低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器課件

1、電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器蔡忠法浙江大學(xué)電工電子基礎(chǔ)中心學(xué)而時(shí)習(xí)之，不亦悅乎？ 孔子論語(yǔ)道可道非常道。 老子道德經(jīng)教學(xué)安排：第一階段（前4天）：玉泉教4-404上午上課（8:30-11:30）；第4天：課堂測(cè)試。第三階段（后4天） ：東3實(shí)驗(yàn)室209、211上午8:00發(fā)車（玉泉后校門內(nèi)）；下午5:00發(fā)車。 第7天（8月23日）上午: 領(lǐng)電路板，借電烙鐵第7-10天 焊接，實(shí)驗(yàn)調(diào)試第10天 交課程報(bào)告和總結(jié)報(bào)告第二階段（中間2天） ：玉泉數(shù)字頻率計(jì)VHDL設(shè)計(jì)，交實(shí)驗(yàn)報(bào)告和預(yù)設(shè)計(jì)報(bào)告教學(xué)內(nèi)容：第11章 電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)驗(yàn)12.2 低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)12.3 低頻數(shù)字頻率計(jì)

2、的設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定：平時(shí)和測(cè)試成績(jī) 20分預(yù)設(shè)計(jì)和頻率計(jì)VHDL 20分實(shí)驗(yàn)結(jié)果 40分實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課程總結(jié) 20分電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)概論常用電子系統(tǒng)：測(cè)控系統(tǒng)：航天飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng) 測(cè)量系統(tǒng)：電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、各種電量和非電量的測(cè)量?jī)x器 通信系統(tǒng)：數(shù)字通信系統(tǒng)、MODEM 家電系統(tǒng)：調(diào)頻收音機(jī)、VCD、照相機(jī) 汽車電子：汽車防盜器 、電動(dòng)汽車 電子系統(tǒng)組成框圖：核心完成一個(gè)特定功能的完整的電子裝置稱為電子系統(tǒng)。電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程：方案論證總體設(shè)計(jì)軟硬件設(shè)計(jì)組裝調(diào)試產(chǎn)品定型確定系統(tǒng)功能：“做什么？”確定性能指標(biāo)：“做到什么程度？”確定組成方案：“怎么做？”系統(tǒng)軟硬件劃分

3、系統(tǒng)功能劃分及子系統(tǒng)框圖選擇硬件類型：通用IC、PLD、MCU、 DSP、ASIC、SOC設(shè)計(jì)單元電路，確定元器件設(shè)計(jì)程序流程，編寫源程序制作印刷板（或畫出電路圖）裝配調(diào)試測(cè)試系統(tǒng)指標(biāo)寫出產(chǎn)品技術(shù)報(bào)告和說明書總結(jié)設(shè)計(jì)報(bào)告組裝正式樣機(jī)衰減器開關(guān) 頻率檔級(jí)函數(shù)選擇函數(shù)/計(jì)數(shù) 直流偏置占空比頻率調(diào)節(jié) 頻率顯示窗口幅度調(diào)節(jié)壓控振蕩輸入 同步信號(hào)輸出信號(hào)輸出端頻率計(jì)數(shù)輸入設(shè) 計(jì) 任 務(wù)1. 同時(shí)輸出三種波形：方波、三角波、正弦波一、設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個(gè)低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器二、性能與技術(shù)指標(biāo)2. 頻率范圍：10Hz 10kHz3. 頻率穩(wěn)定度:4. 頻率控制方式： (1) 通過改變RC時(shí)間常數(shù)控制頻率（手控方

4、 式）； 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書：(2) 通過改變控制電壓V1實(shí)現(xiàn)壓控頻率（即 VCF），常用于自控方式。即: （V1=110V）為確保良好的控制特性，可分三段控制： 10 Hz100 Hz 100 Hz 1 kHz 1 kHz 10 kHz5. 波形精度：(1) 方波：上升沿和下降沿時(shí)間均應(yīng)小于2s(2) 三角波：線性度(3) 正弦波：諧波失真度（V1為基波有效值，Vi為各次諧波有效值)trtf0.1Vom0.9VomVomVom6. 輸出方式：(1) 作電壓源輸出時(shí)，要求： 輸出電壓幅度連續(xù)可調(diào)，最大輸出電壓（峰峰值）不小于20V；(2) 作電流源輸出時(shí)，要求： 輸出電流連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流

5、（峰峰值）不小于200 mA； 當(dāng)RL=1001k時(shí)，輸出電壓相對(duì)變化率 (即要求 Ro0時(shí)：當(dāng)vO2=+VZ時(shí)，當(dāng)vO2= -VZ時(shí)，當(dāng)V10時(shí)，T1T2；V10時(shí)，T10，則三角波上移；若V20，則三角波下移。其上幅度為：其下幅度為：而三角波的峰峰值為：由上可知，當(dāng)R2/R3的比值調(diào)好后，三角波的峰峰值已經(jīng)確定，調(diào)節(jié)V2的大小可使三角波上下平移。 因此，當(dāng)由于失調(diào)等原因引起三角波零位偏移（上下不對(duì)稱）時(shí)，可通過改變V2的大小進(jìn)行調(diào)整。討論題運(yùn)放的SR參數(shù)是什么意思？若已知運(yùn)放LF353的SR13V/s，試分析能否滿足電路的設(shè)計(jì)要求。測(cè)量頻率范圍時(shí)，能否通過調(diào)Rp2來改變頻率？若方波三角波出

6、不來，但線路經(jīng)檢查正確。怎么辦？函數(shù)轉(zhuǎn)換是指：把某種函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換成另一種函數(shù)關(guān)系，能完成這種轉(zhuǎn)換功能的電子電路就稱為函數(shù)轉(zhuǎn)換電路。常用的函數(shù)轉(zhuǎn)換電路，如半波、全波整流電路，就是把正弦波形轉(zhuǎn)換成半波和全波波形的函數(shù)轉(zhuǎn)換電路。本實(shí)驗(yàn)需要討論的是，把三角電壓波形轉(zhuǎn)換成正弦電壓波形的正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換電路。2. 正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換電路從轉(zhuǎn)換原理分析，有多種方法能完成這一轉(zhuǎn)換功能，常用的有：濾波法的轉(zhuǎn)換原理是，把峰值為Vm的三角波用傅里葉級(jí)數(shù)展開： 濾波法運(yùn)算法折線法由上式可以看出，若三角波的頻率變化范圍不大，則可用低通濾波器濾去高次諧波，保留基波成份，正弦波與三角波之間具有固定的幅度關(guān)系。但若三角波的頻率變化范圍

7、較大（如本實(shí)驗(yàn)的頻率變化范圍是1000倍），要設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)截止頻率具有跟蹤功能的低通濾波器就相當(dāng)困難、不易實(shí)現(xiàn)。因此，濾波法只適用于頻率變化范圍很小，最好是固定頻率的應(yīng)用場(chǎng)合。 運(yùn)算法的轉(zhuǎn)換原理是，把展開成冪級(jí)數(shù)形式： 由上述關(guān)系容易看出，取冪級(jí)數(shù)的前幾項(xiàng)（根據(jù)轉(zhuǎn)換精度的要求），可以通過對(duì)線性（三角波）變化量x的運(yùn)算來近似表示成 sinx，但要求三角波的幅度Ra1，所以，上式又可簡(jiǎn)化為： 取VD=0.6V，則（選670 k）。 對(duì)于其它區(qū)段內(nèi)各電阻參數(shù)的計(jì)算，同理可以進(jìn)行計(jì)算和選取。vivoRa2=9.13 k(選9.1 k), Rb2=72.22 k(選75 k); Ra3=1.88 k(選1

8、.8 k), Rb3=10.97 k(選10 k). 二極管網(wǎng)絡(luò)：逐段校正。運(yùn)放：電壓跟隨器，作為隔離，稱為緩沖級(jí)。三極管：電壓跟隨器，提供參考電平。 正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換方案2在輸入信號(hào)的正半周內(nèi)，應(yīng)由D1D3實(shí)現(xiàn)逐段校正；在輸入信號(hào)的負(fù)半周內(nèi)，應(yīng)由D4D6實(shí)現(xiàn)逐段校正。 設(shè)硅二極管的開啟電壓為0.5V，所以各二極管的動(dòng)作電平V1 V3應(yīng)設(shè)置為：vivovivo在0T/14區(qū)段內(nèi)D1D6均不導(dǎo)通，所以vo=vi。在T/14T/7區(qū)段內(nèi)僅有D1導(dǎo)通，D2 D6均截止。此時(shí)，即書上的式子：若選R4=2.2 k，則R5= 7.8 k。vivo在T/73T/14區(qū)段內(nèi)D1、D2均導(dǎo)通，所以有即代入已知數(shù)據(jù)后

9、得R6=2.01 k，取 R6=2 k。vivoD1 D3 均導(dǎo)通，輸出電壓被二極管D3嵌位，所以vO = V3 + 0.5 V = 3.1V。（對(duì)這一段的校正與方案1不同）。在3T/144T/14區(qū)段內(nèi) 圖中的V1 V3 ，是通過由跟隨器組成的電壓源，再經(jīng)分壓后得到的。因此，為使電壓源內(nèi)阻不影響各個(gè)轉(zhuǎn)折電壓，分壓器的阻值應(yīng)選得遠(yuǎn)小于R5 和R6 。分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)輸入三角波在T/2內(nèi)設(shè)置六個(gè)斷點(diǎn)，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(diǎn)數(shù)增加到12個(gè)時(shí)，正弦波的非線性失真度可在0.8 % 以內(nèi)(實(shí)測(cè)值為0.42 %)。vivo這里介紹的兩種有源正弦函

10、數(shù)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，基本設(shè)計(jì)思想都是將三角波進(jìn)行逐段校正，使之輸出逼近正弦波。討論題比照課件電路（即教材圖12.17）和參考電路，說明兩者之間的區(qū)別及優(yōu)缺點(diǎn)。參考電路中，電位器Rp3有何作用？運(yùn)放U2A有何作用？能否將運(yùn)放U2A組成的比例電路改為電壓跟隨器？為何？若采用五段逼近，如何計(jì)算各電阻阻值？五段逼近的效果會(huì)如何？根據(jù)不同負(fù)載的要求，輸出級(jí)電路可能有三種不同的方式： 3. 輸出級(jí)電路電壓源輸出方式電流源輸出方式功率輸出方式 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(duì)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(shí)，當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，還要求輸出電壓的變化要小，即要求輸出級(jí)

11、電路的輸出電阻Ro足夠小。例如，當(dāng)RL =1001k時(shí)，若要求 ，即意味著要求： 為此，必須引入電壓負(fù)反饋。運(yùn)算放大器的輸出電阻通常為1k以下，當(dāng)引入電壓負(fù)反饋后，如希望Ro =1，則要求：圖示電路的最大輸出電壓受到運(yùn)放供電電壓值的限制，如運(yùn)放的VCC 和VEE 分別為15V時(shí)，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(kuò)展電路。設(shè)運(yùn)放的Aod = 104，則F應(yīng)大于0.1，這是容易滿足的。故要求Avf10。對(duì)運(yùn)放而言，其供電電壓（VCCVEE）仍接近30V，只是二者隨vO而浮動(dòng)。如考慮到R2、R3上的電壓至少為4V，則Vopp可達(dá)：（45154）=26V。當(dāng)vO

12、= +26V時(shí)，vB1=15+26 =41V，vB2=2615 =11V；而當(dāng)vO= -26V時(shí)，vB1=11V，vB2= -41V。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(hào)電流，而往往并不提出對(duì)輸出信號(hào)電壓的要求。同時(shí)，當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，還要求輸出電流基本恒定，即要求有足夠大的輸出電阻Ro 。例如，當(dāng)RL=090時(shí)，若要求 ，即意味著要求：為此，需引入電流負(fù)反饋。設(shè)運(yùn)放Aod=104，即當(dāng)Vop=10 V時(shí)，要求VId =1 mV。若Ro=1 k，則輸出短路電流Io s= 10V /1 k=10 mA。由此可以估計(jì)出若運(yùn)放的輸出電阻Ro=1 k，則要求： 所以要求：所示電路中，

13、運(yùn)放的最大輸出電流通常在10 20 mA，如負(fù)載要求有更大的輸出電流，則必須進(jìn)行擴(kuò)流。一次擴(kuò)流電路T1 和T2 組成互補(bǔ)對(duì)稱輸出。運(yùn)放的輸出電流IA中的大部分將作為T1 、T2 的基極電流，所以IO=IA 。 值得注意的是，晶體管值應(yīng)在額定電流下測(cè)得，它通常要小于小電流條件下的值。并且，當(dāng)運(yùn)放輸出電流增大時(shí)，運(yùn)放的最大輸出電壓幅度也隨著減小，不再能達(dá)到(12 14)V。二次擴(kuò)流電路用于要求負(fù)載電流IO較大的場(chǎng)合。復(fù)合管T1、T3和T2、T4 組成準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路。輸出晶體管發(fā)射極上的電阻R用來穩(wěn)定晶體管的工作電流，但它們與輸出負(fù)載RL相串聯(lián)，應(yīng)盡可能減小其上的壓降。通常取 R= (0.05

14、0.1) RL 。 R1和R3的數(shù)值應(yīng)遠(yuǎn)大于T3、T4級(jí)的輸入電阻Ri3和Ri4，以盡可能減少信號(hào)分流。大功率管T3、T4的rbe 較小，通常為幾十歐。所以常取R1 = R3 =幾百歐。 R2為平衡電阻，它用來提高復(fù)合管T2、T4 的輸入電阻，以期和復(fù)合管T1、T3的輸入電阻對(duì)稱，所以取R2=R1/Ri3 (約幾十歐)。在調(diào)試時(shí)，通常還可以進(jìn)行調(diào)整，以使最大輸出電流在正、負(fù)向?qū)ΨQ。 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(hào)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(hào)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(yùn)放作為前置放大級(jí)，還必須進(jìn)行擴(kuò)流。當(dāng)RL

15、較大時(shí)，為滿足所要求的輸出功率，有時(shí)還必須進(jìn)行輸出電壓擴(kuò)展。功率放大電路示例(1) 功率管T4、T5的選用 T4、T5可能承受的最大功耗，按教材中對(duì)乙類功率放大器的分析，應(yīng)為功率管的選用主要考慮三個(gè)極限參數(shù)：即VBR(CEO)、ICM和PCM。T4、T5在電路中可能承受的反向電壓最大值：VCE(max)=VCC+Vom2 VCC=40V（截止時(shí)）； 流過T4、T5的最大集電極電流為：IC (max)VCC/(RL+R5)（接近飽和時(shí)）；例圖實(shí)際上，靜態(tài)時(shí)，T4、T5中通常還有幾十mA的靜態(tài)工作電流ICQ將產(chǎn)生管耗(ICQVCC)，選管時(shí)應(yīng)予考慮，所以另外，在選用管子時(shí)還要求二管的值應(yīng)盡量對(duì)稱（

16、特別是在最大電流時(shí)）。例圖 考慮到T2、T3管集電極電流在R2、R3上的分流作用，它們的最大值可近似估計(jì)為： T2、T3的最大功耗通常也按下列公式估計(jì)： (2) 互補(bǔ)對(duì)稱晶體管T2、T3的選用 T2、T3的耐壓仍應(yīng)按VCE(max) 2VCC選擇；例圖 T1為小功率管，但其耐壓也應(yīng)按2VCC選用，R3為集電極負(fù)載，最好用一恒流源取代。C5 為消振電容，其電容值通常為100pF左右。調(diào)節(jié)電位器Rw可改變輸出晶體管T2T5的靜態(tài)工作電流，以克服交越失真。T1管的靜態(tài)工作電流通常設(shè)置在5mA左右，以適應(yīng)T2級(jí)拉電流負(fù)載（vC1升高時(shí)，T2、T4工作）和T3級(jí)灌電流負(fù)載（vC1降低時(shí)，T3、T5工作）的需要，由此便可確定R2的阻值大小：（取3.9k）(3) 共射電路T1級(jí)中元件的選用例圖 輸出級(jí)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，這里介紹兩種限流保護(hù)電路。當(dāng)發(fā)生過流（Io過大）時(shí)，D3、D4導(dǎo)通，從而使基極電流信號(hào)分流，以限制Io 的增大。 Io的正向最大值和負(fù)向最大值為： T3、T4是限流管。當(dāng)Io過大，R5、R6上的壓降超過0.6V時(shí)，T3、T4導(dǎo)通而防止了T1、T2基極信號(hào)電流的進(jìn)一步增大。Io的最大值為R3、R4用來保護(hù)限流管T3、T4。討論題參考電路中，R01、C01、C03組成什么電路，起什么作用？能否省略該電路？參考電路中， 功