北郵模電實(shí)驗(yàn)報(bào)告函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1、北京郵電大學(xué)電子電路綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課題名稱：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 學(xué)院： 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 班內(nèi)序號(hào)： 課題名稱：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)摘要：采用運(yùn)算放大器組成的積分電路產(chǎn)生比較理想的方波-三角波，根據(jù)所需振蕩頻率和對(duì)方波前后沿陡度、方波和三角波幅度的要求，選擇運(yùn)放、穩(wěn)壓管、限流電阻和電容。三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性實(shí)現(xiàn)，選取合適的滑動(dòng)變阻器來調(diào)節(jié)三角波的幅度和電路的對(duì)稱性，同時(shí)利用隔直電容、濾波電容來改善輸出正弦波的波形。關(guān)鍵詞：方波 三角波 正弦波 一、設(shè)計(jì)任務(wù)要求1 基本要求：設(shè)計(jì)制作一個(gè)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器電路，該電路能夠輸出頻率可調(diào)的正弦波、三角波和方

2、波信號(hào)。(1) 輸出頻率能在1-10KHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，無明顯失真。(2) 方波輸出電壓Uopp=12V（誤差小于20%），上升、下降沿小于10us。(3) 三角波Uopp=8V（誤差小于20%）。(4) 正弦波Uopp1V，無明顯失真。2. 提高要求：(1) 輸出方波占空比可調(diào)范圍30%-70%。(2) 三種輸出波形的峰峰值Uopp均可在1V-10V內(nèi)連續(xù)可調(diào)。二、設(shè)計(jì)思路和總體結(jié)構(gòu)框圖總體結(jié)構(gòu)框圖：設(shè)計(jì)思路：由運(yùn)放構(gòu)成的比較器和反相積分器組成方波-三角波發(fā)生電路，三角波輸入差分放大電路，利用其傳輸特性曲線的非線性實(shí)現(xiàn)三角波-正弦波的轉(zhuǎn)換，從而電路可在三個(gè)輸出端分別輸出方波、三角波和正弦波

3、，達(dá)到信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)的基本要求。將輸出端與地之間接入大阻值電位器，電位器的抽頭處作為新的輸出端，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)幅度的連續(xù)調(diào)節(jié)。利用二極管的單向?qū)ㄐ?，將方?三角波中間的電阻改為兩個(gè)反向二極管一端相連，另一端接入電位器，抽頭處輸出的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)占空比連續(xù)可調(diào)，達(dá)到信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)的提高要求。三、分塊電路和總體電路的設(shè)計(jì)過程1. 方波-三角波產(chǎn)生電路電路圖：設(shè)計(jì)過程： 根據(jù)所需振蕩頻率的高低和對(duì)方波前后沿陡度的要求，選擇電壓轉(zhuǎn)換速率SR合適的運(yùn)算放大器。方波要求上升、下降沿小于10us，峰峰值為12V。LM741轉(zhuǎn)換速率為0.7V/us，上升下降沿為17us，大于要求值。而LM318轉(zhuǎn)換速率為70V/

4、us，上升下降沿為0.17us，滿足要求。故產(chǎn)生方波的比較器用LM318，產(chǎn)生三角波的反相發(fā)生器用LM741。根據(jù)所需輸出方波幅度的要求，選擇穩(wěn)壓值合適的穩(wěn)壓管VDW1、VDW2的型號(hào)和限流電阻R0的大小。輸出方波幅度要求為12V，所以選用穩(wěn)壓值為6V的穩(wěn)壓管。R0作用為限流，選擇阻值2K。根據(jù)輸出三角波的幅度要求，確定R1與Rf的大小。方波經(jīng)積分得到三角波，幅度為U02m=±R1Rf(UZ+UD)，要求中三角波峰峰值為8V，UZ+UD=6V，所以R1和Rf的比值為2：3，故選取R1為20K，Rf為30K。R3為平衡電阻，阻值為R1和Rf并聯(lián)的值，故R3取12K。根據(jù)所要求的振蕩頻率

5、確定R2和C的大小。方波和三角波的振蕩頻率相同，為f=1T=Rf4R1R2C，式中R2為本試驗(yàn)中的R5，C為本實(shí)驗(yàn)中的C1。此處選擇C1為6800pF，R5為4.7k。R4為平衡電阻，應(yīng)與R5一致故為4.7k。2. 三角波-正弦波電路電路圖：設(shè)計(jì)過程：靜態(tài)工作點(diǎn)：Ir=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4= Ic4+2 Ic4/Ic4= Ic3 Ic4= Ic3=(Ucc+Uee-Ube)/( R15+ R14)設(shè)定靜態(tài)工作點(diǎn)的要先確定Ic3，本實(shí)驗(yàn)中，取Ic3為1mA，故取 R15=20K，R14 =2K。兩管輸入對(duì)稱，故R13 =R14 =2K。R8用來調(diào)整電路的對(duì)稱性，不能取太大，選

6、取總阻值為100的電位器。并聯(lián)電阻R12用來減小差分放大器傳輸特性曲線的線性區(qū)。電容C2 C3 C4為隔直電容，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，實(shí)驗(yàn)中取值33uF。C5為濾波電容，濾除諧波分量，改善正弦波形，取值20nF。R6調(diào)節(jié)三角波的幅度，可調(diào)范圍應(yīng)該比較大，故取R6=100k。R9與R16為平衡電阻，取值為R9= R16=3.3K。流進(jìn)T1，T2集電極電流為0.5mA，為滿足其正弦波的幅度大于1V，取R10= R11=5.6k，使得電流流經(jīng)它們的電壓降不至于很大。三角波-正弦波變換過程：3. 總體電路電路圖：電路設(shè)計(jì)：由于正弦波的產(chǎn)生以三角波為基礎(chǔ)，故將前一級(jí)方

7、波-三角波電路處三角波的輸出接到第二級(jí)電路的輸入即完成整體電路的連接。四、所實(shí)現(xiàn)功能說明1. 基本功能接入工作電壓之后可以分別產(chǎn)生幅度和頻率可調(diào)的方波、三角波、正弦波。方波：三角波：正弦波：2. 擴(kuò)展功能調(diào)節(jié)占空比：將原電路圖的R5改為這樣的結(jié)構(gòu)，利用二極管的單向?qū)щ娦?，電位器的調(diào)節(jié)使兩個(gè)方向串接的電阻值不同，使得電容C充電、放電的時(shí)間不同，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)占空比的擴(kuò)展功能。調(diào)節(jié)占空比電路圖：輸出幅度連續(xù)可調(diào)：將各個(gè)輸出端與地之間接入大阻值電位器（小阻值電位器耗能大則信號(hào)幅度最大值達(dá)不到要求），實(shí)驗(yàn)中選20K電位器，電位器的抽頭處作為新的輸出端，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)幅度的連續(xù)調(diào)節(jié)。輸出幅度連續(xù)可調(diào)實(shí)現(xiàn)電路

8、圖：3. 主要測(cè)試數(shù)據(jù)三種輸出波形的輸出頻率在1-10.7KHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，無明顯失真。方波的峰峰值為14V，大于實(shí)驗(yàn)要求的峰峰值，誤差為14%，小于20%，滿足實(shí)驗(yàn)要求。上升時(shí)間為520ns、下降時(shí)間為560ns，均小于10us。三角波的峰峰值為9.6 V，誤差為16.7%，小于20%，滿足實(shí)驗(yàn)要求。正弦波的峰峰值為5.88V，大于1V，符合要求。輸出方波占空比可調(diào)范圍大于30%-70%。三種輸出波形的峰峰值Uopp均可在0.2V-10.5V內(nèi)連續(xù)可調(diào)，大于實(shí)驗(yàn)要求的1V-10V。4. 必要的測(cè)試方法利用直流電壓源產(chǎn)生工作電壓，用示波器測(cè)試輸出電壓波形、幅值、頻率、占空比等，用萬用表測(cè)量

9、電阻的阻值及電容容值。五、故障及問題分析在第一次試驗(yàn)中，第一級(jí)方波-三角波發(fā)生電路只能產(chǎn)生類似噪聲信號(hào)的波形，于是將電路板重插，這次插電路板注意把電阻引腳都剪短使其貼近面包板，減少引腳短接的可能，重新測(cè)量后波形仍沒出現(xiàn)，于是開始排錯(cuò)，重新檢查了LM318及LM741的引腳圖，發(fā)現(xiàn)6腳和7腳接反了，改正后波形出現(xiàn)，振幅符合誤差范圍，頻率調(diào)節(jié)范圍也達(dá)到要求，于是開始第二級(jí)電路的搭建。第二級(jí)電路連好后，波形總是出現(xiàn)下圖的失真，而且調(diào)節(jié)R6和R8均對(duì)波形無任何影響。在電路排錯(cuò)過程中，發(fā)現(xiàn)C3正負(fù)極接反，改正后波形仍然失真。詢問老師后將C5的值由原定的0.01uF改為20nF，波形變?yōu)轭愃品讲?。調(diào)節(jié)R6

10、，改變?nèi)遣ǖ姆?，調(diào)出正弦波形，調(diào)節(jié)R8使差分放大電路對(duì)，解決了問題。失真圖示：在拓展要求的幅度連續(xù)可調(diào)實(shí)驗(yàn)中，電位器接入后幅度可調(diào)，但最大幅度小于10V，經(jīng)過思考發(fā)現(xiàn)電位器阻值不夠大，使得能量損耗大導(dǎo)致輸出幅度減小。于是向老師要了更大的電位器，達(dá)到了幅度的要求。 六、總結(jié)和結(jié)論本實(shí)驗(yàn)共分四周進(jìn)行，第一周老師帶領(lǐng)我們進(jìn)行了理論學(xué)習(xí)，第二第三周進(jìn)行了電路實(shí)現(xiàn)。之前進(jìn)行的模電實(shí)驗(yàn)總是比較簡(jiǎn)單，電阻電容等元件用的都不多，所以插電路板的習(xí)慣并不規(guī)范，這次實(shí)驗(yàn)用的元件很多，第一次插第一級(jí)方波-三角波電路時(shí)沒有剪短電阻引腳，使得電路很亂，給排錯(cuò)也造成了困難，于是對(duì)插電路板進(jìn)行了改進(jìn)，把引腳剪短，不斜插元

11、件，改用導(dǎo)線連接，電路變得清晰整潔了很多。本實(shí)驗(yàn)用到了模電中運(yùn)放比較器、積分器以及差分放大電路傳輸特性等知識(shí)，由于模電課在大二上學(xué)期已經(jīng)結(jié)束，所以這些知識(shí)都有些忘記，理論知識(shí)掌握不牢靠導(dǎo)致電路設(shè)計(jì)時(shí)無從下手。于是將相關(guān)內(nèi)容復(fù)習(xí)了一遍，之后理論設(shè)計(jì)部分順利了許多。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)我的實(shí)踐能力與理論分析能力都起到了很好的提高作用，同時(shí)也使我明白做事情一定要淡定，越忙亂會(huì)離成功越遠(yuǎn)，按部就班頭腦清醒地排查錯(cuò)誤，才能一步步走向?qū)嶒?yàn)的成功。附錄一 MULTISIM繪制的電路原理圖電路圖（含拓展功能）：附錄二 所用元器件及測(cè)試儀表清單元器件R()個(gè)數(shù)Rw()個(gè)數(shù)20K210k230K120k412K110024.