函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計.

1、目錄1. 函數(shù)發(fā)生器總方案及原理框圖 11.1函數(shù)發(fā)生器的總方案11.2電路設(shè)計的原理框圖 22. 課程設(shè)計的目的和任務(wù) 32.1設(shè)計的目的322課程設(shè)計的任務(wù)與要求 32.3課程設(shè)計的技術(shù)指標 32.4課程設(shè)計的時間安排43. 各部分電路設(shè)計 53.1方波發(fā)生電路的工作原理 53.2方波一一三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 63.3三角波一一正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 83.4電路的參數(shù)選擇及計算 93.5總電路圖104. 電路的安裝與調(diào)試 124.1方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試 124.2三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試 124.3總電路的安裝與調(diào)試 134.4調(diào)試中遇到的問題及解決的方法 1

2、35. 電路實驗結(jié)果及分析 145.1方波實測結(jié)果145.2三角波實測結(jié)果155.3正弦波實測結(jié)果155.4誤差分析及改進方法 166. 實習總結(jié)177. 儀器儀表明細清單 19參考文獻211. 函數(shù)發(fā)生器總方案及原理框圖1.1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（如低頻信號函數(shù)發(fā)生器 S101全部采用晶體管），也可以采用集成電路（如單片函數(shù)發(fā)生器模塊 8038）。為進一步掌握電路的 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

3、器 共同組成的方波一三角波一正弦波函數(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 產(chǎn)生三角波一方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊?。本課題 采用先產(chǎn)生方波一三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計方法，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一三角波產(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

4、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。11.2電路設(shè)計的原理框圖QOn22. 課程設(shè)計的目的和任務(wù)2.1設(shè)計的目的1掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計方法；2. 掌握模擬IC器件的應(yīng)用；3. 培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學知識來指導實踐的能力；4. 掌握常用元器件的識別和測試；5. 熟悉常用儀表，了解電路調(diào)試的基本方法。2.2課程設(shè)計的任務(wù)與要求設(shè)計方波一一三角波一一正弦波函數(shù)信號發(fā)生器2.3課程設(shè)計的技術(shù)指標1 設(shè)計、組裝、調(diào)試函數(shù)發(fā)生器；2輸出波形：正弦波、方波、三角波；3.頻率范圍：在10- 10000Hz范圍內(nèi)可調(diào)；4輸出電壓：方波 U P-P1V ；2

5、.4課程設(shè)計的時間安排時間任務(wù)安排5月27日（星期一）資料的查找5月28日（星期二）學習函數(shù)信號發(fā)生器的原理5月29日（星期三）電路板的焊接5月30日（星期四）電路的調(diào)試5月31日（星期五）電路的調(diào)試、寫實習報告53. 各部分電路設(shè)計3.1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RC電路組成。RC回路即作為遲滯環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過RC沖、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時刻輸出電壓Uo=+Uz，則同相輸入端電位 Up=+Ut,Uo通過R3對電容C正向充 電，如圖中箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間的增長而逐漸增高，當t趨于無窮時，Un趨于+Uz;但是Un=+Ut，再稍增大，U

6、o從+Uz躍變?yōu)?Uz，與此 同時Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對電容反相充電，如圖中虛線 箭頭所示。Un隨時間逐漸增長而減低，當T趨于無窮大時，Un趨于-Uz ;但是，一旦Un=-Uz再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Uo從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容 又開是正向充電。上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。同相滯回比較器的電壓傳輸特性曲線73.2方波一一三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理UtR2-UR3 Rp1o2mRQGR3 + Rp18#工作原理如下：若a點斷開，運算發(fā)大器 A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。運放的反相端接基準電壓，即U

7、-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1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U+=U-=O時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出 Uo1從高電平跳到低電平-Vee或者從低電平 Vee跳到高電平 Vcc。設(shè)Uo1=+Vcc,貝UUia =0R2R3 + RRU = R2 R3 RFR( VCC) R R3 RR將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia-為R2_R2VccU ia _ 一 R3 RR( VCC)_ R3 RR若Uo仁-Vee則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+ 為R2R2U ia 一 R3 RP,(

8、VeE)_ R3 RR VCC比較器的門限寬度UH=U,.-U,_=2R2R3 RRCC由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3-71所示。a點斷開后，運放 A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波U1,則積分器的輸出UO2為KJodU1Vc 時,U O2(J tVct(R RR)C2(R4 RP2)C2u 01-Vee 時，Uo2(-Vee) tVcCt(R4 RP2)C2(R4 RPOC2可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個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點閉合，既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UO

9、2m2VCCR3 + RP方波-三角波的頻率f為R3 + RR4R2（ R4 RP2）C2由以上兩式可以得到以下結(jié)論：電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時，不會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，PR2實現(xiàn)頻率微調(diào)。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)不超過電源電 壓 +Vcc。電位器RP1可實現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波-三角波的頻率。3.3三角波一一正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理Vv |ivccRE2VARP24V3CE4R$三角波一一正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。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

10、。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式為:=al E 2al oU /U1 e id TI C1=al eial o=1 - eid/UT式中 a =IC/IE ： 110 差分放大器的恒定電流;Ut溫度的電壓當量，當室溫為25oc 時，UT 26mV。11#如果Uid為三角波，設(shè)表達式為MlI 2)T UT如aT J 4丿Uid 二如 t3!.T .4式中Um三角波的幅度為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；三角波的幅度Um應(yīng)

11、正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。圖為實現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中Rp1調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp2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 C1,C2,C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。3.4電路的參數(shù)選擇及計算1. 方波-三角波中電容C1變化（關(guān)鍵性變化之一）實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，后來將C2從10uf （理論時可出來波形）換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當C2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現(xiàn)。2. 三角波-正弦波部分比較器A1與積分器A2的元件計算如下。12由式(3-61 )得仏/心

12、血即一RR3 RPU O2mVcc1213#取 R2=10KO，則 R3+RR=3OK0，取 R3=20KC , RP1 為 47KQ 的點位器。區(qū)平衡電阻R =R2/(R3+RR) JOKO由式R3 + RR4 R2( FR RR )C2即民 +rr = R3 +RR4R2 C2當 1Hz f 乞10，-時，取 C2 -1OT ,貝U R4 RF2=(757.5)k,取R =5 .KP，為100KQ電位器。當10Hz冬f乞100：,-時，取C2 =1F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 & =10k。三角波一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

13、得較大，因為輸出頻率很低，取 CCC470lF，濾波電容C6視輸出的波 形而定，若含高次斜波成分較多，C6可取得較小，C6 一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大 器的幾靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP及電阻Re2確定。3.5總電路圖#144. 電路的安裝與調(diào)試4.1方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試1. 安裝方波一一三角波產(chǎn)生電路1. 把LM324集成塊插入插槽，注意布局；2. 分別把各電阻放入適當位置，尤其注意電位器的接法；3. 按圖接線，注意直流源的正負及接地端。2. 調(diào)試方波一一三角波產(chǎn)生電路1. 接入電源后，用

14、示波器進行雙蹤觀察；2. 調(diào)節(jié)R6,使三角波的幅值滿足指標要求；3. 調(diào)節(jié)R7,微調(diào)波形的頻率；4. 觀察示波器，各指標達到要求后進行下一部安裝。4.2三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試1. 安裝三角波正弦波變換電路（1）在萬用板上接入低通濾波電路；（2）搭生成直流源電路，注意各電阻的阻值選取；（3）接入各電容及電位器，注意電容型號的選取，盡量選電容值相等的電 容；（4）按圖接線，注意直流源的正負及接地端。2. 調(diào)試三角波一一正弦波變換電路（1）接入直流源后，把C2 C3接地；（2）在R8端接入信號源，利用示波器觀察，逐漸增大輸入電壓，當輸出 波形剛好不失真時記入其最大不失真電壓；4.3總電路

15、的安裝與調(diào)試1. 把兩部分的電路接好，進行整體測試、觀察2. 針對各階段出現(xiàn)的問題，逐各排查校驗，使其滿足實驗要求，即使正弦 波的峰峰值為4V。4.4調(diào)試中遇到的問題及解決的方法方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級單元電路組成的，在裝調(diào)多級 電路時通常按照單元電路的先后順序分級裝調(diào)與級聯(lián)。1. 方波-三角波發(fā)生器的裝調(diào)由于比較器Ai與積分器A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Ri與FP2之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計值，否則電路可能會不起振。只要電路接線正確，上電后， 接Uo1端時，示波器輸出為方波；接 Uo2端時，輸出為三角波。剛

16、開始連接，進行調(diào)試時，只能出現(xiàn)正弦波，后經(jīng)老師指點，原來，電路 的接地線接錯了位置，改正后，方波和三角波才調(diào)試出來。2. 三角波-正弦波變換電路的裝調(diào)按照圖電路，裝調(diào)三角波一正弦波變換電路，電路的調(diào)試步驟如下：將Uo3端接上示波器，正弦波形出現(xiàn)失真現(xiàn)象，后經(jīng)老師指導，是因為C2 =10F時，頻率較低，把它替換成 0.47納伏，后經(jīng)調(diào)試，波形變得標準些，但不是很標準；后來，老師又讓我們在Re2上并聯(lián)一個小電阻，調(diào)試后，出現(xiàn)標準波形。165.1方波實測結(jié)果5.電路實驗結(jié)果及分析方波實測結(jié)果175.2三角波實測結(jié)果三角波實測結(jié)果。5.3正弦波實測結(jié)果正弦波實測結(jié)果5.4誤差分析及改進方法1、自己的焊

17、接技術(shù)不好，在工藝上無形的改變了某些參數(shù)，對電路造成了 許多的影響。2、在由三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換電路中，在很長的一段時間的測出來的正弦 波都是很不規(guī)則的，這個問題是通過減小電容以及并聯(lián)電阻解決的，實際上， 分析一下便知，當電容過大時，頻率很低，不容易在實際電路中實現(xiàn)196. 實習總結(jié)為期一個星期的課程設(shè)計已經(jīng)結(jié)束，在這一個星期的學習、設(shè)計、焊接過 程中我感觸頗深。使我對抽象的理論有了具體的認識。通過對函數(shù)信號發(fā)生器 的設(shè)計，我掌握了常用元件的識別和測試；熟悉了常用的儀器儀表；進一步了 解了電路的連接、焊接方法；以及如何提高電路的性能等等。通過對函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，我還深刻認識到了“理論聯(lián)系實

18、際”的這 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，明白了學以致用的真諦。也明白老師要求我們做好這個課程設(shè)計的 原因。他是為了教會我們?nèi)绾芜\用所學的知識去解決實際的問題，提高我們的 動手能力。在整個設(shè)計到電路的焊接以及調(diào)試過程中，我個人感覺調(diào)試部分是 最難的，因為你理論計算的值在實際當中并不一定是最佳參數(shù)，我們必須通過 觀察效果來改變參數(shù)的數(shù)值以期達到最好。其次，這次課程設(shè)計從選題到設(shè)計電路再到參數(shù)設(shè)計以及連接電路到最后 調(diào)試電路的過程中體會了在接好電路后測試出波形的那種喜悅，體會到成功來 自于汗水，體會到成果的來之不易。在函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計過程中，我們不能只 懂得電路板的焊接，關(guān)鍵是明白其工作原理以及出現(xiàn)問題后的對電路板的檢查 及修改，如果只懂得焊接的話，將來也只能做一名藍領(lǐng)工人而無法取得較高的 成就。在實習過程中，我們遇到了不少的問題。例如在調(diào)試正弦波的過程中，示 波器上顯示的波形總是不圓滑、不規(guī)則的，在老師的幫助下，我們通過換小一 點的電容以及減小電阻，即再并聯(lián)一個電阻，最后把問題解決，當在示波器上 看到圓潤的、非常完美的正弦波的那一刻，心情別提有多高興啦，一種滿足感 油然而生。此外，實習過程中也暴露出