模電課程設(shè)計(jì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

1、揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院題 目： 函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 課 程： 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 1403 學(xué) 號(hào)： 141502314 姓 名： 沈舒楠 指導(dǎo)老師： 李廼璐 17目 錄1 函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖（1） 1.1 電路設(shè)計(jì)原理框圖 （1） 1.2 電路設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)（1）2設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)（2）2.1 課程設(shè)計(jì)的目的（2）2.2 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求（2）2.3 課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)（2）3 各部分電路設(shè)計(jì)（3）3.1 方波發(fā)生電路的工作原理（3）3.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 （3）3.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 （6） 3.4電

2、路的參數(shù)選擇及計(jì)算 （8）3.5 總電路圖（10）4 電路仿真 （11）4.1 方波-三角波發(fā)生電路的仿真（11） 4.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真（12）5電路的安裝與調(diào)試 （13）5.1 方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試（13）5.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試（13）5.3 總電路的安裝與調(diào)試 （13）5.4 電路安裝與調(diào)試中遇到的問(wèn)題及分析解決方法 （13）6電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （16）7 總結(jié)（17）8 儀器儀表明細(xì)清單 （18）9 參考文獻(xiàn) （19）1函數(shù)發(fā)生器總方案及原理框圖1.1 原理框圖1.2 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

3、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 (如低頻信號(hào)函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038)。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(guò)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，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊?。本課題采用先產(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，

4、本課題中函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖如下所示：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(lái)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。2課程設(shè)計(jì)的目的和設(shè)計(jì)的任務(wù)2.1 設(shè)計(jì)目的1: 進(jìn)一步鞏固簡(jiǎn)熟悉易信號(hào)發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)及電路原理并了解波形的轉(zhuǎn)變方法；2：學(xué)會(huì)用簡(jiǎn)單的元器件及芯片制作簡(jiǎn)單的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，鍛煉動(dòng)手能力；3：學(xué)會(huì)調(diào)試電路并根據(jù)結(jié)果分析影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的各種可

5、能的因素2.2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2.3課程設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)1設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試函數(shù)發(fā)生器2輸出波形：正弦波、方波、三角波；3頻率范圍 ： 10100，1001，110；正弦波Upp3v，三角波Upp5v，方波Upp14v，幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真小。3各組成部分的工作原理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(guò)RC充、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(guò)R3對(duì)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(zhǎng)而逐

6、漸增高，當(dāng)t趨于無(wú)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(guò)R3對(duì)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(zhǎng)而減低，當(dāng)t趨于無(wú)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(guò)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)換電路的工作原理方波三角波產(chǎn)生電路 工作原理如下：若a點(diǎn)斷開，運(yùn)算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即U

7、-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。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Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設(shè)Uo1=+Vcc,則 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia-為 若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為 比較器的門限寬度由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3-71所示。a點(diǎn)斷開后，運(yùn)放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為時(shí)，時(shí)，可見積

8、分器的輸入為方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關(guān)系下圖所示。a點(diǎn)閉合，既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。三角波的幅度為方波-三角波的頻率f為由以上兩式可以得到以下結(jié)論：1. 電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時(shí)，不會(huì)影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。2. 方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過(guò)電源電壓+Vcc。電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波-三角波的頻率。3.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理三角波正弦波的變換電路主要由差分放大電路來(lái)完成。差分放

9、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：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)式為式中Um三角波的幅度； T三角波的周期。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(duì)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)三角波正弦波變換的電路。其中Rp1調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp2調(diào)整電路的對(duì)稱性，

10、其并聯(lián)電阻RE2用來(lái)減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1,C2,C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。 三角波正弦波變換電路3.4電路的參數(shù)選擇及計(jì)算1.方波-三角波中電容C1變化（關(guān)鍵性變化之一）實(shí)物連線中，我們一開始很長(zhǎng)時(shí)間出不來(lái)波形，后來(lái)將C2從10uf（理論時(shí)可出來(lái)波形）換成0.1uf時(shí)，順利得出波形。實(shí)際上，分析一下便知當(dāng)C2=10uf時(shí)，頻率很低，不容易在實(shí)際電路中實(shí)現(xiàn)。2.三角波-正弦波部分比較器A1與積分器A2的元件計(jì)算如下。由式（3-61）得即取 ，則，取 ，RP1為47K的點(diǎn)位器。區(qū)平衡電阻由式（3-62）即當(dāng)時(shí)，取，則，取，為100K電位器。當(dāng)時(shí) ，取

11、以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻。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率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。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)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點(diǎn)可通過(guò)觀測(cè)傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R*確定。3.5 總電路圖三角波-方波-正弦波函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)電路先通過(guò)比較器產(chǎn)生方波，再通過(guò)積分器產(chǎn)生三角波，最后通過(guò)差分放大器形成正弦波。4 電路仿真4.1 方波-三角波發(fā)生電路的仿真4.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路

12、的仿真5 電路的安裝與調(diào)試5.1 方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試1.按裝方波三角波產(chǎn)生電路1. 把兩塊741集成塊插入面包板，注意布局；2. 分別把各電阻放入適當(dāng)位置，尤其注意電位器的接法；3. 按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。 2.調(diào)試方波三角波產(chǎn)生電路1. 接入電源后，用示波器進(jìn)行雙蹤觀察；2. 調(diào)節(jié)RP1，使三角波的幅值滿足指標(biāo)要求；3. 調(diào)節(jié)RP2，微調(diào)波形的頻率；4. 觀察示波器，各指標(biāo)達(dá)到要求后進(jìn)行下一部按裝。5.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試1.按裝三角波正弦波變換電路1. 在面包板上接入差分放大電路，注意三極管的各管腳的接線；2. 搭生成直流源電路，注意R*的阻值

13、選??；3. 接入各電容及電位器，注意C6的選??；4. 按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。2.調(diào)試三角波正弦波變換電路1. 接入直流源后，把C4接地，利用萬(wàn)用表測(cè)試差分放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；2. 測(cè)試V1、V2的電容值，當(dāng)不相等時(shí)調(diào)節(jié)RP4使其相等；3. 測(cè)試V3、V4的電容值，使其滿足實(shí)驗(yàn)要求；4. 在C4端接入信號(hào)源，利用示波器觀察，逐漸增大輸入電壓，當(dāng)輸出波形剛好不失真時(shí)記入其最大不失真電壓；5.3 總電路的安裝與調(diào)試1. 把兩部分的電路接好，進(jìn)行整體測(cè)試、觀察2. 針對(duì)各階段出現(xiàn)的問(wèn)題，逐各排查校驗(yàn)，使其滿足實(shí)驗(yàn)要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。5.4調(diào)試中遇到的問(wèn)題及解決的方法方波-

14、三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級(jí)單元電路組成的,在裝調(diào)多級(jí)電路時(shí)通常按照單元電路的先后順序分級(jí)裝調(diào)與級(jí)聯(lián)。1 方波-三角波發(fā)生器的裝調(diào)由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時(shí)輸出方波與三角波，這兩個(gè)單元電路可以同時(shí)安裝。需要注意的是，安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計(jì)值，如設(shè)計(jì)舉例題中，應(yīng)先使RP1=10K,RP2取（2.5-70）K內(nèi)的任一值,否則電路可能會(huì)不起振。只要電路接線正確，上電后，UO1的輸出為方波，UO2的輸出為三角波，微調(diào)RP1,使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求有，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率在對(duì)應(yīng)波段內(nèi)連續(xù)可變。2三角波-正弦波變換電路的裝調(diào) 按照?qǐng)D3

15、75所示電路，裝調(diào)三角波正弦波變換電路，其中差分發(fā)大電路可利用課題三設(shè)計(jì)完成的電路。電路的 調(diào)試步驟如下。（1）經(jīng)電容C4輸入差摸信號(hào)電壓Uid=50v，F(xiàn)i =100Hz正弦波。調(diào)節(jié)Rp4及電阻R*,是傳輸特性曲線對(duì)稱。在逐漸增大Uid。直到傳輸特性曲線形狀入圖373所示，記 下次時(shí)對(duì)應(yīng)的 Uid即Uidm值。移去信號(hào)源，再將C4左段接地，測(cè)量差份放大器的 靜態(tài)工作點(diǎn)I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.(2) Rp3與C4連接，調(diào)節(jié)Rp3使三角波俄 輸出幅度經(jīng)Rp3等于Uidm值，這時(shí)Uo3的 輸出波形應(yīng) 接近 正弦波，調(diào)節(jié)C6大小可改善輸出波形。如果Uo3的 波形出現(xiàn)如圖376所示的

16、幾種正弦波失真，則應(yīng)調(diào)節(jié)和改善參數(shù)，產(chǎn)生是真的 原因及采取的措施有；1）鐘形失真 如圖（a）所示，傳輸特性曲線的 線性區(qū)太寬，應(yīng)減小Re2。2）半波圓定或平頂失真 如圖（b）所示，傳輸特性曲線對(duì)稱性差，工作點(diǎn)Q偏上或偏下，應(yīng)調(diào)整電阻R*.3）非線性失真 如圖（C）所示，三角波傳輸特性區(qū)線性度 差引起的失真，主要是受到運(yùn)放的影響?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡(luò)改善輸出波形。（3）性能指標(biāo)測(cè)量與誤差分析 1）放波輸出電壓Upp=2Vcc是因?yàn)檫\(yùn)放輸出極有PNP型兩種晶體組成復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱電路，輸出方波時(shí)，兩管輪流截止與飲和導(dǎo)通，由于導(dǎo)通時(shí)輸出電阻的影響，使方波輸出度小于電源電壓值。2）方波的上升時(shí)間T，主要受預(yù)算放大器的限制。如果輸出頻率的 限制?？山佣砑铀匐娙軨1，一般取C1為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測(cè)量T 8儀器儀表清單設(shè)計(jì)所