浙江大學(xué)低頻函數(shù)信號發(fā)生器

1、專業(yè)： 自動化（控制）姓名： 學(xué)號：_ 日期：_ 2013/7/16 地點： 月牙樓301 實驗報告課程名稱：_實驗技能訓(xùn)練_指導(dǎo)老師： 仲玉芳、曹崢 成績：_ _實驗名稱：_低頻函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計 實驗類型：_ _同組學(xué)生姓名：_ _一、實驗?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒?、實驗?nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填）四、操作方法和實驗步驟五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理六、實驗結(jié)果與分析（必填）七、討論、心得裝 訂 線 一、實驗?zāi)康暮鸵?. 掌握低頻信號發(fā)生器的工作原理和設(shè)計思路2. 學(xué)習(xí)使用Proteus軟件繪制原理圖并仿真，從而檢驗電路的合理性并為電路調(diào)試提供指導(dǎo)3. 掌握使用Protel99SE繪制原

2、理圖并生成PCB圖的方法4. 學(xué)習(xí)熱轉(zhuǎn)印、腐蝕制作PCB板的方法5. 掌握電路板的焊接技能6. 學(xué)習(xí)電路的調(diào)試過程，加深對實驗原理的理解。二、主要儀器設(shè)備軟件：Proteus、Protel99SE硬件：工具箱、萬用表、電源、示波器、熱轉(zhuǎn)印機、電路板腐蝕機、小臺鉆、打印機三、實驗內(nèi)容和實驗步驟1. 方案比較及可行性分析a) 總體方案討論b) 數(shù)字電路實現(xiàn)方案數(shù)字電路的實現(xiàn)方案，一般可事先在存儲器里存儲好函數(shù)信號波形，再用D/A轉(zhuǎn)換器進行逐點恢復(fù)。這種方案的波形精度主要取決于函數(shù)信號波形的存儲點數(shù)、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度、以及整個電路的時序處理等。其信號頻率的高低，是通過改變D/A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量

3、的速率來實現(xiàn)的。這種方案在信號頻率較低時，具有較好的波形質(zhì)量。隨著信號頻率的提高，需要提高數(shù)字量輸入的速率，或減少波形點數(shù)。波形點數(shù)的減少，將直接影響函數(shù)信號波形的質(zhì)量，而數(shù)字量輸入速率的提高也是有限的。因此，該方案比較適合低頻信號，而較難產(chǎn)生高頻信號（如> 1MHz）。c) 數(shù)模結(jié)合實現(xiàn)方案模數(shù)結(jié)合的實現(xiàn)方案，一般是用模擬電路產(chǎn)生函數(shù)信號波形，而用數(shù)字方式改變信號的頻率和幅度。如采用D/A轉(zhuǎn)換器與壓控電路改變信號的頻率，用數(shù)控放大器或數(shù)控衰減器改變信號的幅度等，是一種常見的電路方式。d) 模擬電路實現(xiàn)方案i. 方案一正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號，然后用過零比較器產(chǎn)生方波，再經(jīng)過積分電路產(chǎn)

4、生三角波，電路框圖如圖所示。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，并具有良好的正弦波和方波信號。但要通過積分器電路產(chǎn)生同步的三角波信號，存在較大的難度。原因是積分電路的積分時間常數(shù)通常是不變的，而隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度將同時改變。若要保持三角波輸出幅度不變，則必須同時改變積分時間常數(shù)的大小，要實現(xiàn)這種同時改變電路參數(shù)的要求，實際上是非常困難的。ii. 方案二由三角波、方波發(fā)生器產(chǎn)生三角波和方波信號，然后通過函數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將三角波信號轉(zhuǎn)換成正弦波信號，電路框圖如圖所示。這種電路在一定的頻率范圍內(nèi)，具有良好的三角波和方波信號。而正弦波信號的波形質(zhì)量，與函數(shù)轉(zhuǎn)換電路的形式有關(guān)。該方案是本實驗信

5、號產(chǎn)生部分的使用方案。2. 單元電路分析及計算1) 分析 R20、R21 的作用，計算其取值范圍；R20、R21起限流作用，控制通過發(fā)光二極管的電流，保護發(fā)光二極管。由于發(fā)光二級管正常工作時的管壓降UF為1.52.0V，工作電流一IF般取1020mA。Rmax=E-UFIF=15V-1.5V10mA=1.35k Rmin=E-UFIF=15V-2V20mA=0.65k故R20、R21的取值范圍為：0.65k1.35k2) 分析 R3 的作用，計算其取值范圍；R3起限流作用，控制通過穩(wěn)壓二極管的電流，使穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)。1N4738的工作電流IzT=76mA 最大電流Izm=275mAR3=1

6、2V-3.3V0.076A=114.4R3min=12V-3.3V0.275A=31.6R3至少要大于31.63) 指出 Q1、Q2 的類型，分析其作用；Q1為NPN型晶體三極管，Q2為PNP型晶體三極管Q1、Q2作用：三極管同電位器和電阻組成電流源電路，位于折線法正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，為折線法正弦轉(zhuǎn)換電路提供穩(wěn)定電流，從而在A、B、C、D、E、F點獲得穩(wěn)定電壓。4) 分析電位器 W2 的作用，計算其參數(shù)；電位器W2位于方波、三角波發(fā)生電路，主要是用來調(diào)節(jié)積分電路輸出的三角波幅度，同時會產(chǎn)生副作用，影響輸出的頻率。W2在滑片左右端電阻比值起作用，故W2總阻值沒有特殊要求。本實驗W2取10k。5)

7、 分析 W1 和C1、C1的作用及兩者的比例關(guān)系，計算其參數(shù)；假設(shè)W2處于中間位置，C1 可以取0.1uF、0.01uF；W1和C組成的網(wǎng)絡(luò)對波形的頻率進行調(diào)整，由4的分析， ，當(dāng)W2處于中間位置時， ，當(dāng)C為0.1F時，頻率可調(diào)范圍為100Hz1kHz，所以 的取值范圍為：2.5k25k。由提供的原件可知，W1選擇20k最合適。6) 分析 W3、R4、R5 的作用，要求增益調(diào)整范圍為（0.2，4），計算W3、R5 的參數(shù)；W3、R4、R5和第三級運放組成增益可調(diào)的反相比例放大器。由理想運放的虛短和虛斷的特性，得到第三級運放的增益表達式為要求增益調(diào)整范圍為0.24，當(dāng)W3為0時，R5/R4=0

8、.2，因為R4=5k，所以R5=1k。當(dāng)增益為最大值4時，得到W3為19k，因此，W3選擇20k的電位器。7) 分析 R7R15 及D1D6 組成電路的作用，計算R9、R12、R15 的參數(shù)；R7R15及D1D6組成的電路為折線法正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換。設(shè)第三級運放輸出的三角波幅值為Vim，第四級運放輸出正弦波函數(shù)為。由正弦波在t=0處的斜率等于三角波的斜率得 。因為有六個二極管（正半周期三個，負半周期三個），所以在正半周期和負半周期各建立起6個轉(zhuǎn)折電壓：t=T/14或6T/14時， ；t=2T/14或5T/14時， ；t=3T/14或4T/14時， 。在2T/143T/1

9、4時間段內(nèi)，D1、D2均導(dǎo)通，于是有下式： ，帶入數(shù)據(jù)得，R9=2k，從提供的元件中選擇2.2k的電阻。由于開關(guān)二極管的導(dǎo)通電流很小，所以經(jīng)過R10、R11、R12的電流近似相等，即 。假設(shè)Vim=5V，帶入數(shù)據(jù)得到R12=R15=148，從提供的元件中選擇150的電阻。8) 計算集成運放第三級的閉環(huán)增益；第三集運放構(gòu)成反向比例放大電路，閉環(huán)增益為在此電路中，閉環(huán)增益為0.2-49) 計算 1KHz 下方波占空比；由于電容正反向充電電路相同，時間常數(shù)相同，最大電壓幅值相同，正向充電和方向充電時間相同。故方波占空比為50%。3. 仿真電路和結(jié)果仿真電路a) 觀察W1、C1、W2、基準(zhǔn)電壓對波形發(fā)

10、生電路的影響（頻率、幅度、偏移、占空比）i. 調(diào)節(jié)W1 W1較小 W1較大調(diào)節(jié)W1可以改變輸出方波、正弦波、三角波的頻率，波形的幅度、偏移量和占空比不受W1影響。ii. 調(diào)節(jié)W2 W2左滑 W2右滑從仿真結(jié)果可以看出，W2可以改變波形的頻率，也可以影響波形幅值，但對波形的偏移量和占空比無影響。iii. 調(diào)節(jié)C1 C1=0.1uF C1=0.01uF從仿真結(jié)果可以看到電容C1只改變波形的頻率（頻率與C1成正比），而對波形的幅值、偏移量和占空比無影響。iv. 調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓 Vcc=±15V Vcc=±12V在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓不會改變波形的頻率、幅度、偏移，有可能會影響到輸

11、出正弦波的幅值。b) 觀察第三級運放輸入輸出三角波幅度、計算第三級增益； W3調(diào)至最小 W3調(diào)至最大當(dāng)W3接入電路的阻值最小時，第三級增益最小，從仿真波形可以看出，輸入為3.0V，輸出為0.6V，最小增益為0.2。當(dāng)W3接入電路的阻值最大時，第三級增益最大，從仿真波形可以看出，輸入為3.0V，輸出為12.6V，最大增益為4.2。c) 觀察各基準(zhǔn)節(jié)點電壓AF 對正弦波轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響； 狀態(tài)1 狀態(tài)2ABCDEF狀態(tài)12.71V6.23V-2.71V-6.23V8.14V-8.14V狀態(tài)20.70V1.53V-0.67V-1.50V1.96V-1.96V通過調(diào)節(jié)W4和W5來改變?nèi)龢O管射極輸出電流，

12、進而改變AF處的轉(zhuǎn)折電壓，進而改變輸出正弦波波形。當(dāng)增大AF處的電壓時，正弦波頂部變得越來越尖，逐漸逼近三角波；當(dāng)減小AF處的電壓時，正弦波頂部變得越來越平，趨向于正弦波。d) 觀察W4、W5 的變化對Q1、Q2 的各極電壓和電流的影響；Q1(c)Q1(b)Q1(e)W4最小值電壓（V）12.08.988.14電流(mA)12.590.1212.71W4最大值電壓（V）12.02.761.95電流(mA)3.020.033.05Q2(c)Q2(b)Q2(e)W5最小值電壓（V）-12.0-8.14-8.98電流(mA)12.590.1212.72W5最大值電壓（V）-12.0-2.76-1.9

13、5電流(mA)3.020.033.05仿真結(jié)果表明，通過改變W4和W5可以方便地改變?nèi)龢O管各極電壓和電流。4. 原理圖和PCB圖繪制a) 原理圖b) 元件封裝 電容封裝 LM324封裝 電位器封裝 二極管封裝 LED封裝 輸出引腳封裝 9013封裝 9012封裝c) PCB圖四、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理1) 通電前安全檢查通電前，用萬用表二極管檔測量各焊點與導(dǎo)線之間是否存在虛焊現(xiàn)象；用萬用表二極管檔測量各銅線之間是否出現(xiàn)短路情況；確定LM324 4腳接+VCC，11腳接-VCC，檢查無誤后，方可通電。2) 安全操作及儀器儀表的正確使用（會正確使用萬用表測電壓電流、會熟練使用示波器）萬用表測電壓：將萬

14、用表打在直流或交流電壓較大檔位，黑色表筆接地，紅色表筆接待測管腳，調(diào)整檔位，讀出示數(shù)。萬用表測電流：將萬用表打在直流電流較大檔，串聯(lián)在正極或負極電路中，紅表筆電流流入，黑表筆電流流出，調(diào)整檔位，讀出示數(shù)。示波器使用：將探頭鉤在待測管腳，接地夾接地，調(diào)整掃描頻率，得到穩(wěn)定波形后，調(diào)節(jié)幅度檔和頻率檔，得到方便觀察的波形。3) 測量集成運放第三級的閉環(huán)增益 最大增益 最小增益輸入幅值輸出幅值增益最大增益4V15.2V3.8最小增益4V0.960.24第三級閉環(huán)增益在0.24-3.8之間4) 工作點測量電流：整機工作電流+VCC22.9mA-VCC23.0mA電壓：bceQ15.9V11.92V5.2

15、5VQ2-6.66V-12.04V-6.02V運放1234567電壓1.69V-0.01V-0.01V11.93V-0.01V-0.01V12.02V運放891011121314電壓5.20V-0.01V-0.01V-12.05V4.23V4.23V4.23VABCDEF電壓2.01V4.52V-2.08V-4.61V5.89V-6.04V5) 方波、三角波、正弦波測量點的選取、波形及有效值測量方波：測量點選取在DW1的正腳有效值為2.44V三角波：測量點選取在LM324的1腳有效值為1.82V正弦波：測量點選取在輸出接口有效值為4.21V6) 測試方波頻率最高點、最低點（取失真較小點）及1K

16、Hz 時方波波形 最低頻率 最高頻率頻率范圍為66.67Hz-10KHz 頻率為1KHz波形7) 計算1KHz 時方波占空比由上圖測量可以得到，占空比為50%8) 改變?nèi)遣ǚ燃邦l率(至少三點如100Hz，1KHz，3KHz)，記錄其波形 Vp-p=19.2V f=100Hz Vp-p=11.8V f=1kHz Vp-p=8.00V f=3kHz 9) 記錄Vp-p >= 8V，頻率為1.5K Hz 的正弦波的波形Vp-p=10V f=1.5KHz五、實驗結(jié)果分析1) 分析方波上升沿、下降沿，三角波線性度；a) 上升沿上升沿為13.52us 符合要求b) 下降沿下降沿為13.28us

17、符合要求c) 三角波線性度/Vp-p=0.09V/9.04V=0.995%<1% 符合要求2) 計算方波上升沿、下降沿速率；方波上升沿速率為方波下降沿速率為3) 分析所計算的頻率、仿真結(jié)果與實測頻率的誤差、產(chǎn)生原因及解決辦法；輸出波形的頻率從66.67Hz到10kHz連續(xù)可調(diào)，而且可以分段控制，符合設(shè)計要求。六、創(chuàng)新及建議1) 分析原電路設(shè)計的不足，提出改進意見。a) 電路無反接保護裝置，若正負電源接反，會引起LM324燒壞。b) 使用單面布線，會造成板面導(dǎo)線擁擠，使用跳線會影響板面美觀性；大量平行導(dǎo)線會影 響電路高頻性能。對此，我們可以在±Vcc接線口出各串聯(lián)一個二極管，用于截止反相電流?？梢圆捎秒p面板，使用雙面布線。2) 提出更優(yōu)化的原理性設(shè)計方案。對于正弦波的產(chǎn)生，可采用RC正弦波震蕩電路和LC正弦波振蕩電路，原理圖如下：a) RC正弦波振蕩電路b) LC正弦波振蕩電路 電感三點式 電容三點式3) 其它建議a) protel99se版本過低，而且與windows7不兼容，在添加元件庫的時候會給同學(xué)們帶來很大麻煩，希望老師可以