函數發(fā)生器的設計------模擬電子技術課程設計

1、模 擬 電 子 技 術 課 程 設 計學院：機電工程學院學院：機電工程學院指導老師：田莉指導老師：田莉課程設計題目課程設計題目 ：函數發(fā)生器的設計：函數發(fā)生器的設計完完 成成 時時 間：間： 2013年年6月月3日日實驗目的一 設計任務1-1實驗目的 通過本課題設計，要求掌握方波，三角波，正弦波函數發(fā)生器的設計方法與調試技術。學會安裝與調試由多級單元電路組成的電子線路，學會使用集成函數發(fā)生器。1-2設計任務 設計課題：方波-三角波-正弦波發(fā)生器1-3主要技術指標 頻 率 范 圍： 10HZ-100HZ,100HZ-1KHZ,1KHZ-10KHZ. 頻率控制方式： 通過改變RC時間常數手控信號頻

2、率。通過改變控制電壓Uc實現壓控頻率。輸 出 電 壓： 正弦波 Upp=3V 幅度連續(xù)可調 三角波 Upp=5V 幅度連續(xù)可調 方 波 Upp=14V 幅度連續(xù)可調波 形 特 性： 方波上升時間小于2 S； 三角波非線性失真小于1%； 正弦波諧波失真小于3%；日期 地點二二 函數發(fā)生器函數發(fā)生器設計設計的總方案及原理圖的總方案及原理圖2-1 函數發(fā)生器的總方案函數發(fā)生器的總方案 本課題采用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波本課題采用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波三角波正弦波函數發(fā)生器的設計方法。正弦波函數發(fā)生器的設計方法。產生正弦波、方波、三角波的方案有多

3、種，本課題采用先產生方波產生正弦波、方波、三角波的方案有多種，本課題采用先產生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法。三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法。2-2本課題中函數發(fā)生器電路組成框圖如下所示：本課題中函數發(fā)生器電路組成框圖如下所示：由比較器和積分器組成方波由比較器和積分器組成方波三角波產生電路，比較器輸出的方波經三角波產生電路，比較器輸出的方波經積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，

4、抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。器傳輸特性曲線的非線性。日期 地點3-1 方波發(fā)生電路的工作原理方波發(fā)生電路的工作原理 此電路由反相輸入的滯回比較器和此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網絡，通過又作為反饋網絡，通過RC充、放電實現輸出狀態(tài)的自動轉換。設某一時充、放電實現輸出狀態(tài)

5、的自動轉換。設某一時刻輸出電壓刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過通過R3對電容對電容C正向充正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間隨時間t的增長而逐漸增高，的增長而逐漸增高，當當t趨于無窮時，趨于無窮時，Un趨于趨于+Uz；但是，一旦；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，再稍增大，Uo從從+Uz躍躍變?yōu)樽優(yōu)?Uz,與此同時與此同時Up從從+Ut躍變?yōu)檐S變?yōu)?Ut。隨后，。隨后，Uo又通過又通過R3對電容對電容C反向充反向充電，如圖中虛線箭頭所示。電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時間逐漸增長而減低，當隨時

6、間逐漸增長而減低，當t趨于無窮大時，趨于無窮大時，Un趨于趨于-Uz；但是，一旦；但是，一旦Un=-Ut,再減小，再減小，Uo就從就從-Uz躍變?yōu)檐S變?yōu)?Uz，Up從從-Ut躍變?yōu)檐S變?yōu)?Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產生了自激，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產生了自激振蕩。振蕩。三三 各單元電路及其各單元電路及其原理原理日期 地點3-2 方波-三角波轉換電路的工作原理R112354U1R2R3 50%Rp1R4 50%Rp212354U2C1R17工作原理工作原理如下：工作原理如下：若若a點斷開，運算發(fā)大器點斷開，運算發(fā)大器A1與與R1、R2及及R3、RP1組成

7、電壓比較器，組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉。運為加速電容，可加速比較器的翻轉。運放的反相端接基準電壓，即放的反相端接基準電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平的高電平等于正電源電壓等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負電源電壓，低電平等于負電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當比較器的當比較器的U+=U-=0時，比較器翻轉，時，比較器翻轉，輸出輸出Uo1從高電平跳到低電平從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平或者從低電平Vee跳到高電平跳到高電平Vcc。設。設U

8、o1=+Vcc,則則 將上式整理，得比較器翻轉的下門限單位將上式整理，得比較器翻轉的下門限單位Uia-為為 若若Uo1=-Vee,則比較器翻轉的上門限電位則比較器翻轉的上門限電位Uia+為為 比較器的門限寬度比較器的門限寬度 由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3-71所示。所示。a點斷開后，運放點斷開后，運放A2與與R4、RP2、C2及及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出，則積分器的輸出Uo2為為 時，時， 時，時， 可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關

9、系下圖所示?？梢姺e分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關系下圖所示。a點閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產生方波點閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產生方波-三角波。三角波的幅度為三角波。三角波的幅度為 方波方波-三角波的頻率三角波的頻率f為為 由以上兩式可以得到以下結論：由以上兩式可以得到以下結論：電位器電位器RP2在調整方波在調整方波-三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，改變頻率的范圍，PR

10、2實現頻率微調。實現頻率微調。方波的輸出幅度應等于電源電壓方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。電位器電位器RP1可實現幅度微調，但會影響方波可實現幅度微調，但會影響方波-三角波的頻率。三角波的頻率。日期 地點3-3 3-3 三角波三角波-正弦波轉換電路的工作原理正弦波轉換電路的工作原理 日期 地點三角波三角波正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。 差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強

11、等優(yōu)點。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形放大器，可以有效的抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達式為：達式為： 式中式中 差分放大器的恒定電流；差分放大器的恒定電流；溫度的電壓當量，當室溫為溫度的電壓當量，當室溫為25oc時，時，UT26mV。如果如果Uid為三角波，設表達式為為三角波，設表達式為 式中式中Um三角波的幅度；三角波的幅度； T三角波的周期。三角波的周期。為使

12、輸出波形更接近正弦波，由圖可見：為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；三角波的幅度三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。圖為實現三角波圖為實現三角波正弦波變換的電路。其中正弦波變換的電路。其中Rp1調節(jié)三角波的幅度，調節(jié)三角波的幅度，Rp2調整電路的調整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1,C2,C3為隔直電容，為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。為濾波電容，以濾除諧波分量，改善

13、輸出波形。日期 地點C4-12VVCCR5R6R7R8R9R11-12VVCCR12 50%R13C5C2R14IO2 三角波正弦波變換電路日期 地點三角波-正弦波變換日期 地點3-4電路的參數選擇及計算1.方波方波-三角波中電容三角波中電容C1變化（關鍵性變化之一）變化（關鍵性變化之一）實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，后來將實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，后來將C2從從10uf（理論時可出來波（理論時可出來波形）換成形）換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當C2=10uf時，頻率很低，時，頻率很低，不容易在實際電路中

14、實現。不容易在實際電路中實現。2.三角波三角波-正弦波部分正弦波部分比較器比較器A1與積分器與積分器A2的元件計算如下。的元件計算如下。由式（由式（3-61）得）得 即即 取取 ，則，則 ，取，取 ，RP1為為47K的電位器。區(qū)平衡電阻的電位器。區(qū)平衡電阻 由式（由式（3-62） 即即 當當 時，取時，取 ，則，則 ，取，取 ，為，為100K電位器。當電位器。當 時時 ，取，取 以實現頻率波段的轉換，以實現頻率波段的轉換，R4及及RP2的取值不變。取平衡電阻的取值不變。取平衡電阻 。三角波三角波正弦波變換電路的參數選擇原則是：隔直電容正弦波變換電路的參數選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取

15、得較大，因要取得較大，因為輸出頻率很低，取為輸出頻率很低，取 ，濾波電容，濾波電容 視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多， 可可取得較小，取得較小， 一般為幾十皮法至一般為幾十皮法至0.1微法。微法。RE2=100歐與歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調整分放大器的線性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調整RP4及電阻及電阻R*確定。確定。日期 地點3.5 總電路圖日期 地點四 電路仿真結果圖圖1：輸出方波波形：輸出方波波形圖圖2:輸出三角波波形

16、輸出三角波波形圖圖3：輸出方波：輸出方波三角波波形三角波波形日期 地點4-2 三角波-正弦波轉換電路的仿真日期 地點五 電路可能出現的故障及排除方法5-1方波方波-三角波發(fā)生器的裝調三角波發(fā)生器的裝調由于比較器由于比較器A1與積分器與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時輸出組成正反饋閉環(huán)電路，同時輸出方波與三角波，這兩個單元電路可以同時安裝。需要注意方波與三角波，這兩個單元電路可以同時安裝。需要注意的是，安裝電位器的是，安裝電位器RP1與與RP2之前，要先將其調整到設計值，之前，要先將其調整到設計值，如設計舉例題中，應先使如設計舉例題中，應先使RP1=10K,RP2?。ㄈ。?.5-70）K內內的

17、任一值的任一值,否則電路可能會不起振。只要電路接線正確，否則電路可能會不起振。只要電路接線正確，上電后，上電后，UO1的輸出為方波，的輸出為方波，UO2的輸出為三角波，微調的輸出為三角波，微調RP1,使三角波的輸出幅度滿足設計指標要求有，調節(jié)使三角波的輸出幅度滿足設計指標要求有，調節(jié)RP2，則，則輸出頻率在對應波段內連續(xù)可變。輸出頻率在對應波段內連續(xù)可變。日期 地點 按照圖所示電路，裝調三角波正弦波變換電路，其中差分發(fā)大電路可利用課題三設計完成的電路。電路的 調試步驟如下。（1）經電容C5輸入差摸信號電壓Uid=50v，Fi =100Hz正弦波。調節(jié)R8及電阻R*,是傳輸特性曲線對稱。在逐漸增

18、大Uid。記下次時對應的 Uid即Uidm值。移去信號源，再將C5左段接地，測量差份放大器的 靜態(tài)工作點I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.(2) R8與C5連接，調節(jié)R8使三角波輸出幅度經R8等于Uidm值，這時Uo3的 輸出波形應接近正弦波，調節(jié)C3大小可改善輸出波形。如果Uo3的 波形出現幾種正弦波失真，則應調節(jié)和改善參數，產生失真的原因及采取的措施有；1）鐘形失真 ，傳輸特性曲線的 線性區(qū)太寬，應減小R16。 2）半波圓定或平頂失真 ，特性曲線對稱性差，工作點Q偏上或偏下，應調整電阻R*.3）非線性失真，三角波傳輸特性區(qū)線性度 差引起的失真，主要是受到運放的影響。可在輸出端加濾波網絡改善輸出波形。（3）性能指標測量與誤差分析 1）放波輸出電壓Upp=2Vcc是因為運放輸出極有PNP型兩種晶體組成復合互補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飲和導通，由于導通時輸出電阻的影響，使方波輸出度小于電源電壓值。2）方波的上升時間T，主要受預算放大器的限制?？山蛹铀匐娙軨1，一般取C1為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測量T 5-2三角波-正弦波變換電路的裝調日期 地點六 電路的仿真結果日期 地點6-2 三角波-正弦波轉換電路的實驗結果日期 地點七 本實驗的心得體會 通過最初的題目的選擇，資料的收集，實驗原理的確通過最初的題目的選擇，資料的收集