北郵模電實(shí)驗(yàn)報(bào)告函數(shù)發(fā)生器

北京郵電大學(xué)課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng)：電子測(cè)量與電子電路設(shè)計(jì)題目：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器院系：電子工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)班級(jí)：2013211209學(xué)生姓名:劉博聞學(xué)號(hào):2013211049指導(dǎo)教師:高惠平摘要函數(shù)信號(hào)發(fā)生器廣泛地應(yīng)用于各大院校和科研場(chǎng)所。隨著科技的進(jìn)步，社會(huì)的發(fā)展，單一的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器已經(jīng)不能滿足人們的需求，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的正是多種波形發(fā)生器。本實(shí)驗(yàn)由兩個(gè)電路組成，方波—三角波發(fā)生電路和三角波—正弦波變換電路。方波—三角波發(fā)生電路由自激的單線比較器產(chǎn)生方波，通過(guò)RC積分電路產(chǎn)生三角波，在經(jīng)過(guò)差分電路可實(shí)現(xiàn)三角波—正弦波的變換。本電路振蕩頻率和幅度用電位器調(diào)節(jié)，輸出方波幅度的大小由穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值決定；而正弦波幅度和電路的對(duì)稱(chēng)性也分別由兩個(gè)電位器調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)良好的正弦波輸出圖形。它的制作成本不高，電路簡(jiǎn)單，使用方便，有效的節(jié)省了人力，物力資源，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：三角波方波正弦波幅度調(diào)節(jié)頻率調(diào)節(jié)目錄設(shè)計(jì)要求 11．前言 12．方波、三角波、正弦波發(fā)生器方案 22.1原理框圖 22.2系統(tǒng)組成框圖 33．各組成部分的工作原理 33.1方波-三角波產(chǎn)生電路的工作原理 33.2三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 43.3總電路圖 74.用Mutisim電路仿真 74.1方波—三角波電路的仿真 74.2方波—正弦波電路的仿真 85電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 95.1方波波形產(chǎn)生電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 95.2方波三角波轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 105.3正弦波發(fā)生電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 105.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 116．實(shí)驗(yàn)總結(jié) 127．儀器儀表清單 137.1所用儀器及元器件： 137.2儀器清單表 138．參考文獻(xiàn) 159.致謝 16方波—三角波—正弦波函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)要求1.設(shè)計(jì)制作一個(gè)可輸出方波、三角波、正弦波信號(hào)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。（1）輸出頻率能在1KHz-10KHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，無(wú)明顯失真；（2）方波輸出電壓Uopp=12V,上升、下降沿小于10us,占空比可調(diào)范圍30%—70%；(3)三角波Uopp=8V；(4)正弦波Uopp≥1V；2.用軟件繪制完整的電路原理圖1．前言在人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然的過(guò)程中，經(jīng)常需要對(duì)各種各樣的電子信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，因而如何根據(jù)被測(cè)量電子信號(hào)的不同特征和測(cè)量要求，靈活、快速的選用不同特征的信號(hào)源成了現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)值得深入研究的課題。信號(hào)源主要給被測(cè)電路提供所需要的已知信號(hào)(各種波形)，然后用其它儀表測(cè)量感興趣的參數(shù)。可見(jiàn)信號(hào)源在各種實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)測(cè)試處理中，它不是測(cè)量?jī)x器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵(lì)源，仿真各種測(cè)試信號(hào)，提供給被測(cè)電路，以滿足測(cè)量或各種實(shí)際需要。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器就是信號(hào)源的一種，能夠給被測(cè)電路提供所需要的波形。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能根據(jù)實(shí)際需要靈活擴(kuò)展。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)，通過(guò)巧妙的軟件設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)易的硬件電路，產(chǎn)生數(shù)字式的正弦波、方波、三角波、鋸齒等幅值可調(diào)的信號(hào)。與現(xiàn)有各類(lèi)型波形發(fā)生器比較而言，產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)干擾小，輸出穩(wěn)定，可靠性高，特別是操作簡(jiǎn)單方便。2．方波、三角波、正弦波發(fā)生器方案2.1原理框圖方波三角波正弦波方波三角波正弦波差分電路RC積分電路電壓比較器差分電路RC積分電路電壓比較器圖1正弦波、方波、三角波信號(hào)發(fā)生器的原理框圖RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波—方波—三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，電路框圖如上。先通過(guò)RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過(guò)電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過(guò)積分電路形成三角波。此電路具有良好的正弦波和方波信號(hào)。但經(jīng)過(guò)積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號(hào)，存在難度。原因是積分器電路的積分時(shí)間常數(shù)是不變的，而隨著方波信號(hào)頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時(shí)改變。若要保持三角波幅度不變，需同時(shí)改變積分時(shí)間常數(shù)的大小。2.2系統(tǒng)組成框圖圖2系統(tǒng)各部分組成框圖3．各組成部分的工作原理3.1方波-三角波產(chǎn)生電路的工作原理圖3由運(yùn)放和RC積分電路組成的方波-三角波發(fā)生電路方波輸出幅度由2DW232穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值決定，即限制在（Uz+UD）之間。方波經(jīng)積分得到三角波，幅度為Uo2m=±（Uz+UD）方波和三角波的震蕩頻率相同，為f=1/T=āRf/4R1R2C，式中ā為電位器Rp1的滑動(dòng)比（即滑動(dòng)頭對(duì)地電阻與電位器總電阻之比）。即調(diào)節(jié)Rp1可改變振蕩頻率。根據(jù)兩個(gè)運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率的比較，在產(chǎn)生方波的時(shí)候選用轉(zhuǎn)換速率快的LM318，這樣保證生成的方波上下長(zhǎng)短一致，用LM741則會(huì)不均勻。產(chǎn)生三角波的時(shí)候選用LM741。其中R1、R2的值是根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定在20K和30K，根據(jù)計(jì)算可設(shè)定R6=2K，C=0.01uF。根據(jù)運(yùn)放兩端電阻要求的電阻平衡，選擇R6的阻值和R8的相等，即R8=2K。根據(jù)所需要輸出方波的幅度選擇合適的穩(wěn)壓管和限流電阻R3的大小。穩(wěn)壓管為給定的2DW232，其穩(wěn)壓幅度已經(jīng)給定。選擇限流電阻R3為430。為使ā的變化范圍較大，信號(hào)的頻率范圍達(dá)到要求，電位器Rp1選擇為100K范圍內(nèi)可調(diào)。3.2三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理差動(dòng)放大器具有很大的共模抑制比，被廣泛應(yīng)用于集成電路中，常作為輸入級(jí)或中間級(jí)。差動(dòng)放大器的設(shè)計(jì)：1.確定靜態(tài)工作點(diǎn)電流Ic1、Ic2、Ic3靜態(tài)時(shí)，差動(dòng)放大器不加入輸入信號(hào)，對(duì)于電流鏡Re3=Re4=ReIr=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4=Ic4+2Ic4/β≈Ic4=Ic3而Ir=Ic4=Ic3=（Ucc+Uee-Ube）/(R+Re4)上式表明恒定電流Ic3主要由電源電壓Ucc、Uee和電阻R、Re4決定，與晶體管的參數(shù)無(wú)關(guān)。由于差動(dòng)放大器得靜態(tài)工作點(diǎn)主要由恒流源決定，故一般先設(shè)定Ic3。Ic3取值越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大器的輸入阻抗越高。因此在實(shí)驗(yàn)中，取Ic3為1mA。有Ic1=Ic2=0.5*Ic3=0.5mA。由R+Re=（Ucc+Uee-Ube）/Ir,其中Ucc為12V，Uee也為12V，Ube的典型值為0.7V（在本次取值中可以忽略）Ir為1mA,故取R=18KΩ，Re4=1KΩ。由于鏡像電流源要求電阻對(duì)稱(chēng)，故取Re3=1KΩ。2.差模特性差動(dòng)放大器的輸入和輸出各含有單端和雙端輸入兩種方式，因此，差動(dòng)放大器的輸入輸出共有四種不同的連接方式。不同的連接方式，電路的特性不同。Rp的取值不能太大，否則反饋太強(qiáng)，一般取100Ω左右的電位器，用來(lái)調(diào)整差動(dòng)放大器的對(duì)稱(chēng)性。3.三角波—正弦波變換電路圖4三角波轉(zhuǎn)換為正弦波的原理三角波—正弦波變換電路的種類(lèi)很多，有二極管橋式電路，二極管可變分壓器電路和差分放大器等。本實(shí)驗(yàn)利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性，實(shí)現(xiàn)三角波—正弦波的變換。圖5差分電路實(shí)現(xiàn)三角波到正弦波轉(zhuǎn)換電路圖圖中R20調(diào)節(jié)三角波的幅度，R19調(diào)整電路的對(duì)稱(chēng)性，并聯(lián)電阻RE用來(lái)減小差分放大器傳輸特性曲線的線性區(qū)。電容C6,C7,C8為隔直流電容，用單向的大電容不但很好的濾除直流分量，還能避免雙向耦合，使輸出地波形清晰穩(wěn)定。C3為濾波電容，以濾除高頻信號(hào)干擾，改善輸出正弦波的波形，減少不確定的信號(hào)干擾。電解電容C6、C7、C8為隔直流電容，為達(dá)到良好的隔直流、通交流的目的，其容值應(yīng)該取的相對(duì)較大，故取C6=100uFC7=100uFC8=100uF。R20調(diào)節(jié)三角波的幅度，為滿足實(shí)驗(yàn)要求，其可調(diào)范圍應(yīng)該比較大，故取R20=10kΩ。Rb1與Rb2為平衡電阻，取值為Rb1=Rb2=51Ω。流進(jìn)T1，T2集電極電流約為0.5mA，為滿足其正弦波的幅度大于1mA，取Rc1=Rc2=7.5kΩ，使得電流流經(jīng)Rc2的電壓降不至于很大。C3為濾波電容，其值應(yīng)該滿足要求的正弦電壓幅度與頻率，其值不能取太大，否則會(huì)使幅度太小無(wú)法達(dá)到要求，故取C3=0.1uF。至此，電路的設(shè)計(jì)基本完成，需要在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步調(diào)試電路。3.3總電路圖圖6函數(shù)發(fā)生器總電路圖4.用Multisim電路仿真4.1方波—三角波電路的仿真方法同輸出方波電路的仿真方法，可得圖7所示的方波轉(zhuǎn)三角波波形仿真圖。圖7方波波形圖8三角波波形4.2方波—正弦波電路的仿真方法同輸出方波電路的仿真方法，可得圖所示的三角波轉(zhuǎn)正弦波波形仿真圖。圖9正弦波波形5電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析5.1方波波形產(chǎn)生電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果把電路板的電源接好，將輸出端接示波器，進(jìn)行整體測(cè)試、觀察。針對(duì)其出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行排查校驗(yàn)，使其滿足實(shí)驗(yàn)要求?？傻玫綄?shí)測(cè)方波波形如圖10所示：圖10實(shí)測(cè)方波波形5.2方波三角波轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)測(cè)三角波波形如圖10所示：圖10實(shí)測(cè)三角波波形5.3正弦波發(fā)生電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果由示波器實(shí)測(cè)正弦波波形圖為：圖11實(shí)測(cè)正弦波17kHZ圖12實(shí)測(cè)正弦波波形1kHZ由圖可知波形比較準(zhǔn)確，調(diào)節(jié)RP可改變幅頻、幅值大小。頻率在1kHZ-17kHZ連續(xù)可調(diào)。5.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析輸出的各波形的參數(shù)范圍符合使要求，有些許的偏差。原因可能是在各原件的參數(shù)選擇上有些偏差。正弦波稍微有點(diǎn)失真是因?yàn)榉e分電路中充放電的時(shí)間不夠,隔直電容選取的不夠大，差分電路不完全對(duì)稱(chēng)，調(diào)節(jié)幾個(gè)電位器即可使波形改善，若還不對(duì)稱(chēng)，則需將隔直電容調(diào)換之更大數(shù)值。6．實(shí)驗(yàn)總結(jié)為期四個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，在這四星期的學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)過(guò)程中我感觸頗深。使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，我掌握了常用元件的識(shí)別和測(cè)試；熟悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接方法；以及如何提高電路的性能等等。通過(guò)對(duì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，我還深刻認(rèn)識(shí)到了“理論聯(lián)系實(shí)際”的這句話的重要性與真實(shí)性。而且通過(guò)對(duì)此課程的設(shè)計(jì)，我不但知道了以前不知道的理論知識(shí)，而且也鞏固了以前知道的知識(shí)。最重要的是在實(shí)踐中理解了書(shū)本上的知識(shí)，明白了學(xué)以致用的真諦。也明白老師為什么要求我們做好這個(gè)課程設(shè)計(jì)的原因。他是為了教會(huì)我們?nèi)绾芜\(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去解決實(shí)際的問(wèn)題，提高我們的動(dòng)手能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)到電路的調(diào)試過(guò)程中，我個(gè)人感覺(jué)調(diào)試部分是最難的，因?yàn)槟憷碚撚?jì)算的值在實(shí)際當(dāng)中并不一定是最佳參數(shù)，我們必須通過(guò)觀察效果來(lái)改變參數(shù)的數(shù)值以期達(dá)到最好。而參數(shù)的調(diào)試是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的積累過(guò)程，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)是不可能在短時(shí)間內(nèi)將其完成的，而這個(gè)可能也是老師要求我們加以提高的一個(gè)重要方面吧！在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們遇到了不少的問(wèn)題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問(wèn)題。開(kāi)始很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)我換掉各種元件但是還是不能出波形，直到我更換了面包板。這是因?yàn)椴寰€的時(shí)候用力過(guò)猛，使得面包板的彈片掉落，不能使電路連通。正弦波輸出有很大失真，一開(kāi)始沒(méi)有輸出正弦波而是三角波，這是因?yàn)椴罘殴ぷ髟诰€性區(qū)，不能完成三角波-正弦波的轉(zhuǎn)換，我將Rb的阻值調(diào)小，并且改變隔直電容的容值，才使波形得以改善。方波的峰峰值不符合要求。理論上，方波的峰峰值是由穩(wěn)壓管決定的，調(diào)節(jié)電位器，可以改變幅度和頻率三角波峰峰值比預(yù)想中大。理論上，是要保證R1/R2=3:2，既可保證三角波峰值在8V。但當(dāng)采用了R1=30k，R2=20k的電阻后，三角波的峰值反而偏大，并且不由調(diào)節(jié)電位器可以改變。解決辦法是適當(dāng)更換R1、R2的阻值直到滿足要求。一開(kāi)始搭建電路缺乏經(jīng)驗(yàn)，使電路的構(gòu)造十分擁擠。后來(lái)借鑒了一些同學(xué)搭電路的方法，用“城市規(guī)劃”的大思路去規(guī)劃電路，這樣搭出來(lái)的電路才賞心悅目一開(kāi)始正弦波失真，是因?yàn)檎也ㄐ问请娙轂V出來(lái)的，而不是差分電路輸出的。改變C6、C7的容值即可。最后用一句話來(lái)結(jié)束吧：“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”。與君共勉。7．儀器儀表清單7.1所用儀器及元器件：元器件：電位器、電阻、電容相關(guān)元件參數(shù)：LM318芯片：輸入失調(diào)電壓4mV；