函数信号发生器长安大学电工与电子技术课程设计.docx
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函数信号发生器长安大学电工与电子技术课程设计
《电工与电子技术基础》课程设计报告
题目函数信号发生器
学院(部)汽车学院
专业汽车运用工程
班级22020903
学生姓名黄仁林
学号2202090321
06月12日至06月24日共2周
指导教师(签字)
一、任务和要求
1、设计并制作能产生正弦波、矩形波(占空比可调)和锯齿波等多种信号的函数信号发生器。
2、主要技术指标和要求
(1)输出的各种信号波形工作频率范围10Hz~10kHz,连续可调。
(2)输出的各种信号波形幅值0~10V,连续可调。
二、摘要
信号发生器一般能自动产生正弦波、三角波、方波、锯齿波等波形的仪器,故可在设计时先在电路中产生一种信号,然后再通过波形变换使电路能输出其它波形,故能设计许多电路来实现目的。
在设计时,应考虑多种情况(如外界干扰、内部因素)设计一种在现实应用中性能良好,又廉价实用的方案。
采用555定时器,由555产生方波信号,方波经RC积分电路积分后即可得到三角波,再由三角波通过RC积分电路得到正弦波,该方案集成度高,同时产生正弦波的方法简单、易调。
555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路,其应用极为广泛。
它不仅可用于信号的产生和变换,还常用于控制与检测电路中;在本实验中运用555定时器的信号产生功能。
本方案就是利用这种思想设计出的一个低频函数信号发生器。
三、总体设计方案选择及论证
1.信号产生电路
〖方案一〗
由文氏电桥产生正弦振荡,然后通过比较器得到方波,方波积分可得三角波。
这一方案为一开环电路,结构简单,产生的正弦波和方波的波形失真较小。
但是对于三角波的产生则有一定的麻烦,因为题目要求有10倍的频率覆盖系数,然而对于积分器的输入输出关系为:
显然对于10倍的频率变化会有积分时间dt的10倍变化从而导致输出电压振幅的10倍变化。
而这是电路所不希望的。
幅度稳定性难以达到要求。
而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。
〖方案二〗
由矩形波产生电路产生矩形波,在通过积分电路把矩形波转换为锯齿波,再经过差动放大电路将锯齿波转换为正弦波。
该电路的优点是十分明显的:
1线性良好、稳定性好;
2频率易调,在几个数量级的频带范围内,可以方便地连续地改变频率,而且频率改变时,幅度恒定不变;
3不存在如文氏电桥那样的过渡过程,接通电源后会立即产生稳定的波形;
4三角波和方波在半周期内是时间的线性函数,易于变换其他波形。
综合上述分析,我们采用了第二种方案来产生信号。
下面将分析讨论对生成的三角波和方波变换为正弦波的方法。
2.信号变换电路
三角波变为正弦波的方法有多种,但总的看来可以分为两类:
一种是通过滤波器进行“频域”处理,另一种则是通过非线性元件或电路作折线近似变换“时域”处理。
具体有以下几种方案:
〖方案一〗
采用米勒积分法。
设三角波的峰值为
,三角波的傅立叶级数展开:
通过线性积分后:
显见滤波式的优点是不太受输入三角波电平变动的影响,其缺点是输出正弦波幅度会随频率一起变化(随频率的升高而衰减),这对于我们要求的10倍的频率覆盖系数是不合适的。
另外我们在仿真时还发现,这种积分滤波电路存在这较明显的失调,这种失调使输出信号的直流电平不断向某一方向变化。
积分滤波法的失调图(Protel99SESIM99仿真)
而且输出存在直流分量。
〖方案二〗
用正弦波振荡电路的自激振荡。
正弦波振荡电路是用来产生一定频率和幅度的交流信号。
它的频率范围很广,输出的功率可以从几毫瓦到几十千瓦。
常用的正弦振荡电路有LC振荡电路和RC振荡电路两种,其中RC振荡电路多用于小功率和底频率,工业生产上常采用LC振荡电路来输出较大功率和较高频率
输出电压u0经RC串并联电路分压后在RC并联电路上得出反馈电压uf,加在运放的同向输入端,作为他的输入电压,由此得
〖方案三〗
利用差分放大器的差模传输特性。
设差放的集电极电流分别为
和
,输入差模电压为
发射极电流为
则晶体三极管工作在放大区时有:
由下图的传输特性曲线我们可以想象当输入为三角波时输出会得到近似的正弦波。
差放差模传输特性曲线图(Protel99SESIM99仿真)
这种转换方式比较简单,而且频带很宽。
综合上述分析,我们采用了第二种方案来产生信号。
下面将分析讨论对生成的三角波和方波变换为正弦波的方法。
四、设计方案的原理框图、总体电路图、接线图及说明
单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算
1.单元电路设计
(1)矩形波发生电路
如图所示,利用二极管的单向导电性使电容的充电与放电回路不同,使电容的充电与放电时间常数不相等,从而使矩形波的高电平持续时间与低电平持续时间不相等,调节可变电阻RP来改变占空比,而频率和周期不变。
同时利用可变电容Cp,使电容的充电与放电时间常数同时改变,从而实现在占空比不变的条件下调节频率和周期。
接通电源后,它经R1RPR2充电,当uc大于2/3Ucc时,U0为Uol。
这时晶体管T导通电容C通过R2和T放电,Ucc下降。
当Ucc小于1/3Ucc时,U0变为Uoh,这时T截止,Ucc又对电容充电,如此重复过程,U0即为连续的矩形波。
充电电路:
Ucc→R1→Rp→D1→地
放电电路:
Ucc→D2→Rp→R2→T→地
充放电时间分别是:
TP1=0.7R1'CTP2=0.7R2'C
占空比为:
D=TP1/TPI+TP2=R1'/R1'+R2'
周期和频率:
T=0.7(R1+R2+Rp)Cf=1/T
计算:
设定R1=1KR2=1KRp=4kR总=6kR3=2KRf=5K
由于设计要求输出的信号波形频率为10Hz~10KHz,波形幅值0~10V连续可调。
通过计算确定变阻器Rf的值为5V,占空比可调范围17%~85%
(2)三角波发生电路
如图所示,若t=0,uc=0,uo1=Uoh,则电容C2充电;同时uo按线性逐渐下降,最终从Uol跳变为Uoh。
在uo1=Uol后,电容C2开始放电,uo按线性上升,最终从Uol跳变为Uoh,电容C2开始充电,如此周而复始,产生振荡。
积分器的输出Uo2为Uo2=1/(R4+Rw1)C2∫Uo1dt
Uo1=12V时,Uo2=12t/(R4+Rw1)C2
Uo1=0时,Uo2=0
可见积分器的输入为矩形波时,输出是一个上升速率与下降速率相等的锯齿波。
频率f=R2/4R1(R4+Rw1)C2
计算:
R4=1K、C2=0.1uF
通过计算可得Rw1无的阻值变化范围应为0~30K可变
(3)正弦波发生电路
图3
如图3所示,锯齿波到正弦波的变换电路主要由差动放大电路来完成。
差动放大器具有工作点稳定,输入阻值高,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。
波形变换的原理是利用差动放大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
Ic1=αIe1=αIo/(1+e
Ic2=αIe2=αIo/(1+e
式中α=Ic/Ie≈1;
Io——差动放大器的恒定电流;
Ut——温度的电压当量,当室温为25℃时,Ut≈26mA。
又因为Uid为三角波,设表达式为
Uid=4Um(t-T/4)/T,0≤t≤T/2
Uid=-4Um(t-3T/4)/T,T/2≤t≤T
式中Um——三角波幅度;
T——三角波的周期。
则
Ic1=αIo/(1+e0≤t≤T/2
Ic2=αIo/(1+eT/2≤t≤T
2.设计方案的原理框图
矩形波发积分电路差动放大电路
生电路
3.总体电路图
总体波形如下:
4.主要元器件的选择
该电路主要包括LM301集成运算放大器和555定时器构成的多谢振荡器,同时还有若干电容,二极管等。
元器件清单
名称
标号
规格
运放
A1、A2
Default741
电容
Cp
240uF
C1
0.01uF
C3C4C6
400uF
C2、C5
0.1uF
C
0.1uF
二极管
D1、D2
1N4148
稳压管
DW1、DW2
1N4733l
三极管
T1、T2
2N3904
T3、T4
2N2222
电阻
R1、R2、R4
1K
R3R10
2K
R7R8
20k
R5、R6、R11R12
10K
可变电阻Rp、RfRw1、Rw2Rw3
4K、5k.30K、100K100k
555定时器
CB555
5V
直流电源
E1、E2、E3、E4、E5、E6
12V
五、收获与体会、存在的问题
1.收获与体会
通过这次课程设计使我对所需的三部分电路有了进一步的了解和认识,并且清楚了每一部分工作时所需要的条件,也对集成芯片有了初步的认识,虽然在设计中没有使用复杂的芯片,不过还是了解到了像555、8038等芯片的基本知识。
本次绘图用了CAD,期间花费了很长时间,学到了好多绘图方面的知识,这是第一次靠自己去查资料完成的任务,充分的利用了图书馆的资源,并且为以后更复杂的设计打下了基础。
2.存在的问题
在设计中,对各元器件型号的选择还很陌生,无法很顺利地把书中所学电路知识灵活的运用到设计中,尤其是在绘图部分,设计进展的很缓慢。
另外,在完成设计电路时,无法处理由于元器件参数与实际选择之间的关系。
对于参数大小及相互之间的关系掌握不够完整,不够全面。
六、参考文献
1.《电路与模拟电子技术基础.》林涛林薇顾樱华编2004年6月科学出版社
2.《模拟电子技术基础与应用实例》戈素贞杜群羊吴海青等编著2007年2月北京航空航天大学出版社
3.《电子技术试验与课程设计指导模拟电路分册》郭永贞刘勤编2004年10月东南大学出版社
4.《模拟电子技术基础设计仿真编程与实践》李万臣主编2005年5月哈尔滨工程大学出版社
5.《电子电路计算机仿真技术》周常森编著2001年9月山东科学技术出版社
6.《电子元器件选用·使用·检测一本通》孟贵华编著2006年2月中国电力出社
7.梁恩主梁恩维著《Protel99SE电路设计于仿真应用》2000年11月清华大学出版社
最后我们还要特别感谢李三财老师在电路设计阶段给予我们的答疑指导帮助!
七、评语
教师:
年月日
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