和负载的变化而变化。
整流电路常采用二极管单相全波整流电路,电路如图2所示。
在u2的正半周内,二极管D1、D2导通,D3、D4截止;u2的负半周内,D3、D4导通,D1、D2截止。
正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL,且方向是一致的。
电路的输出波形如图3所示。
(整流电路EWB制图)3.4.2
全波整流电路的波形3.4.3
3.4.4
4.参数的选择与确定
从电路的设计过程来看电路分为三部分:
①正弦波部分②方波部分③三角波部分
1.1方波-三角波
电容C1变化(关键性变化之一)方波的电压Vo1等于电源电压Vcc。
2.1三角波-正弦波
1.三极管的选取
由于我们选取差分放大电路对三角波——正弦波
进行变换,首先要完成的工作是选定三极管,我
们现在选择KSP2222A型的三极管,其静态曲线图
像如右图所示。
根据KSP2222A的静态特性曲线,选取静态
工作区的中心
由直流通路有:
20k
k
因为静态工作点已经确定,所以静态电流变成已知。
根据KVL方程可计算出镜像电流源中各个电阻值的大小:
可得
2.三角波-正弦波部分
比较器A1与积分器A2的元件计算如下。
由式3.1.3得
∵
由输出的三角形幅值与输出方波的幅值分别为20v和10v,有
20=R2*10/(R3+Rp1)
R2/(R3+Rp1)=2
取
=100k
则R3+RP1=50k
取
,RP1为47KΩ的点位器。
区平衡电阻R1=R2//(R3+RP1)3OK
则
≈47k
,
=20K
根据方波的上升时间为两毫秒,查询运算放大器的速度,可以选择74141型号的运放。
由式(3.13)
时,取
,则
,取
,Rp2为100KΩ电位器。
当
时,取
以实现频率波段的转换,R4及RP2的取值不变。
取平衡电阻
。
三角波—>正弦波变换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
,滤波电容
视输出的波形而定,若含高次斜波成分较多,
可取得较小,
一般为几十皮法至0.1微法。
RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联,以减小差分放大器的线性区。
差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线,调整RP4及电阻R*确定。
第五章心得体会
通过对函数信号发生的设计,我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。
而且通过对此课程的设计,我不但知道了以前不知道的理论知识,而且也巩固了以前知道的知识。
最重要的是在实践中理解了书本上的知识,明白了学以致用的真谛。
也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。
他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题,提高我们的动手能力。
在整个设计到电路的焊接以及调试过程中,我个人感觉调试部分是最难的,因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数,我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。
而参数的调试是一个经验的积累过程,没有经验是不可能在短时间内将其完成的,而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧!
所需元件清单
元件名称
单位
个数
直流稳压电源
台
1
.双踪示波器
台
1
万用表
只
1
运放741
片
2
电位器50K
只
2
电位器100K
只
1
电阻100Ω
只
1
电容470μF
只
3
电容10μF
只
1
电容1μF
只
1
电容0.1μF
只
2
电容0.01μF
只
1
参考文献:
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 电函 发生器