《電子技術(shù)項目化教程》 課件 項目四 函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與測試

項目四

函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與測試學(xué)習(xí)目標：知識目標：

了解正弦、非正弦振蕩器的電路組成及工作原理。

了解各個振蕩器的應(yīng)用特點。

掌握函數(shù)信號發(fā)生器的原理、制作與測試方法。技能目標：

能夠制作與測試正弦波振蕩器，并能調(diào)試和測量輸出波形。

能夠制作與測試函數(shù)信號發(fā)生器，并能對過程中出現(xiàn)的問題進行分析和判斷。2項目背景：函數(shù)信號發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生特定頻率、波形和輸出電平的信號發(fā)生裝置，它能產(chǎn)生多種波形，如正弦波、方波、三角波。函數(shù)信號發(fā)生器可以采用集成運放，外加電阻、電容等元件構(gòu)成的滯回比較器、積分器和二階有源低通濾波器來分別產(chǎn)生方波、三角波和正弦波。其構(gòu)成框圖如圖

4-1所示，也可以通過集成函數(shù)發(fā)生器芯片來產(chǎn)生多種不同波形。3圖4-1函數(shù)信號發(fā)生器構(gòu)成框圖任務(wù)4.1正弦波振蕩器的測試任務(wù)分析：振蕩電路能夠產(chǎn)生大小和方向都做周期性迅速變化的電流，一般由電阻、電感、電容等元件組成，是一種不用外加激勵就能自行產(chǎn)生交流信號輸出的電路。振蕩器的種類很多，按信號的波形來分，可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。正弦波振蕩器產(chǎn)生的波形非常接近于正弦波或余弦波，且振蕩頻率比較穩(wěn)定；非正弦波振蕩器產(chǎn)生的波形是非正弦的脈沖波形，如方波、矩形波、鋸齒波等。本任務(wù)通過正弦波振蕩器的制作與測試，學(xué)習(xí)正弦波振蕩器的相關(guān)知識。4任務(wù)4.1正弦波振蕩器的測試知識鏈接：4.1.1正弦波振蕩電路4.1.2RC正弦波振蕩電路4.1.3LC正弦波振蕩電路54.1.1正弦波振蕩電路振蕩電路是一種沒有信號輸入但有信號輸出的信號產(chǎn)生電路。與前面介紹的放大電路有很大不同，放大電路必須要有輸入信號，而振蕩電路不需要外加輸入信號，而實現(xiàn)自激信號。正弦波振蕩電路是指不需要輸入信號控制就能自動地將直流電轉(zhuǎn)換為特定頻率和振幅的正弦交變電壓(電流)的電路。正弦波振蕩電路可分為兩大類：一類是利用反饋原理構(gòu)成的反饋振蕩電路，它是目前應(yīng)用最廣的一類振蕩電路；另一類是負阻振蕩電路，它將負阻抗元件直接連接到諧振回路中，利用負阻抗效應(yīng)去抵消回路中的損耗，從而產(chǎn)生正弦波振蕩。67反饋型振蕩電路由放大電路和反饋電路兩大部分組成，如圖4-2所示。

為輸入信號，

為加入放大電路中的凈輸入信號，

為輸出信號，

為反饋信號。由正反饋振蕩電路框圖可知，

，

，

。圖4-2負反饋放大電路和正反饋振蕩電路4.1.1正弦波振蕩電路81．正弦波振蕩電路的振蕩條件振蕩條件是指振蕩電路能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波所需要滿足的基本條件，包括起振條件、平衡條件。1)起振條件起振條件是指振蕩電路在接通電源后能夠自動起振的條件。放大電路接通電源時，隨著電源電壓從零增大到接通電壓，電路受到擾動，在放大器輸入端產(chǎn)生一個微弱的擾動信號，經(jīng)放大器放大、正反饋、再放大、再反饋，輸出信號的幅度很快增大為使振蕩過程中輸出電壓幅度不斷增大，應(yīng)使反饋回來的信號比輸入放大器的信號幅度大，即振蕩開始時應(yīng)為增幅振蕩，在相位上要求反饋電壓與輸入電壓同相，幅度上要求

。即自激振蕩的起振條件為：

，且輸入信號經(jīng)過放大電路產(chǎn)生的相移和反饋網(wǎng)絡(luò)的相移之和為±2nπ，n=0,1,2,…。4.1.1正弦波振蕩電路92)平衡條件振蕩電路起振時，三極管工作在線性放大區(qū)，當電壓增大到一定程度后，三極管進入非線性區(qū)，此時環(huán)路增益會隨著振蕩電壓振幅的增大而下降，振蕩電路的振幅不會無限制增大。當振蕩電路的振幅不再變化，維持等幅輸出時，振蕩電路進入平衡狀態(tài)，滿足這種狀態(tài)的條件即平衡條件。振蕩電路的平衡條件又可細分為振幅平衡條件(即反饋信號和輸入信號大小相等)和相位平衡條件(即反饋信號和輸入信號相位相同，輸入信號經(jīng)過放大電路產(chǎn)生的相移和反饋網(wǎng)絡(luò)的相移之和為±2nπ，n=0,1,2,…)。4.1.1正弦波振蕩電路102．正弦波振蕩電路的組成、分類及分析方法正弦振蕩電路通常由四部分組成：放大電路，反饋電路，選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅電路。放大電路：具有一定的電壓放大倍數(shù)，其作用是對選擇出來的某一頻率信號進行放大。反饋電路：是反饋信號所經(jīng)過的電路，其作用是將輸出信號反饋到輸入端，引入自激振蕩所需的正反饋。選頻網(wǎng)絡(luò)：具有選頻的功能，其作用是選出特定頻率的信號，以使正弦波振蕩電路實現(xiàn)單一頻率振蕩。選頻網(wǎng)絡(luò)分為LC選頻網(wǎng)絡(luò)和RC選頻網(wǎng)絡(luò)。使用LC選頻網(wǎng)絡(luò)的正弦波振蕩電路，稱為LC振蕩電路；使用RC選頻網(wǎng)絡(luò)的正弦波振蕩電路，稱為RC振蕩電路。選頻網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)置在放大電路中，也可以設(shè)置在反饋電路中。穩(wěn)幅電路：具有穩(wěn)定輸出信號幅值的作用。判斷電路能否產(chǎn)生振蕩時，首先要檢測振蕩電路是否完整，是否具有四個組成部分；其次要檢查電路是否滿足振蕩條件，檢查放大電路是否能夠正常工作，并通過瞬時極性法來判斷反饋網(wǎng)絡(luò)是否為正反饋。4.1.1正弦波振蕩電路4.1.2RC正弦波振蕩電路11RC正弦波振蕩電路用以產(chǎn)生低頻正弦波信號。RC正弦波振蕩電路的原理圖如圖4-3所示。由圖可見，網(wǎng)絡(luò)中的R1、C1和R2、C2以及負反饋支路中的Rf、R3正好組成一個電橋的四個臂，因此這種電路又稱為文氏電橋振蕩電路。圖4-3RC正弦波振蕩電路4.1.3LC正弦波振蕩電路12LC正弦波振蕩電路主要用來產(chǎn)生高頻正弦波信號，信號頻率一般在1MHz以上。LC和RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦振蕩的原理基本相同，它們在電路組成方面的主要區(qū)別是：RC正弦波振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)由電阻和電容組成，而LC正弦波振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)由電感和電容組成。反饋型LC正弦波振蕩電路是LC正弦波振蕩電路的主要形式。13任務(wù)實施：任務(wù)目標(1)進一步了解正弦波振蕩的概念及分類。(2)理解RC正弦波振蕩電路的組成及電路原理。(3)能夠調(diào)試、測量RC正弦波振蕩電路的輸出波形。設(shè)備要求(1)PC一臺。(2)Multisim軟件。任務(wù)4.1正弦波振蕩器的測試14實施步驟1．RC正弦波振蕩電路(1)打開Multisim軟件，按圖4-7(a)連接仿真測試電路。任務(wù)4.1正弦波振蕩器的測試15(2)觀察示波器上的輸出電壓波形，如圖4-7(b)所示，測試輸出電壓幅度，此時應(yīng)有Uom=

，測試輸出電壓頻率，此時應(yīng)有f=

。與理論值相比較。分析誤差原因。(3)保持步驟(2)，改變電容C1、C2值為10nF，測試輸出電壓幅度，此時應(yīng)有Uom=

，測試輸出電壓頻率，此時應(yīng)有f=

。(4)保持步驟(2)，改變電阻R1、R2值為5.1kΩ，測試輸出電壓幅度，此時應(yīng)有Uom=

，測試輸出電壓頻率，此時應(yīng)有f=

。結(jié)論：RC正弦波振蕩電路的頻率主要和

(電容C1、C2和電阻R1、R2)有關(guān)。(5)保持步驟(2)，改變電阻R5的值，觀察電路能否起振，逐漸增大R5的值，觀察電路的起振情況。任務(wù)4.1正弦波振蕩器的測試162．LC正弦波振蕩電路(1)打開Multisim軟件，按圖4-8連接仿真測試電路。任務(wù)4.1正弦波振蕩器的測試17(2)觀察示波器上的輸出電壓波形，用數(shù)字存儲示波器觀察電感L1兩端的輸出電壓波形，用頻率計測量其輸出頻率，記錄所測頻率并與計算值f0做比較。此時應(yīng)有f0=

。結(jié)論：反饋式LC正弦波振蕩電路

(能/不能)在無外加輸入信號的情況下產(chǎn)生正弦波信號。從接通電源到振蕩電路輸出較穩(wěn)定的正弦波振蕩信號

(需要/不需要)經(jīng)過一段時間，即LC正弦波振蕩電路

(存在/不存在)起振與平衡兩個階段。(3)頻率可調(diào)范圍的測量：改變電容C4，調(diào)整振蕩器的輸出頻率，并找出振蕩器的最高頻率fmax=

和最低頻率fmin=

。將結(jié)果填入表4-1中。表4-1電容C4對頻率的影響C4/μF0.010.030.10.21f

/kHz

任務(wù)4.1正弦波振蕩器的測試任務(wù)4.2非正弦波振蕩器的測試18任務(wù)分析：方波、三角波等非正弦波在日常學(xué)習(xí)和生活中具有廣泛的應(yīng)用。學(xué)習(xí)中我們經(jīng)常將方波、三角波作為信號源應(yīng)用到各種電路中；生活中，一些電子設(shè)備的控制模塊、通信系統(tǒng)中同樣需要用到方波和三角波。本任務(wù)通過非正弦波振蕩器的制作與測試，學(xué)習(xí)非正弦波振蕩電路的相關(guān)知識。任務(wù)4.2非正弦波振蕩器的測試19知識鏈接：4.2.1方波發(fā)生器4.2.2三角波發(fā)生器4.2.1方波發(fā)生器201．方波發(fā)生器的電路組成及原理方波輸出電壓只有兩種狀態(tài)：高電平和低電平。集成運算放大電路工作在非線性區(qū)時，輸出電壓只有兩個值，因此電壓比較器是方波發(fā)生器的重要組成部分；因為產(chǎn)生振蕩，要求輸出的兩種狀態(tài)能夠自動地相互轉(zhuǎn)換，所以在電路中必須引入反饋；因為輸出狀態(tài)按一定時間間隔產(chǎn)生周期變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)維持的時間。由此可知，方波發(fā)生器是由遲滯電壓比較器和RC充、放電負反饋支路構(gòu)成的，如圖4-9(a)所示。圖4-9方波發(fā)生器212．方波頻率及其調(diào)節(jié)方波發(fā)生器輸出的方波電壓周期T取決于充、放電的時間常數(shù)，即

。如果選取合適的R1和R2，使得

，則

，振蕩頻率為

。改變Rf和C的取值就可以調(diào)節(jié)方波的頻率。223．占空比可調(diào)的方波發(fā)生器要想改變方波輸出波形的占空比，需要通過改變電容C的充、放電時間常數(shù)來實現(xiàn)，圖4-10是一種占空比可調(diào)的方波發(fā)生器。電容C充電時，充電電流經(jīng)過電位器RW的上半部、二極管VD1和反饋電阻Rf；電容C放電時，放電電流經(jīng)過電位器RW的下半部、二極管VD2和反饋電阻Rf。圖4-10占空比可調(diào)的方波發(fā)生器4.2.2三角波發(fā)生器23三角波發(fā)生器主要由遲滯電壓比較器和積分器閉環(huán)組成，其電路圖和波形圖如圖4-11所示。三角波發(fā)生器電路中，在同相輸入端電路中引入了正反饋R1支路，和集成運放A1構(gòu)成遲滯電壓比較器，反相輸入端接地。A1同相輸入端電壓由uo和uo1共同決定，即

任務(wù)4.2非正弦波振蕩器的測試24任務(wù)實施：任務(wù)目標(1)理解方波、三角波振蕩電路的組成及電路原理。(2)能夠調(diào)試、測量非正弦波振蕩電路的輸出波形。設(shè)備要求(1)PC一臺。(2)Multisim軟件。任務(wù)4.2非正弦波振蕩器的測試25實施步驟1．方波發(fā)生器(1)打開Multisim軟件，按圖4-12(a)連接仿真測試電路。(2)用示波器觀察，如圖4-12(b)所示，振蕩器波形為

(正弦波/方波/三角波)，用數(shù)字存儲示波器的測量功能，測量振幅和頻率并記錄：Uom=

V，fo=

MHz。(3)改變電容C1值為1nF，測試輸出電壓頻率，此時應(yīng)有fo=

。(4)調(diào)節(jié)電位器R5，用示波器觀察振蕩器波形頻率的變化情況。結(jié)論：方波振蕩器的頻率主要取決于

(電容C1/反饋電阻R5/C1和R5)。圖4-12方波發(fā)生器仿真測試圖262．占空比可調(diào)的方波發(fā)生器(1)打開Multisim軟件，按圖4-13連接仿真測試電路。(2)調(diào)節(jié)電位器R2，用示波器觀察振蕩器波形占空比的變化情況。圖4-13占空比可調(diào)的方波發(fā)生器仿真測試圖273．三角波發(fā)生器(1)打開Multisim軟件，按圖4-14(a)連接仿真測試電路。(2)用示波器觀察如圖4-14(b)所示，振蕩器波形為

(正弦波/方波/三角波)，用數(shù)字存儲示波器的測量功能，測量振幅和頻率并記錄：Uom=

V，fo=

MHz。(3)改變電容C1值為1

F，測試輸出電壓頻率，此時應(yīng)有fo=

。(4)調(diào)節(jié)電位器R5，用示波器觀察振蕩器波形頻率的變化情況。結(jié)論：三角波振蕩器的頻率主要取決于

(電容C1/反饋電阻R5/C1和R5)。圖4-14三角波發(fā)生器仿真測試圖實訓(xùn)4函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與測試28實訓(xùn)4.1設(shè)計指標制作函數(shù)信號發(fā)生器，并通過調(diào)試達到預(yù)期目的。實訓(xùn)4.2設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一個簡易的方波-三角波-正弦波信號發(fā)生器，供電電源為

，要求頻率調(diào)節(jié)方便。實訓(xùn)4.3設(shè)計要求信號發(fā)生器滿足以下指標：(1)輸出頻率在1～10kHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。(2)方波輸出電壓峰-峰值(誤差<20%)，上升、下降沿均小于10

s。(3)三角波輸出電壓峰-峰值(誤差<20%)。(4)在1～10kHz的頻率范圍內(nèi)，正弦波輸出電壓峰-峰值

，無明顯失真。(5)輸出方波為占空比可調(diào)的矩形波，占空比可調(diào)范圍不小于30%～70%。29實訓(xùn)4.4設(shè)計步驟1．方案選取根據(jù)實驗要求，制作一個簡易方波-三角波-正弦波的信號發(fā)生器，有以下兩種解決方案。(1)先通過正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過正弦波-方波變換電路得到方波，最后通過方波-三角波變換電路得到三角波，從而實現(xiàn)功能。(2)先通過方波振蕩電路產(chǎn)生方波，再通過方波-三角波變換電路產(chǎn)生三角波，最后通過三角波-正弦波變換電路產(chǎn)生正弦波，從而實現(xiàn)功能。302．繪制原理框圖確定好電路功能實現(xiàn)方式，進行參數(shù)計算和元件選擇，繪制原理框圖。根據(jù)LM318N和

A741CP的數(shù)據(jù)手冊和文獻資料，LM318N是一種性能好、價格低、使用可靠的高速運算放大器，適合多種情況下信號的高速放大。采用運算速度較快的LM318N作為矩形波發(fā)生電路的運放，而實驗所提供的

A741CP運放則用于三角波發(fā)生電路。根據(jù)設(shè)計要求，方波的輸出電壓峰-峰值

(誤差<20%)，三角波的輸出電壓峰-峰值(誤差<20%)，可以計算出

。故選取兩個電阻的阻值分別為

。由于要使得集成運放兩輸入端的對地直流電阻相等，運放的偏置電流才不會產(chǎn)生附加的失調(diào)電壓，故運放輸入端所接電阻要平衡，因此有

。313．連接測試電路打開Multisim軟件，按繪制的原理圖連接仿真測試電路，可參照圖4-15。圖4-15簡易方波-三角波-正弦波的