低頻函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計實驗報告

1、.實驗報告課程名稱： 電子系統(tǒng)綜合設(shè)計 指導(dǎo)老師： 周箭 成績： 實驗名稱：低頻函數(shù)信號發(fā)生器（預(yù)習(xí)報告）實驗類型： 同組學(xué)生姓名： 一、 課題名稱低頻函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計二、 性能指標(biāo)（1） 同時輸出三種波形：方波，三角波，正弦波；（2） 頻率范圍：10Hz10KHz；（3） 頻率穩(wěn)定性：；（4） 頻率控制方式： 改變RC時間常數(shù)； 改變控制電壓V1實現(xiàn)壓控頻率，常用于自控方式，即F=f（V1），（V1=110V）； 分為10Hz100Hz，100Hz1KHz，1KHz10KHz三段控制。（5） 波形精度：方波上升下降沿均小于2s，三角波線性度/Vom<1%，正弦波失真度；（6） 輸出方

2、式：a) 做電壓源輸出時輸出電壓幅度連續(xù)可調(diào)，最大輸出電壓不小于20V負(fù)載RL=1001K時，輸出電壓相對變化率VO/VO<1%b) 做電流源輸出時輸出電流幅度連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流不小于200mA負(fù)載RL=090時，輸出電流相對變化率IO/IO<1%c) 做功率源輸出時最大輸出功率大于1W（RL=50，VO>7V有效值）具有輸出過載保護(hù)功能三、 方案設(shè)計根據(jù)實驗任務(wù)的要求，對信號產(chǎn)生部分，一般可采用多種實現(xiàn)方案：如模擬電路實現(xiàn)方案、數(shù)字電路實現(xiàn)方案、模數(shù)結(jié)合的實現(xiàn)方案等。數(shù)字電路的實現(xiàn)方案一般可事先在存儲器里存儲好函數(shù)信號波形，再用D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行逐點恢復(fù)。這種方案的波形精

3、度主要取決于函數(shù)信號波形的存儲點數(shù)、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度、以及整個電路的時序處理等。其信號頻率的高低，是通過改變D/A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的速率來實現(xiàn)的。數(shù)字電路的實現(xiàn)方案在信號頻率較低時，具有較好的波形質(zhì)量。隨著信號頻率的提高，需要提高數(shù)字量輸入的速率，或減少波形點數(shù)。波形點數(shù)的減少，將直接影響函數(shù)信號波形的質(zhì)量，而數(shù)字量輸入速率的提高也是有限的。因此，該方案比較適合低頻信號，而較難產(chǎn)生高頻（如>1MHz）信號。模數(shù)結(jié)合的實現(xiàn)方案一般是用模擬電路產(chǎn)生函數(shù)信號波形，而用數(shù)字方式改變信號的頻率和幅度。如采用D/A轉(zhuǎn)換器與壓控電路改變信號的頻率，用數(shù)控放大器或數(shù)控衰減器改變信號的幅度等，是一種

4、常見的電路方式。 模擬電路的實現(xiàn)方案是指全部采用模擬電路的方式，以實現(xiàn)信號產(chǎn)生電路的所有功能。由于教學(xué)安排及課程進(jìn)度的限制，本實驗的信號產(chǎn)生電路，推薦采用全模擬電路的實現(xiàn)方案。模擬電路的實現(xiàn)方案有幾種：用正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號，然后用過零比較器產(chǎn)生方波，再經(jīng)過積分電路產(chǎn)生三角波。但要通過積分器電路產(chǎn)生同步的三角波信號，存在較大的難度。原因是積分電路的積分時間常數(shù)通常是不變的，而隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度將同時改變。若要保持三角波輸出幅度不變，則必須同時改變積分時間常數(shù)的大小，要實現(xiàn)這種同時改變電路參數(shù)的要求，實際上是非常困難的。 由三角波、方波發(fā)生器產(chǎn)生三角波和方波信

5、號，然后通過函數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將三角波信號轉(zhuǎn)換成正弦波信號，該電路方式也是本實驗信號產(chǎn)生部分的推薦方案。這種電路在一定的頻率范圍內(nèi)，具有良好的三角波和方波信號。而正弦波信號的波形質(zhì)量，與函數(shù)轉(zhuǎn)換電路的形式有關(guān)，這將在后面的單元電路分析中詳細(xì)介紹。 四、 單元電路分析1、 三角波，方波發(fā)生器由于比較器+RC電路的輸出會導(dǎo)致VC線性度變差，故采用另一種比較器+積分器的方式 積分器 同相滯回比較器 由積分器A1與滯回比較器A2等組成的三角波、方波發(fā)生器電路如圖所示。在一般使用情況下，V+1和V-2都接地。只有在方波的占空比不為50%，或三角波的正負(fù)幅度不對稱時，可通過改變V+1和V-2的大小和方向加以調(diào)

6、整。合上電源瞬間， 假定比較器輸出為低電平，vO2=VOL=-VZ。積分器作正方向積分，vO1線性上升，vp隨著上升，當(dāng)vp>0時，即vo1R2/R3*,比較器翻轉(zhuǎn)為高電平，vO2=VOH=+VZ。積分器又開始作負(fù)方向積分，vO1線性下降，vp隨著下降，當(dāng)vp<0時，即vo1R2/R3*,比較器翻轉(zhuǎn)為低電平，vO2=VOH=-VZ。取C三種值:0.1uF 對應(yīng)10-100Hz； 0.01uF 對應(yīng)100-1kHz； 0.001uF 對應(yīng)1k-10kHz 。調(diào)節(jié)R23的比值可調(diào)節(jié)幅度，再調(diào)節(jié)R，可調(diào)節(jié)頻率大小。2、 正弦波轉(zhuǎn)換電路常用方法有使用傅里葉展開的濾波法，使用冪級數(shù)展開的運算

7、法，和轉(zhuǎn)變傳輸比例的折線法。但前二者由于其固有的缺陷：使用頻率小，難以用電子電路實現(xiàn)的原因，在本實驗中舍棄，而采取最普遍的折線法。折線法是一種使用最為普遍、實現(xiàn)也較簡單的正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換方法。折線法的轉(zhuǎn)換原理是，根據(jù)輸入三角波的電壓幅度，不斷改變函數(shù)轉(zhuǎn)換電路的傳輸比率，也就是用多段折線組成的電壓傳輸特性，實現(xiàn)三角函數(shù)到正弦函數(shù)的逼近，輸出近似的正弦電壓波形。由于電子器件（如半導(dǎo)體二極管等）特性的理想性，使各段折線的交界處產(chǎn)生了鈍化效果。因此，用折線法實現(xiàn)的正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換電路，實際效果往往要優(yōu)于理論分析結(jié)果。用折線法實現(xiàn)正弦函數(shù)的轉(zhuǎn)換，可采用無源和有源轉(zhuǎn)換電路形式。無源正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換電路，是指僅使用二極

8、管和電阻等組成的轉(zhuǎn)換電路。根據(jù)輸入三角波電壓的幅度，不斷增加（或減少）二極管通路以改變轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的衰減比，輸出近似的正弦電壓波形。有源正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換電路除二極管、電阻網(wǎng)絡(luò)外，還包括放大環(huán)節(jié)。也是根據(jù)輸入三角波電壓的幅度，不斷增加（或減少）網(wǎng)絡(luò)通路以改變轉(zhuǎn)換電路的放大倍數(shù)，輸出近似的正弦電壓波形。有源正弦函數(shù) 若設(shè)正弦波在過零點處的斜率與三角波斜率相同，即 則有 ，由此，可推斷出各斷點上應(yīng)校正到的電平值： 方案一，使用二極管控制形成比例放大器，使得運放在不同時間段有不同的比例系數(shù)方案二，用二極管網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)逐段校正，運放A組成跟隨器，作為函數(shù)轉(zhuǎn)換器與輸出負(fù)載之間的隔離（或稱為緩沖級）。當(dāng)輸入三角波在T

9、/2 內(nèi)設(shè)置六個斷點以進(jìn)行七段校正后，可得到正弦波的非線性失真度大致在1.8 % 以內(nèi)， 若將斷點數(shù)增加到12 個時，正弦波的非線性失真度可在0.8 %以內(nèi)。3 輸出級電路 根據(jù)不同負(fù)載的要求，輸出級電路可能有三種不同的方式。 (1)電壓源輸出方式 電壓源輸出方式下，負(fù)載電阻RL通常較大，即負(fù)載對輸出電流往往不提出什么要求， 僅要求有一定的輸出電壓。同時，當(dāng)負(fù)載變動時，還要求輸出電壓的變化要小，即要求輸出級電路的輸出電阻RO足夠小。為此，必須引入電壓負(fù)反饋圖（a）電路的最大輸出電壓受到運放供電電壓值的限制，如運放的VCC 和VEE 分別為±15V時，則VOPP =±(12

10、14)V。若要求有更大的輸出電壓幅度，必須采用電壓擴展電路，如圖12（b）所示。(2) 電流源輸出方式在電流源輸出方式下，負(fù)載希望得到一定的信號電流，而往往并不提出對輸出信號電壓的要求。同時，當(dāng)負(fù)載變動時，還要求輸出電流基本恒定，即要求有足夠大的輸出電阻Ro。為此，需引入電流負(fù)反饋。圖（a）電路的最大輸出電壓受到運放供電電壓值的限制，如運放的VCC 和VEE 分別為±15V時，則VOPP =±(12 14)V。若要求有更大的輸出電壓幅度，必須采用電壓擴展電路，如圖（b）所示。圖（a）為一次擴流電路， T1 和T2 組成互補對稱輸出。運放的輸出電流IA中的大部分將作為T1 、

11、T2 的基極電流，所以IO = IA 。 圖（b）為二次擴流電路，用于要求負(fù)載電流IO 較大的場合。復(fù)合管T1、T2和T3、T4 組成準(zhǔn)互補對稱輸出電路。 (3) 功率輸出方式 在功率輸出方式下，負(fù)載要求得到一定的信號功率。由于晶體管放大電路電源電壓較低，為得到一定的信號功率，通常需配接阻值較小的負(fù)載。電路通常接成電壓負(fù)反饋形式。如用運放作為前置放大級，還必須進(jìn)行擴流。當(dāng)RL較大時，為滿足所要求的輸出功率，有時還必須進(jìn)行輸出電壓擴展。 靜態(tài)時，運放輸出為零， 20V電源通過下列回路：運放輸出端R1 DZ b1 e1 20V 向T1 提供一定的偏置電流 R6 ,C3 和R7 ,C4 組成去耦濾波

12、電路。需要注意的是幾個晶體管的耐壓限流以及最大功率值。其中調(diào)節(jié)W可改變晶體管的靜態(tài)工作電流，從而克服交越失真。4) 輸出級的限流保護(hù) 由于功率放大器的輸出電阻很小，因而容易因過載而燒壞功率管。因此需要進(jìn)行限流保護(hù)。圖（a）是一種簡單的二極管限流保護(hù)電路，當(dāng)發(fā)生過流（I o過大）時，R3 、R4 上的壓降增大到足以使D3 、D4 導(dǎo)通，從而使流向T1 、T2 基極的電流信號I1 、I2 分流，以限制I o 的增大。圖（b）是另一種限流保護(hù)電路，T3 、T4 是限流管。當(dāng)I o 過大，R5 、R6 上的壓降超過0.6V時，T3 、T4 導(dǎo)通防止了T1 、T2 基極信號電流的進(jìn)一步增大。I o 的最大值為 0.6/R5，R3 、R4 用來保護(hù)限流管T3 、T4 。 五、 仿真分析以1KHz為例即C=1nF三角波方波發(fā)生電路方波下降沿時間4.3s三角波峰值改變RP2改變RP1調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)偏移量正弦波轉(zhuǎn)換器三角波轉(zhuǎn)換正弦波，三角波放大后輸出峰峰值10V靜態(tài)工作點改變靜態(tài)工作點（調(diào)節(jié)RP45）發(fā)生失真功率放大電路功率放大波形，