函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

1、.函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)一、 函數(shù)發(fā)生器的基本原理函數(shù)發(fā)生器是能產(chǎn)生多種波形的信號(hào)發(fā)生器如產(chǎn)生正弦波三角波方波鋸齒波階梯波和調(diào)頻調(diào)幅等調(diào)制波形一般至少要求產(chǎn)生三角波方波和正弦波產(chǎn)生各種信號(hào)波形的方法很多,其電路主要由振蕩器波形變換器和輸出電路三個(gè)部分組成如下圖振蕩電路主要產(chǎn)生具有一定頻率要求的信號(hào)它決定了函數(shù)發(fā)生器的輸出信號(hào)的頻率調(diào)節(jié)范圍調(diào)節(jié)方式和頻率的穩(wěn)定度;在要求不高的場(chǎng)合,電路往往以需要產(chǎn)生的波形中的一種信號(hào)作為振蕩信號(hào)常用的振蕩器有脈沖振蕩器和正弦波振蕩器該部分主要考慮信號(hào)頻率調(diào)節(jié)范圍和頻率的穩(wěn)定度波形變換器功能是對(duì)振蕩源產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行變換和處理,形成各種所需的信號(hào)波形重點(diǎn)考慮波形的失真問(wèn)

2、題,通過(guò)采取各種措施盡可能使波形失真減少輸出電路是對(duì)各路波形信號(hào)進(jìn)行幅度均衡和切換,并完成信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)功能;重點(diǎn)考慮輸出端的特性,如輸出波形的最大幅值輸出功率和輸出阻抗等二、 單元電路設(shè)計(jì)1振蕩電路振蕩器形式很多,主要有正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩類;正弦波振蕩器的電路形式較多,有LC振蕩器橋式振蕩器RC移相振蕩器等LC振蕩器一般用于高頻電路,而橋式振蕩器和RC移相振蕩器通常用于低頻電路其特點(diǎn)是產(chǎn)生的正弦波的波形一般比較好,但頻率調(diào)節(jié)范圍比較小,幅度受頻率變化的影響較大非正弦波振蕩器產(chǎn)生的是脈沖波,電路形式更多,簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn),一般用RC充放電特性形成振蕩;往往同時(shí)能產(chǎn)生鋸齒波或三角波,頻率

3、調(diào)節(jié)范圍寬,幅度較穩(wěn)定1)方案選擇方案一:利用集成運(yùn)算放大電路也可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生方波和三角波的信號(hào)發(fā)生器,電路主要由比較器和積分器構(gòu)成下圖是由RC無(wú)源積分器和比較器所組成的三角波方波產(chǎn)生電路,它的特點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單,但性能較差,尤其是三角波的線性度和負(fù)載能力差所以這種電路一般用于要求不高的場(chǎng)合三角波方波產(chǎn)生電路之一電路中,集成運(yùn)算放大器由電阻R1R2連接構(gòu)成遲滯比較器,它形成的兩個(gè)門限比較電壓為:上限電壓:下限電壓:其中,Vz=VWZ+VDVWZ和VD分別為穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值和正向?qū)妷悍e分器和遲滯比較器構(gòu)成振蕩電路設(shè)開(kāi)始時(shí)Vo=+Vz,此時(shí),集成運(yùn)算放大器正輸入端的電壓為VT+;Vo電壓通過(guò)R對(duì)C充

4、電,Vc上升直到VT+,比較器翻轉(zhuǎn),Vo變?yōu)?Vz,集成運(yùn)算放大器正輸入端的電壓也變?yōu)閂T-,C通過(guò)R放電至VT-后比較器又翻轉(zhuǎn),如此往復(fù)振蕩下去這樣VO輸出為方波,VC輸出為近似三角波波形如圖由RC無(wú)源積分器振蕩電路的信號(hào)波形由于三角波是電容C的充放電形成,電容的充放電是按指數(shù)規(guī)律變化的,并不是線性,所以三角波的線形不好要獲得比較好的三角波,時(shí)間常數(shù)RC必須取得很大,這樣振蕩頻率將變得很低,如果要保證信號(hào)的頻率,必須增大R1減少R2,三角波的峰值將變得比較小,一般取VOM0.2VZ方案二:如下圖所示,電路采用有源積分器可有效解決三角波形線性不好的問(wèn)題,故設(shè)計(jì)時(shí)選用該方案三角波方波產(chǎn)生電路之二

5、電路中,有源積分器由運(yùn)算放大器2A及其外圍電路積分電容C和電阻R5R7組成有源積分器的輸出通過(guò)R1接至比較器1A的正輸入端,積分器的輸入電壓由電位器分壓取出,設(shè)RW與R6形成的分壓系數(shù)為aw,則積分器的輸入電壓為Vi=±awVz分壓系數(shù)aw為: 即積分器的輸入電壓Vi的峰值電壓通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RW,可從到VZ可調(diào)設(shè)某時(shí)刻比較器輸出VOZ=VZ,積分器的輸入電壓為+awVz通過(guò)積分器積分使得VOS下降,比較器的正端輸入電壓Vi+跟隨下降當(dāng)Vi+電壓下降超過(guò)0V時(shí),比較器將翻轉(zhuǎn)VOZ=-VZ,Vi+突然變?yōu)樨?fù)電壓,此時(shí)為VOS的負(fù)峰電壓-VOSMVOSM的值為:比較器輸出電壓VOZ=-VZ

6、又通過(guò)積分器使得VOS上升,當(dāng)Vi+電壓上升超過(guò)0V時(shí),比較器又將翻轉(zhuǎn)為VOZ=VZ,重復(fù)下一次的振蕩此時(shí)VOS為正峰電壓+VOSM振蕩器輸出VOZ為方波,峰值為穩(wěn)壓二極管所限定的電壓VZ,VOS為三角波的輸出電壓,VOSM為三角波的峰值振蕩器的波形如圖RC有源積分器振蕩電路的信號(hào)波形在VOZ=-VZ期間(為振蕩半周期T/2),積分器的積分時(shí)間常數(shù)約為,輸出電壓VOS:可見(jiàn),VOS對(duì)時(shí)間為線性當(dāng)VOZ由-VZ變?yōu)閂Z時(shí),VOS=VOSM,則振蕩頻率f為:代入,并整理得頻率為:可見(jiàn)改變aWw可改變頻率,RW為頻率調(diào)節(jié)電位器改變電容C也可調(diào)節(jié)頻率,通過(guò)開(kāi)關(guān),以10倍地切換容量可獲得10倍的頻率檔位

7、擴(kuò)展2)電路設(shè)計(jì)及參數(shù)估算根據(jù)輸出口的信號(hào)幅度要求,可得最大的信號(hào)幅度輸出為:VM=5/2+3=5.5V采用對(duì)稱雙電源工作(±VCC),電源電壓選擇為:VCCVM+2V=7.5V 取VCC=9V選取3.3V的穩(wěn)壓二極管,工作電流取5mA,則: VZ=VDZ+VD=3.3+0.7=4V 為方波輸出的峰值電壓 取680 取8.2KR1=R2/3=8.2/1.5=5.47(K) 取5.1K三角波輸出的電壓峰值為:VOSM=VZR1/R2=4×5.1/8.2=2.489(V)R4=R1R2=3.14 K取3K取10KR6=RW/9=10/9=1.11(K) 取1K積分時(shí)間常數(shù):取C

8、=0.1uF,則:R5=4.019/0.1=40.19K取39K取R7=R5= 39K轉(zhuǎn)換速率一般的集成運(yùn)算放大電路都能滿足要求3)電路調(diào)試1. 接入電源后,用示波器進(jìn)行雙蹤觀察;2. 調(diào)節(jié)RP1,使三角波的幅值滿足指標(biāo)要求;3. 調(diào)節(jié)RP2,微調(diào)波形的頻率;4. 觀察示波器,各指標(biāo)達(dá)到要求后進(jìn)行下一部按裝 1. 把兩塊741集成塊插入面包板,注意布局;2. 分別把各電阻放入適當(dāng)位置,尤其注意電位器的接法; 3. 按圖接線,注意直流源的正負(fù)及接地端2波形變換電路利用二極管將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波上圖是利用二極管的非線性將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波的一種簡(jiǎn)單方案圖中采用兩級(jí)二極管轉(zhuǎn)換,構(gòu)成兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的三段折

9、線逼近正弦波電路隨著三角波輸入電壓增大,二極管逐級(jí)導(dǎo)通,等效的負(fù)反饋電阻逐級(jí)變小,放大倍數(shù)變小調(diào)節(jié)三角波的輸入幅度,使輸出正弦波的失真最小即可三角波的輸入幅度約為2 V,輸出正弦波的幅度約為1.5 V3輸出電路1)電路原理正弦波三角波方波三路信號(hào)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)切換到放大電路的輸入端選擇其中一路信號(hào)進(jìn)行輸出由于三路信號(hào)的幅度不一致,開(kāi)關(guān)切換波形時(shí)會(huì)產(chǎn)生幅度跳變,且進(jìn)行幅度調(diào)節(jié)時(shí),幅度的變化不同步必須對(duì)三路信號(hào)幅度進(jìn)行平衡以其中一路信號(hào)(幅度最小的一路)作為基準(zhǔn),利用電位器RW1RW2調(diào)節(jié)另外兩路信號(hào)的幅度,使三路信號(hào)在幅度調(diào)節(jié)電位器RW3上產(chǎn)生的幅度相等R2R3和集成運(yùn)算放大器U形成信號(hào)的放大電路,對(duì)

10、信號(hào)進(jìn)行放大,電位器RW3用于調(diào)節(jié)信號(hào)的輸出幅度 RW4R4R5用于調(diào)節(jié)輸出的直流電平大小,直流電平由R6疊加到運(yùn)算放大電路的輸入端經(jīng)放大后輸出R8形成所要求的輸出電阻,同時(shí)保護(hù)輸出端短路損壞集成電路2)電路設(shè)計(jì)及參數(shù)估算(1)輸入回路元件參數(shù)各個(gè)波形信號(hào)統(tǒng)一的最大輸入電壓:電阻R1電位器RW3的取值不能太大,也不能太小取值太大,由于各種雜散因素的影響,會(huì)使信號(hào)的質(zhì)量下降取值太小又可能使輸入信號(hào)過(guò)載,信號(hào)幅度下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使信號(hào)失真電位器的取值范圍一般在1K10K之間R1的取值由輸入信號(hào)的負(fù)載特性決定,當(dāng)輸入信號(hào)的內(nèi)阻較小時(shí)可取得較小,也可以短路一般情況下在幾百歐姆到幾千歐姆之間取值電路中,選

11、取R1=X K電位器RW3取X K選取RW1RW2的標(biāo)稱值為使用值的兩倍左右即可(2)放大電路元件參數(shù)輸入電阻R2=(310)RW3則由放大倍數(shù)得R3為:R8根據(jù)輸出電阻要求來(lái)選取(3)直流調(diào)節(jié)電路參數(shù)取電路的直流放大倍數(shù)為1,有R6=R3,采用正負(fù)對(duì)稱電源時(shí)R4=R5設(shè)輸出直流電壓最大調(diào)節(jié)范圍是-V-+V-,則要求RW4的電壓調(diào)節(jié)范圍:若R6=R3,有-V-+V-取分壓電路的工作電流為I,I同時(shí)要滿足: 否則,輸入回路將對(duì)分壓電路產(chǎn)生影響R4R5RW4的取值由下式確定R7為平衡電阻,其值為:R7R2R3R6,考慮電位器RW3RW4的影響,取值稍大一些3)電路調(diào)試1. 接入直流源后,把C4接地,利用萬(wàn)用表測(cè)試差分放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn);2. 測(cè)試V1V2的電容值,當(dāng)不相等時(shí)調(diào)節(jié)RP4使其相等;3. 測(cè)試V3V4的電容值,使其滿足實(shí)驗(yàn)要求;4. 在C4端接入信號(hào)源,利用示波器觀察,逐漸增大輸入電壓,當(dāng)輸出波形剛好不失真時(shí)記入其最大不失真電壓;三、 整機(jī)電路調(diào)試1. 把兩部分的電路接好,進(jìn)行整體測(cè)試觀察2. 針對(duì)各階段出現(xiàn)的問(wèn)題,逐各排查校驗(yàn),使其滿足實(shí)驗(yàn)要求,即使正弦波的峰峰值大于1V儀器儀表清單設(shè)計(jì)所用儀器及器件1.直流穩(wěn)壓電源 1臺(tái)2.雙蹤示波器 1臺(tái)3.