簡易信號發(fā)生器課程設(shè)計

1、目 錄序1第1章 函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖21、1 原理框圖21、2 函數(shù)發(fā)生器的總方案2第2章 簡易信號發(fā)生器基本原理32、1 RC橋式正弦波振蕩器（文氏電橋振蕩器）32、2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理42、3 三角波-à正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理72、4 電路的參數(shù)選擇與計算82、4、1 方波三角波部分82、4、2 三角波>正弦波部分9第3章 電路仿真103、1 方波波形103、2 三角波波形103、3 正弦波波形113、4 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的仿真123、5 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真12第4章 電路的安裝與調(diào)試124、1 方波三角波發(fā)生器的調(diào)試134、2 三角

2、波正弦波變換的調(diào)試134、3 誤差分析144、4 PCB板圖：14第5章 課程設(shè)計總結(jié)15參考文獻(xiàn)15附錄16元件清單17總電路圖18序模電課程由于是各專業(yè)的必修課，發(fā)展過程比較平穩(wěn)：一直有穩(wěn)定的師資隊伍、先進(jìn)的教材、持續(xù)投入的實驗室條件，這些都為課程的健康發(fā)展提供了保證，雖然幾門課程都經(jīng)歷了教學(xué)和實驗學(xué)時不斷縮減的過程，但由于大家的努力，這些課程一直保持了很好的發(fā)展態(tài)勢。課程教學(xué)內(nèi)容簡介，模電是繼電路課程后，電氣類、自控類和電子類等專業(yè)學(xué)生在電子技術(shù)方面入門性質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)課，是電子技術(shù)基礎(chǔ)的一個部分，其目的和任務(wù)是讓學(xué)生獲得模擬電路的基本知識，為以后深入學(xué)習(xí)電子技術(shù)某些領(lǐng)域中的內(nèi)容打下基礎(chǔ)。

3、通過模電課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得模擬電路的基本理論、基本知識和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為模擬電子技術(shù)在專業(yè)中的應(yīng)用打好基礎(chǔ)。模電的前續(xù)課程是電路，模電中應(yīng)用了許多電路課程中的基本概念與方法，例如迭加原理、戴維南定理、二端口網(wǎng)絡(luò)、正弦交流電路的求解等，應(yīng)注意兩門課在時間上的配合。模電的后續(xù)課程是數(shù)電、EDA與電子技術(shù)課程設(shè)計、微機(jī)原理及其應(yīng)用、電力電子、檢測與變換及各專業(yè)課程設(shè)計等，模電課程中的半導(dǎo)體基本知識、放大電路理論和各種集成電路知識將為這些后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下必要基礎(chǔ)。 電力電子技術(shù)是當(dāng)今發(fā)展較為迅速的一項技術(shù)，各種新型的電力電子器件不斷涌現(xiàn)也使得這項技術(shù)的內(nèi)涵得到迅速更

4、新。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，以晶閘管為代表，二極管及晶體管等功率半導(dǎo)體器件在高速、高壓、大電流方面的發(fā)展非常迅速。70年代以后，IG、LSI、微型計算機(jī)、DSP、ASIC等實用化取得了進(jìn)展，采用微型器件的控制技術(shù)、信號處理技術(shù)也日益成熟。電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。電力電子技術(shù)的內(nèi)容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。近代新型電力電子器件中大量應(yīng)用了微電子學(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)器件的特點和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。利用這些電路，根據(jù)應(yīng)用對象的不同，組成了各種用途的整機(jī)，稱為電力電子裝置。電子

5、學(xué)、電工學(xué)、自動控制、信號檢測處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應(yīng)用。第1章 函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖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驗調(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運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

6、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)計方法。 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穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，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2章 簡易信號發(fā)生器基本原理函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以采用由運放及分離元件構(gòu)成；也可以采

7、用單片集成函數(shù)發(fā)生器。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，本課題介紹方波、三角波、正弦波函數(shù)發(fā)生器的方法。2、1 RC橋式正弦波振蕩器（文氏電橋振蕩器）圖為RC橋式正弦波振蕩器。其中RC串、并聯(lián)電路構(gòu)成正反饋支路，同時兼作選頻網(wǎng)絡(luò)，R1、R2、RW及二極管等元件構(gòu)成負(fù)反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)電位器RW，可以改變負(fù)反饋深度，以滿足振蕩的振幅條件和改善波形。利用兩個反向并聯(lián)二極管D1、D2正向電阻的非線性特性來實現(xiàn)穩(wěn)幅。D1、D2采用硅管（溫度穩(wěn)定性好），且要求特性匹配，才能保證輸出波形正、負(fù)半周對稱。R3的接入是為了削弱二極管非線性的影響，以改善波形失真。電路的振蕩頻率 起振的幅值條件

8、2 式中RfRWR2（R3 / rD），rD 二極管正向?qū)娮?。調(diào)整反饋電阻Rf（調(diào)RW），使電路起振，且波形失真最小。如不能起振，則說明負(fù)反饋太強，應(yīng)適當(dāng)加大Rf。如波形失真嚴(yán)重，則應(yīng)適當(dāng)減小Rf。改變選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)C或 R，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般采用改變電容C作頻率量程切換，而調(diào)節(jié)R作量程內(nèi)的頻率細(xì)調(diào)。RC橋式正弦波振蕩器2、2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理方波-三角波轉(zhuǎn)換電路圖圖所示的電路能自動產(chǎn)生方波三角波。電路工作原理若下：若a點斷開，運放A1與R1、R2及R3、RP3組織成比較器，R1成為平衡電阻，運放的反相端接基準(zhǔn)電壓，及U_=0，同相端接輸入電壓Uia；比較器的輸出Uo1的

9、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，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。比較器的電壓傳輸特性a點斷開后，運放A2與R4、RP3、C2、及R5組成反相積分器，其輸入信號

10、為方波U01，則積分器的輸出 (3-2-5)當(dāng)U01=+Vcc時， (3-2-6)當(dāng)U01=-Vcc時， (3-2-7)可見積分器輸入方波時，輸出是一個上升速率與下降速率相等的三角波，其波形如圖所示。方波三角波波形當(dāng)a點閉合，即比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產(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（3-8）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，一般不會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

11、出幅度不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可以實現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波三角波的頻率2、3 三角波-à正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理三角波-à正弦波轉(zhuǎn)換電路圖差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點漂移，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： （3-3-1） 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，UT26mV。如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為 （3-

12、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：三角波正弦波變換為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：A、 傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；B、 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)。C、 圖為實現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。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

13、濾除諧波分波形量，改善輸出2、4 電路的參數(shù)選擇與計算2、4、1 方波-三角波部分運放A1與A2用741，因為方波的幅度接近電源電壓+VCC=+12V,-VEE=-12V.比較器A1與積分器A2的元件參數(shù)計算如下。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)100Hzf1kHz時， 取C2=0.1uF, 則10K<R4+RP2<100K,取R4=1k, RP2=100 k。 當(dāng)1kHzf10kH時，取C1=0.01uF

14、以實現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻R5=10K。2、4、2 三角波>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，因為輸出頻率不是很大，取C3=47uF

15、，C4=C5=470uF，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。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)工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R確定。第3章 電路仿真3、1 方波波形上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時的情況，此時f208Hz，V22V。3、2 三角波波形上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時的情況，此時f200Hz，V6V。3、3 正弦波波形上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時的情況，此時f214Hz，V1.2V。3、4 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的仿真上

16、圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時的情況，此時f208Hz.3、5 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真上圖所示為開關(guān)打到C2=0.1uF時的情況，此時f210Hz。第4章 電路的安裝與調(diào)試4、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，同時輸出方波和正弦波，所以這兩個單元電路可以同時安裝。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)計值，否則會導(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)RP1，使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計指標(biāo)要求，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率連續(xù)可變。4、2 三角波正弦波變換的調(diào)試 1、差分放大

17、器傳輸傳輸特性曲線調(diào)試。將C4與RP3的連線斷開，經(jīng)電容C4輸入差模信號電壓uid=50mV，fi=10kHz的正弦波。調(diào)節(jié)RP4及電阻R，使傳輸特性曲線對稱。再逐漸增大uid，直到傳輸特曲線形狀如圖3-6所示，記下此時對應(yīng)的uid，即uidm值。移去信號源，再將C4左端接地，測量差分放大器的靜態(tài)工作點Io、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。 2、三角波-正弦波變換電路的調(diào)試。將RP3與C4連接，調(diào)節(jié)RP3使三角波的輸出幅度經(jīng)由RP3 后輸出等于uidm值，這時U03的輸出波形應(yīng)接近正弦波，調(diào)整C6大小可以改善輸出波形。如果U03的波形出現(xiàn)如圖5-2-2所示的幾種正弦波失真，則應(yīng)調(diào)整和修

18、改電路參數(shù)，產(chǎn)生失真的原因及采取的相應(yīng)措施有：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。半波圓頂或平頂失真 如圖（b）如示，傳輸特性曲線對稱性差，工作點Q偏上或偏下，應(yīng)調(diào)整電阻R。非線性失真如圖（c）所示，三角波的線性度較差引起的失真，主要受運放性能的影響?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡(luò)（如C6=100pF）改善輸出波形。4、3 誤差分析1. 方波輸出電壓Vp-p2Vcc，因為運放輸出級是由NPN型或PNP型兩種晶體管組成的復(fù)合互補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飽和導(dǎo)通，導(dǎo)通時輸出電阻的影響，使方波輸出幅度小于電源電壓值。2. 方波的上升時間Tr，主要受到運放轉(zhuǎn)換速度的限制

19、。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。4、4 PCB板圖：第5章 課程設(shè)計總結(jié)該設(shè)計電路通過先產(chǎn)生方波-三角波，再將三角波變換成正弦波，最終把簡易信號發(fā)生器設(shè)計了出來。在這幾周的簡易信號發(fā)生器課程設(shè)計期間，我遇到了平時從未有過的困難。因為課程設(shè)計不是某一方面的知識就可以完成的，而是多個知識點的結(jié)合，再與平時所學(xué)的理論知識相銜接。又因為自己所學(xué)的知識有限，要設(shè)計出此電路需要花費大量的時間去查找資料，一個人真的很難完成，但經(jīng)過兩周的艱苦努力，團(tuán)隊的默契配合，終于還是完成了課程設(shè)計的任務(wù)。通過對函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，我學(xué)到了很多的知

20、識，一方面，我掌握了常用元件的識別和測試方法；熟悉了常用的儀器儀表；以及如何提高電路的性能等等。另一方面，我深刻認(rèn)識到了“理論聯(lián)系實際”這句話的重要性與真實性。而且通過對此課程的設(shè)計，我不但知道了以前不知道的理論知識，而且也鞏固了以前知道的知識。最重要的是在實踐中理解了書本上的知識，明白了學(xué)以致用的真諦。這段時間是我們小組在大學(xué)期間不可多得的美好記憶。它給了我們很多的感受和經(jīng)驗，讓我們在飽受酸甜苦辣的同時也體會到集體的力量和成功的喜悅。在我們以后的人生中，這些感受和經(jīng)驗將會充實我們的生活，美化我們的人生。通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)高頻電子線路方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考