函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)------模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、模 擬 電 子 技 術(shù) 課 程 設(shè) 計(jì)學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院指導(dǎo)老師：田莉指導(dǎo)老師：田莉課程設(shè)計(jì)題目課程設(shè)計(jì)題目 ：函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)：函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)完完 成成 時(shí)時(shí) 間：間： 2013年年6月月3日日實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?設(shè)計(jì)任務(wù)1-1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)本課題設(shè)計(jì)，要求掌握方波，三角波，正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法與調(diào)試技術(shù)。學(xué)會(huì)安裝與調(diào)試由多級(jí)單元電路組成的電子線路，學(xué)會(huì)使用集成函數(shù)發(fā)生器。1-2設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)課題：方波-三角波-正弦波發(fā)生器1-3主要技術(shù)指標(biāo) 頻 率 范 圍： 10HZ-100HZ,100HZ-1KHZ,1KHZ-10KHZ. 頻率控制方式： 通過(guò)改變RC時(shí)間常數(shù)手控信號(hào)頻

2、率。通過(guò)改變控制電壓Uc實(shí)現(xiàn)壓控頻率。輸 出 電 壓： 正弦波 Upp=3V 幅度連續(xù)可調(diào) 三角波 Upp=5V 幅度連續(xù)可調(diào) 方 波 Upp=14V 幅度連續(xù)可調(diào)波 形 特 性： 方波上升時(shí)間小于2 S； 三角波非線性失真小于1%； 正弦波諧波失真小于3%；日期 地點(diǎn)二二 函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的總方案及原理圖的總方案及原理圖2-1 函數(shù)發(fā)生器的總方案函數(shù)發(fā)生器的總方案 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三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。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

3、種，本課題采用先產(chǎn)生方波產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，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。三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法。2-2本課題中函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖如下所示：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)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)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)等完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，

4、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。器傳輸特性曲線的非線性。日期 地點(diǎn)3-1 方波發(fā)生電路的工作原理方波發(fā)生電路的工作原理 此電路由反相輸入的滯回比較器和此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)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)充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)

5、的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過(guò)通過(guò)R3對(duì)電容對(duì)電容C正向充正向充電，如圖中實(shí)線箭頭所示。反相輸入端電位電，如圖中實(shí)線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時(shí)間隨時(shí)間t的增長(zhǎng)而逐漸增高，的增長(zhǎng)而逐漸增高，當(dāng)當(dāng)t趨于無(wú)窮時(shí)，趨于無(wú)窮時(shí)，Un趨于趨于+Uz；但是，一旦；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，再稍增大，Uo從從+Uz躍躍變?yōu)樽優(yōu)?Uz,與此同時(shí)與此同時(shí)Up從從+Ut躍變?yōu)檐S變?yōu)?Ut。隨后，。隨后，Uo又通過(guò)又通過(guò)R3對(duì)電容對(duì)電容C反向充反向充電，如圖中虛線箭頭所示。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)隨時(shí)

6、間逐漸增長(zhǎng)而減低，當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，趨于無(wú)窮大時(shí)，Un趨于趨于-Uz；但是，一旦；但是，一旦Un=-Ut,再減小，再減小，Uo就從就從-Uz躍變?yōu)檐S變?yōu)?Uz，Up從從-Ut躍變?yōu)檐S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，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。振蕩。三三 各單元電路及其各單元電路及其原理原理日期 地點(diǎn)3-2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理R112354U1R2R3 50%Rp1R4 50%Rp212354U2C1R17工作原理工作原理如下：工作原理如下：若若a點(diǎn)斷開，運(yùn)算發(fā)大器點(diǎn)斷開，運(yùn)算發(fā)大器A1與與R1、R2及及R3、RP1組成

7、電壓比較器，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)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，即放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平的高電平等于正電源電壓等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓，低電平等于負(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當(dāng)比較器的當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出輸出Uo1從高電平跳到低電平從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平或者從低電平Vee跳到高電平跳到高電平Vcc。設(shè)。設(shè)U

8、o1=+Vcc,則則 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia-為為 若若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為為 比較器的門限寬度比較器的門限寬度 由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3-71所示。所示。a點(diǎn)斷開后，運(yùn)放點(diǎn)斷開后，運(yùn)放A2與與R4、RP2、C2及及R5組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波Uo1，則積分器的輸出，則積分器的輸出Uo2為為 時(shí)，時(shí)， 時(shí)，時(shí)， 可見(jiàn)積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)

9、系下圖所示?？梢?jiàn)積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。三角波的幅度為三角波。三角波的幅度為 方波方波-三角波的頻率三角波的頻率f為為 由以上兩式可以得到以下結(jié)論：由以上兩式可以得到以下結(jié)論：電位器電位器RP2在調(diào)整方波在調(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，改變頻率的范圍，PR

10、2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓方波的輸出幅度應(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。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過(guò)電源電壓+Vcc。電位器電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波-三角波的頻率。三角波的頻率。日期 地點(diǎn)3-3 3-3 三角波三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 日期 地點(diǎn)三角波三角波正弦波的變換電路主要由差分放大電路來(lái)完成。正弦波的變換電路主要由差分放大電路來(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)

11、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：達(dá)式為： 式中式中 差分放大器的恒定電流；差分放大器的恒定電流；溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25oc時(shí)，時(shí)，UT26mV。如果如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為為三角波，設(shè)表達(dá)式為 式中式中Um三角波的幅度；三角波的幅度； T三角波的周期。三角波的周期。為使

12、輸出波形更接近正弦波，由圖可見(jiàn)：為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見(jiàn)：傳輸特性曲線越對(duì)稱，線性區(qū)越窄越好；傳輸特性曲線越對(duì)稱，線性區(qū)越窄越好；三角波的幅度三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。圖為實(shí)現(xiàn)三角波圖為實(shí)現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中正弦波變換的電路。其中Rp1調(diào)節(jié)三角波的幅度，調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp2調(diào)整電路的調(diào)整電路的對(duì)稱性，其并聯(lián)電阻對(duì)稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來(lái)減小差分放大器的線性區(qū)。電容用來(lái)減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1,C2,C3為隔直電容，為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。為濾波電容，以濾除諧波分量，改善

13、輸出波形。日期 地點(diǎn)C4-12VVCCR5R6R7R8R9R11-12VVCCR12 50%R13C5C2R14IO2 三角波正弦波變換電路日期 地點(diǎn)三角波-正弦波變換日期 地點(diǎn)3-4電路的參數(shù)選擇及計(jì)算1.方波方波-三角波中電容三角波中電容C1變化（關(guān)鍵性變化之一）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從從10uf（理論時(shí)可出來(lái)波（理論時(shí)可出來(lái)波形）換成形）換成0.1uf時(shí)，順利得出波形。實(shí)際上，分析一下便知當(dāng)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，時(shí)，頻率很低，不容易在實(shí)際電路中

14、實(shí)現(xiàn)。不容易在實(shí)際電路中實(shí)現(xiàn)。2.三角波三角波-正弦波部分正弦波部分比較器比較器A1與積分器與積分器A2的元件計(jì)算如下。的元件計(jì)算如下。由式（由式（3-61）得）得 即即 取取 ，則，則 ，取，取 ，RP1為為47K的電位器。區(qū)平衡電阻的電位器。區(qū)平衡電阻 由式（由式（3-62） 即即 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，取時(shí)，取 ，則，則 ，取，取 ，為，為100K電位器。當(dāng)電位器。當(dāng) 時(shí)時(shí) ，取，取 以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及及RP2的取值不變。取平衡電阻的取值不變。取平衡電阻 。三角波三角波正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容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

15、得較大，因要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率很低，取為輸出頻率很低，取 ，濾波電容，濾波電容 視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多， 可可取得較小，取得較小， 一般為幾十皮法至一般為幾十皮法至0.1微法。微法。RE2=100歐與歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差歐姆相并聯(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及電阻及電阻R*確定。確定。日期 地點(diǎn)3.5 總電路圖日期 地點(diǎn)四 電路仿真結(jié)果圖圖1：輸出方波波形：輸出方波波形圖圖2:輸出三角波波形

16、輸出三角波波形圖圖3：輸出方波：輸出方波三角波波形三角波波形日期 地點(diǎn)4-2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真日期 地點(diǎn)五 電路可能出現(xiàn)的故障及排除方法5-1方波方波-三角波發(fā)生器的裝調(diào)三角波發(fā)生器的裝調(diào)由于比較器由于比較器A1與積分器與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時(shí)輸出組成正反饋閉環(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，安裝電位器的是，安裝電位器RP1與與RP2之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計(jì)值，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)先使如設(shè)計(jì)舉例題中，應(yīng)先使RP1=10K,RP2?。ㄈ。?.5-70）K內(nèi)內(nèi)的

17、任一值的任一值,否則電路可能會(huì)不起振。只要電路接線正確，否則電路可能會(huì)不起振。只要電路接線正確，上電后，上電后，UO1的輸出為方波，的輸出為方波，UO2的輸出為三角波，微調(diào)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)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，則輸出頻率在對(duì)應(yīng)波段內(nèi)連續(xù)可變。輸出頻率在對(duì)應(yīng)波段內(nèi)連續(xù)可變。日期 地點(diǎn) 按照?qǐng)D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C5輸入差摸信號(hào)電壓Uid=50v，F(xiàn)i =100Hz正弦波。調(diào)節(jié)R8及電阻R*,是傳輸特性曲線對(duì)稱。在逐漸增

18、大Uid。記下次時(shí)對(duì)應(yīng)的 Uid即Uidm值。移去信號(hào)源，再將C5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) R8與C5連接，調(diào)節(jié)R8使三角波輸出幅度經(jīng)R8等于Uidm值，這時(shí)Uo3的 輸出波形應(yīng)接近正弦波，調(diào)節(jié)C3大小可改善輸出波形。如果Uo3的 波形出現(xiàn)幾種正弦波失真，則應(yīng)調(diào)節(jié)和改善參數(shù)，產(chǎn)生失真的原因及采取的措施有；1）鐘形失真 ，傳輸特性曲線的 線性區(qū)太寬，應(yīng)減小R16。 2）半波圓定或平頂失真 ，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，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。可接加速電容C1，一般取C1為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測(cè)量T 5-2三角波-正弦波變換電路的裝調(diào)日期 地點(diǎn)六 電路的仿真結(jié)果日期 地點(diǎn)6-2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果日期 地點(diǎn)七 本實(shí)驗(yàn)的心得體會(huì) 通過(guò)最初的題目的選擇，資料的收集，實(shí)驗(yàn)原理的確通過(guò)最初的題目的選擇，資料的收集