模电课程设计函数发生器设计.docx
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模电课程设计函数发生器设计
江汉大学物理与信息工程学院
课程设计报告
课题名称:
方波—三角波—正弦波
函数发生器设计
专业:
电子子信息工程专业
班级:
电信一班
学号:
XXXXXXXXXX
学生姓名:
XX
指导教师:
XX
2012年6月6日
一、函数发生器总方案及原理框图
1、原理框图
2、函数发生器的总方案
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,
由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路,比较器输出的方波经积分器得到三角波,三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。
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时,可以有效地抑制零点漂移,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。
二、设计目的及要求
掌握科研任务的调研方法,熟悉查阅文献资料,学习应用电子电路理论知识进行系统设计方案论证,掌握相关电路的设计和计算方法,完成具体电路的设计和相关计算。
完成对系统所用元器件的挑选和检测,完成电路的焊接组装,完成电路的单元调试。
掌握整机调试方法,掌握相关技术指标的测量方法,研究有关技术指标的调整技术。
三、实验原理
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、方波---三角波转换电路的工作原理
若a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
将上式整理,得比较器翻转的下门限单位Uia-为
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
比较器的门限宽度
由以上公式可得比较器的电压传输特性,如图3-71所示。
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
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:
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。
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、三角波---正弦波转换电路的工作原理
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
如果Uid为三角波,设表达式为
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。
4、电路的参数选择及计算
1.方波-三角波中电容C1变化(关键性变化之一)
实物连线中,我们一开始很长时间出不来波形,后来将C2从10uf(理论时可出来波形)换成0.1uf时,顺利得出波形。
实际上,分析一下便知当C2=10uf时,频率很低,不容易在实际电路中实现。
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(3-61)得
即
取
,则
,取
,RP1为47KΩ的点位器。
区平衡电阻
由式(3-62)
即
当
时,取
,则
,取
,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C6视输出的波形而定,若含高次斜波成分较多,C6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。
5、总电路图
三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路
先通过比较器产生方波,再通过积分器产生三角波,最后通过差分放大器形成正弦波。
四、电路仿真
方波---三角波发生电路的仿真
五、电路的安装与调试
1、方波---三角波发生电路的安装与调试
(1)安装方波——三角波产生电路
1.把两块741集成块插入面包板,注意布局;
2.分别把各电阻放入适当位置,尤其注意电位器的接法;
3.按图接线,注意直流源的正负及接地端。
(2)调试方波——三角波产生电路
1.接入电源后,用示波器进行双踪观察;
2.调节RP1,使三角波的幅值满足指标要求;
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部按装。
2、三角波---正弦波转换电路的安装与调试
(1)安装三角波——正弦波变换电路
1.在面包板上接入差分放大电路,注意三极管的各管脚的接线;
2.搭生成直流源电路,注意R*的阻值选取;
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。
(2)调试三角波——正弦波变换电路
1.接入直流源后,把C4接地,利用万用表测试差分放大电路的静态工作点;
2.测试V1、V2的电容值,当不相等时调节RP4使其相等;
3.测试V3、V4的电容值,使其满足实验要求;
4.在C4端接入信号源,利用示波器观察,逐渐增大输入电压,当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压;
3、三角波---正弦波变换电路的装调
按照相应电路,装调三角波—正弦波变换电路,其中差分发大电路可利用课题三设计完成的电路。
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*,是传输特性曲线对称。
在逐渐增大Uid。
直到传输特性曲线形状入图3—73所示,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的波形出现如图3—76所示的几种正弦波失真,则应调节和改善参数,产生是真的原因及采取的措施有;
1)钟形失真如图(a)所示,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如图(b)所示,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)非线性失真如图(C)所示,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。
(3)性能指标测量与误差分析
1)放波输出电压Up—p《=2Vcc是因为运放输出极有PNP型两种晶体组成复合互补对称电路,输出方波时,两管轮流截止与饮和导通,由于导通时输出电阻的影响,使方波输出度小于电源电压值。
2)方波的上升时间T,主要受预算放大器的限制。
如果输出频率的限制。
可接俄加速电容C1,一般取C1为几十皮法。
用示波器或脉冲示波器测量T
4、总电路的安装与调试
1.把两部分的电路接好,进行整体测试、观察
2.针对各阶段出现的问题,逐各排查校验,使其满足实验要求,即使正弦波的峰峰值大于1V。
六、路的实验结果
1、方波---三角波发生电路的实验结果
C=0.01uffmin=4138HZfmax=8333HZ
C=0.1uffmin=198HZfmax=1800HZ
C=1uffmin=28HZfmax=207HZ
2、三角波---正弦波转换电路的实验结果
R=15KΩ
Vc1=Vc2=5.530V
Vc3=-0.6218V
Vc4=-10.307V
Ic1=Ic2=0.6813mA
验结果分析
模拟仿真(R*=13K)Vc1=Vc2=4.358V
Vc3=-0.831V
Vc4=-9.028V
Ic1=Ic2=0.5368mA
3、实测电路波形、误差分析及改进方法
将C6替换为由两个.1uF串联或直接拿掉,
C1=0.1uFU=54mvUo=2.7v>1v
C1=0.01uFU=54mvUo=2.8v>1v
Xc=1/W*C,当输出波形为高频时,若电容C6较大,则Xc很小,高频信号完全被吞并,无法显示出来。
七、仪器仪表清单
设计所用仪器及器件
1.实验箱1台
2.双踪示波器1台
3.三极管3只
4.导线若干
参考文献:
康华光主编电子技术基础-模拟部分(第五版)高等教育出版社2005
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- 课程设计 函数 发生器 设计