武漢理工大學電子技術課程設計-函數發(fā)生器的設計

1、武漢理工大學電子技術基礎課程設計說明書緒 論 函數發(fā)生器是一種多波形的信號源。它可以產生正弦波、方波、三角波、鋸齒波，甚至任意波形。有的函數發(fā)生器還具有調制的功能，可以進行調幅、調頻、調相、脈寬調制和VCO控制。函數發(fā)生器有很寬的頻率范圍，使用范圍很廣，它是一種不可缺少的通用信號源。可以用于生產測試、儀器維修和實驗室，還廣泛使用在其它科技領域，如醫(yī)學、教育、化學、通訊、地球物理學、工業(yè)控制、軍事和宇航等。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構成各種信號波形發(fā)生器。用集成電路實現的信號波形發(fā)生器與其它信號波形發(fā)生器相比，其波形質量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標，都有了很大的提高。電路形式可

2、以采用由運放及分離元件構成；也可以采用單片集成函數發(fā)生器。根據用途不同，有產生三種或多種波形的函數發(fā)生器，本課題介紹方波、三角波、正弦波函數發(fā)生器的方法。1 方案論證與比較1.1總體設計方案論證及選擇1.1.1 方案一由RC橋式電路振蕩產生正弦波，再經整形積分產生方波和三角波，原理方框見圖1 過零比較器文氏橋振蕩電路積分電路圖1 由RC網絡的轉換流程電路圖1.1.2 方案二由比較器和積分器組成方波三角波產生電路，比較器輸出的方波經積分器得到三角波，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

3、點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。本電路可以很好的結合已學的知識與實踐，且輸出波形幅度及頻率均可通過改變元件參數進行調整，方便且成本較低。1.1.3 方案三用555定時器做出方波，再由方波通過運放作出三角波。三角波方波轉換電路三角波信號發(fā)生器TP1TP2圖2 555定時器做出方波三角波可行性分析在以上四種方案中：方案一：用RC橋式電路及整形積分電路構成的函數發(fā)生器所產生的信號難控制，不易調試，可調范圍??；方案二：產生信號相對簡單。方案三：應用芯片，由運放，電位器等組成的多功能函數信號發(fā)生器，精確度高，但過于復雜；。最后我選擇第二種方案。2 系統(tǒng)方案及單元電路2.1 函數發(fā)生器方案概

4、述圖1為函數發(fā)生器的總體框圖，由比較器和積分器組成方波三角波產生電路，比較器輸出的方波經積分器得到三角波，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。圖3 函數發(fā)生器總體框圖2.2 單元電路設計2.2.1 方波-三角波產生電路圖2所示的電路能自動產生方波-三角波。電路工作原理如下：若a點斷開，運算放大器U1與R1、R2、RP1組成電壓比較器，運放的反向端接基準電壓，即V-=0，同向輸入端接輸入電

5、壓Via；比較器的輸出Vo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負電源電壓-Vee；（|+Vcc|=-|Vee|）；當比較器的V+=V-=0時，比較器翻轉，輸出Vo1從高電平+Vcc跳轉到低電平-Vee，或從低電平跳到高電平。設vo1=+Vcc,則圖4 方波-三角波產生電路 式中RP1指電位器的調整值，（下同），將上式整理，可知比較器下門限電位 當vo1=+Vcc,則比較翻轉器下門限電位運放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1時，則輸出積分器的電壓為當Vo1=+Vcc時當Vo1=-VEE時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

6、形如圖3所示。 a點閉合，即比較器與積分器首尾相連,形成閉環(huán)電路,則自動產生方波三角波。三角波的幅度為方波三角波的頻率為 由上分析可知：電位器RP2在調整方波三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。方波的輸出幅度應等于電源電壓。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓。電位器RP1可實現幅度上午微調，但會影響波形的頻率。 圖5 電壓比較器原理波形圖 .0圖6 方波-三角波波形2.2.2 三角波-正弦波變換電路 三角波正弦波的變換主要有差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高、抗干擾能力強等優(yōu)點。特別是做直流放大器時，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

7、換的原理是利用差分放大器傳輸特性的非線性。其非線性及變換原理如圖4。圖7 三角波-正弦波波形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。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應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。下圖為實現三角波正弦波變換的電路。其中Rp1調節(jié)三角波的幅度，Rp2調整電路的對稱性，其并聯電阻RE2用來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

8、容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。圖8 三角波正弦波變換電路3 元器件的選擇3.1 元器件型號及參數計算 采用上圖所示的電路，差分放大器中T1與T2使用9013，恒流源中的T3與T4使用9013。比較器A1與積分器A2的元件參數計算如下：由因此因為當1Hzf100Hz時，取C2=1F，則R4+RP2=（757.5）k，取5.1 k，RP2為100 k電位器。當 100Hzf1000Hz，取C2=0.1F以實現頻率波段的轉換，R4、RP2的值不變。當1000Hzf10000Hz時，取C2=0.01F，取平衡電阻R5=10 k。三角波正弦波變換電路的參數選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得大

9、，因為輸出頻率較低，取C3=C4=C5=470F，濾波電容C6的值視輸出的波形而定，若含有高次諧波較多，則C6一般為幾十皮法至0.1F。3.2 集成運算放大器LM324每塊運放集成電路內含有四個相同的運算放大器，它們電源共用，彼此獨立工作，管腳排列如圖一所示。圖9（集成運算放大器LM324）4電路仿真4.1方波三角波發(fā)生電路的仿真方波：圖10 仿真-方波三角波：圖11 仿真-三角波4.2三角波正弦波轉換電路的仿真圖12 三角波-正弦波5 電路安裝與調試方波-三角-正弦波函數發(fā)生器電路是由三級單元電路組成的，在裝調多級電路時，通常按照單元電路的先后順序進行分級裝調與級聯。（1）方波三角波發(fā)生器的

10、裝調由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時輸出方波與三角波，這兩個單元電路可以同時安裝。需要注意的是，安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調整到設計值，如設計舉例題中，應先使RP1=10K，RP2?。?.570）內的任一阻值,否則電路可能會不起振.只要電路接線正確,上電后,U01的輸出為方波,U02的輸出為三角波,微調RP1,使三角波的輸出幅度滿足設計指標要求,調節(jié)RP2,則輸出頻率在對應波段內連續(xù)可變.（2）三角波正弦波變換電路的裝調按照圖2.2.2所示電路，裝調三角波-正弦波變換電路，其中差分放大器可利用課題三設計完成的電路。電路的調試步驟如下：1）經電容C4輸入差模信號電壓

11、uid=500mV，fi=100Hz的正弦波。調節(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3-73所示，記下此時對應的uid，即uidm值。2）將RP3與C4連接，調節(jié)RP3使三角波的輸出幅度經RP3后輸出等于uidm值，這時U03的輸出波形應接近正弦波，調整C6大小可以改善輸出波形。如果U03的波形出現如圖4.1所示的幾種正弦波失真，則應調整和修改電路參數，產生失真的原因及采取的相應措施有：鐘形失真如圖4.1.（a）所示，傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬，應減小RE2。半波圓頂或平頂失真 如圖4.1.（b）如示，傳輸特性曲線對稱性差，工作點Q偏上或偏下，應調整電

12、阻R*。 非線性失真 如圖圖4.1.（c）所示，三角波的線性度較差引起的非線性失真，主要受運放性能的影響?？稍谳敵龆思訛V波網絡（如C6=0.1mF）改善輸出波形。3）性能指標測量與誤差分析1、方波輸出電壓UP-P2Vcc是因為運放輸出級由NPN型與PNP型兩種晶體管組成復補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飽和導通，由于導通時輸出電阻的影響，使方波輸出度小于電源電壓值。2、方波的上升時間tr，主要受運算放大器轉換速率的限制。如果輸出頻率較高，可接入加速電容C1（圖4.2.16），一般取C1為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測量tr。圖13 幾種波形失真情況6實物圖圖14 正面 圖15 反面7

13、總結 本次課程設計我在集成運放的基礎上，設計出了由方波三角波共同起振加強了我們對課本上知識的思考及動手實踐能力。在一個星期的資料收集過程中，我先了解了函數發(fā)生器的原理，接著開始著手其設計方案，在網上以及參考書上了解到了幾種可用于產生波形的電路以及用單片機設計函數發(fā)生器的方法，經過分析各自的優(yōu)劣并結合自己現有的知識水平，我選擇了上述設計方案。接著便開始根據課程設計的具體要求對電路進行修改，并通過計算進行參數設置。這之中的過程都是一些小問題，但這也說明了平時課本上知識應當學扎實，這樣才不至于在實際應用的時候找不到頭緒，真正達到理論與實際結合的效果。這次的模擬電子技術課程設計，雖然在這個過程中我遇到

14、了不少的困難，但最后都通過請教老師或與同學討論而解決了，這也使我更深刻的體會到了團隊合作的重要性，另外我也感受到了自己動手的樂趣，平時單學習理論知識可能會感到很枯燥，但要是把理論與實踐結合起來的話，就會使自己更有求知的渴望。當我們拿到課題就開始設計方案，在考慮了眾多的方案后最終總算定下來了，選了一個我認為我自己能弄出來的自己有辦法能解決的，能夠通過自己的努力做出來的，通過自己的努力最終能夠有所收獲，能夠達到其設計的目的。在遇到問題后能夠努力解決問題，也學會了一些新的東西，以前沒有嘗試過的，我想目前我們做電子課程設計，最重要是在自己已接觸的知識的基礎上擴展，鞏固所學，從而創(chuàng)新！通過這次課設之后，要很認真的把所學過的知識溫習一遍，溫故知新！8 參考文獻1吳友宇.模擬電子技術基礎M. 北京:清華大學出版社，2009.5.2王冠華.Multisim 11電路設計及應用M.北京：國防工業(yè)出版社，2010.2.3趙文博.常用集成電路速查手冊M.北京：機械工業(yè)出版社，2010.54張慧穎.低頻函數發(fā)