模電課程設(shè)計(jì)-簡易信號(hào)發(fā)生器

1、 課題名稱：模數(shù)課程設(shè)計(jì)專業(yè)名稱：應(yīng)用電子學(xué)生班級：10應(yīng)電班學(xué)生姓名：張東學(xué)生學(xué)號(hào)第一章 設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)1.1 設(shè)計(jì)目的1.11掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法1.12掌握模擬IC器件的應(yīng)用1.13培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來指導(dǎo)實(shí)踐的能力1.14掌握常用元器件的識(shí)別和測試1.15 熟悉常用儀表，了解電路調(diào)試的基本方法1.2設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)方波三角波正弦波函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 1.3課程設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)1.31設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試函數(shù)發(fā)生器1.32輸出波形：正弦波、方波、三角波；1.33頻率范圍 ：在100Hz1KHz，1 KHz-10 KHz范圍內(nèi)可調(diào) ；1.34輸出電壓：方波U24V，三角波U6V，正弦波

2、U=1V；方波tr小于1uS。第二章 函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖 2.1 原理框圖圖2-12.2 函數(shù)發(fā)生器的總方案 函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成電路。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實(shí)驗(yàn)調(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波方波，再將三角波變成正

3、弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊取１菊n題采用先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法，本課題中函數(shù)發(fā)生器電路組成如下所示：由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)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(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)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。第三章 單元電路設(shè)計(jì)3.1 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RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過RC充、

4、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖中實(shí)線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時(shí)間t的增長而逐漸增高，當(dāng)t趨于無窮時(shí)，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長而減低，當(dāng)t趨于無窮大時(shí)，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。 3.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路

5、的工作原理圖3-2圖3-2所示的電路能自動(dòng)產(chǎn)生方波三角波。電路工作原理若下：若a點(diǎn)斷開，運(yùn)放A1與R1、R2及R3、RP3組織成比較器，R1成為平衡電阻，運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，及U_=0，同相端接輸入電壓Uia；比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓VEE（|+Vcc|=|VEE |）,當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出U01從高電平+Vcc跳到低電平VEE，或從低電平VEE跳到高電平+Vcc。設(shè)U01=+Vcc，則 （3-2-1）式子中，RP1指的是電位器（以下同）。 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限電位 （3-2-2）若Uo1=VEE，則比較器翻

6、轉(zhuǎn)的上門線電位 （3-2-3） 比較器的門限寬度 (3-2-4) 由式子（3-2-1）(3-2-4)可以得到比較器的電壓傳輸特性，如圖所示。圖3-3 a點(diǎn)斷開后，運(yùn)放A2與R4、RP3、C2、及R5組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波U01，則積分器的輸出 (3-2-5)當(dāng)U01=+Vcc時(shí)， (3-2-6)當(dāng)U01=-Vcc時(shí)， (3-2-7)可見積分器輸入方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速率與下降速率相等的三角波，其波形如圖所示。 圖3-4 方波三角波波形當(dāng)a點(diǎn)閉合，即比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動(dòng)產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為 （3-2-8）方波三角波的頻率 （3-2-9）由式子（3-

7、8）及（3-9）可以得出以下結(jié)論： 1.電位器RP2在調(diào)整方波三角波的輸出頻率時(shí)，一般不會(huì)影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍比較寬，則可用C2改變頻率的范圍，RP2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。2方波的輸出幅度約等于電源電壓+Vcc 。三角波的輸出幅度不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可以實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波三角波的頻率。圖3-5 方波-正弦波函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)電路差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點(diǎn)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，傳輸特性曲線的表達(dá)式為： （3-

8、3-1） Ic1=aIE1=aIo/1+e(-Uid/UT) （3-3-2）式中差分放大器的恒定電流；溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25oc時(shí)，UT26mV。如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為 （3-3-3）式中Um三角波的幅度； T三角波的周期。 將式（3-3-3）代入式（3-3-2），得 4Um/T(t-T/4) (0=t=T/2)Uid= -4Um/T(t-3T/4) (T/2=t=T) （3-3-4） 波形變換過程如下圖： 圖3-6 為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：（1） 傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；（2） 三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。（3） 圖為實(shí)現(xiàn)三角波正弦

9、波變換的電路。其中Rp3調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp4調(diào)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C3,C4,C5為隔直電容，C6為濾波電容，以濾除諧波分波形量，改善輸出3.4 電路的參數(shù)選擇與計(jì)算3.4.1方波-三角波部分運(yùn)放A1與A2用741，因?yàn)榉讲ǖ姆冉咏娫措妷?VCC=+12V,-VEE=-12V.比較器A1與積分器A2的元件參數(shù)計(jì)算如下。由式 （3-8）得 取 ，則R3+RP1=40K，取，RP1為47K的電位器。平衡電阻R1=R2(R3+RP1)=8k，取R1=8.2K由式（3-2-9）得即R4+RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2) 當(dāng)100Hzf1kH

10、z時(shí)， 取C2=0.1uF, 則10KR4+RP2正弦波部分1 差分放大器元件參數(shù)確定取RC1=RC2=10 K,RB1=RB2=6.8 K,取I0=1.1mA, 而I0=(RE4/RE3)IREF (3-4-1)IREF=VEE-UBE/(RE4+R)=12-0.7/RE4+R (3-4-2)取RE4=R=20 K,代入(3-4-2)，得IREF=0.28 mA，將IREF=0.28 mA代入(3-4-1)，得RE3=5 K2三角波正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率不是很大，取C3=47uF，C4=C5=470uF，濾波電容視輸出的波形而定，若含

11、高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。這里取C6=0.1Uf, RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R確定。3.5 總電路圖圖3-7 三角波-方波-正弦波函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)電路先通過比較器產(chǎn)生方波，再通過積分器產(chǎn)生三角波，最后通過差分放大器形成正弦波。第四章 電路的安裝與調(diào)試4.1 靜態(tài)調(diào)試 整個(gè)電路連接完之后，就可以對該電路進(jìn)行調(diào)試和檢測了，以發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計(jì)方案的不足之處。在進(jìn)行調(diào)試和測試之前，首先要對電路進(jìn)行檢查。對照原理圖按順序一一檢查，以免產(chǎn)生遺漏。以元件作為中心進(jìn)行檢查，把

12、每個(gè)元器件的引腳依次檢查，看是否有接錯(cuò)線或者漏接等問題，為了防止出現(xiàn)錯(cuò)誤，最好對已經(jīng)檢查好的線路在原理圖上做好標(biāo)記，倘若線路檢查無誤，則可以對線路進(jìn)行調(diào)試和測試了。 用萬用表適當(dāng)?shù)臋n位對線路進(jìn)行測試，看線路是否有短路或者斷路等問題，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，就立即進(jìn)行改進(jìn)，修改再進(jìn)行調(diào)試。4.2 動(dòng)態(tài)調(diào)試4.2.1 方波三角波發(fā)生器的調(diào)試 由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時(shí)輸出方波和正弦波，所以這兩個(gè)單元電路可以同時(shí)安裝。但是需要注意的是，在安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計(jì)值，否則會(huì)導(dǎo)致電路不起振。如果電路接線正確。則在接通電源后，A1輸出為方波，A2輸出為三角波，微調(diào)RP

13、1，使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率連續(xù)可變。 4.2.2 三角波種正弦波失真4.3 調(diào)試中的注意事項(xiàng)為了保證效果，必須減小測量誤差，提高測量精度。為此，需注意以下幾點(diǎn)： (1)正確使用測量儀器的接地端（2）測量電壓所用儀器的輸入端阻抗必須遠(yuǎn)大于被測處的等效阻抗。因?yàn)?，若測量儀器輸入阻抗小，則在測量時(shí)會(huì)引起分流給測量結(jié)果帶來很大的誤差。（3）儀器的帶寬必須大于被測電路的帶寬。(4）用同一臺(tái)測量儀進(jìn)行測量進(jìn)，測量點(diǎn)不同，儀器內(nèi)阻引起的誤差大小將不同。（5）調(diào)試過程中，不但要認(rèn)真觀察和測量，還要記錄。記錄的內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)條件，觀察的現(xiàn)象，測量的數(shù)據(jù)，波形和相位關(guān)系等。只有有

14、了大量的可靠實(shí)驗(yàn)記錄并與理論結(jié)果加以比較，才能發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)上的問題，完善設(shè)計(jì)方案。（6）調(diào)試時(shí)出現(xiàn)故障，要認(rèn)真查找故障原因，切不可一遇故障解決不了的問題就拆掉線路重新安裝。因?yàn)橹匦掳惭b的線路仍可能存在各種問題。我們應(yīng)該認(rèn)真檢查。調(diào)試結(jié)果是否正確，在很大程度上受測量正確與否和測量精度的影響。4.4 誤差分析1. 方波輸出電壓Vp-p2Vcc，因?yàn)檫\(yùn)放輸出級是由NPN型或PNP型兩種晶體管組成的復(fù)合互補(bǔ)對稱電路，輸出方波時(shí)，兩管輪流截止與飽和導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)輸出電阻的影響，使方波輸出幅度小于電源電壓值。2. 方波的上升時(shí)間Tr，主要受到運(yùn)放轉(zhuǎn)換速度的限制。如果輸出頻率比較高，則可以接入加速器電容C（C一般為幾十皮法）?？梢杂檬静ㄆ鳎ɑ蛘呙}沖示波器）測量Tr。第五章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)該設(shè)計(jì)電路通過先產(chǎn)生方波-三角波，再將三角波變換成正弦波，最終艱難而曲折的把簡易信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)了出來該設(shè)計(jì)電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形的頻率和幅度都連續(xù)可調(diào)。缺點(diǎn)是在調(diào)節(jié)頻率的過程中正弦波的幅度會(huì)有所改變，而且波形的穩(wěn)定度和失真度都會(huì)有很大的變化，這也就增加了電路調(diào)節(jié)的難度，在制成PCB板后才突然醒悟在比較器部分應(yīng)該接入一個(gè)加速電容C,用來加速比較器的翻轉(zhuǎn)。