方波——三角波——正弦波函數(shù)信號發(fā)生器

1、目 錄1 函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖（1） 1.1 電路設計原理框圖 （1） 1.2 電路設計方案設計（1）2設計的目的及任務（2）2.1 課程設計的目的（2）2.2 課程設計的任務與要求（2）2.3 課程設計的技術(shù)指標（2）3 各部分電路設計（3）3.1 方波發(fā)生電路的工作原理（3）3.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 （3）3.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 （6） 3.4電路的參數(shù)選擇及計算 （8）3.5 總電路圖（10）4 電路仿真 （11）4.1 方波-三角波發(fā)生電路的仿真（11） 4.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真（12）5電路的安裝與調(diào)試 （13）5.1 方波-三角波

2、發(fā)生電路的安裝與調(diào)試（13）5.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試（13）5.3 總電路的安裝與調(diào)試 （13）5.4 電路安裝與調(diào)試中遇到的問題及分析解決方法 （13）6電路的實驗結(jié)果 （14）6.1 方波-三角波發(fā)生電路的實驗結(jié)果 （14）6.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實驗結(jié)果 （14）6.3 實測電路波形、誤差分析及改進方法（15）7 實驗總結(jié) （17）8 儀器儀表明細清單 （18）9 參考文獻 （19）191函數(shù)發(fā)生器總方案及原理框圖1.1 原理框圖1.2 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)

3、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器共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設計方法。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)生三角波方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊取１菊n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

4、分器組成方波三角波產(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。2課程設計的目的和設計的任務2.1 設計目的1掌握電子系統(tǒng)的一般設計方法2掌握模擬IC器件的應用3培養(yǎng)綜合應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設計任務 設計方波三角波正弦波函數(shù)信號發(fā)生器2.3課程設計的要求及技術(shù)指標1設計、

5、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1010000Hz范圍內(nèi)可調(diào) ；4輸出電壓：方波U24V，三角波U8V，正弦波U>1V；3各組成部分的工作原理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回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。設某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當t趨于無窮時，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時Up

6、從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反向充電，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=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。3.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理方波三角波產(chǎn)生電路 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-=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

7、于負電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當比較器的U+=U-=0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Uo1=+Vcc,則 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia-為 若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為 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Uo1，則積分器的輸出Uo2為時，時，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

8、相連，形成閉環(huán)電路，則自動產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為方波-三角波的頻率f為由以上兩式可以得到以下結(jié)論：1. 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)。2. 方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+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-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理三角波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。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

9、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：式中差分放大器的恒定電流；溫度的電壓當量，當室溫為25oc時，UT26mV。如果Uid為三角波，設表達式為式中Um三角波的幅度； T三角波的周期。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)。（3） 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

10、輸出波形。 三角波正弦波變換電路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。由式（3-61）得即取 ，則，取 ，RP1為47K的點位器。區(qū)平衡電阻由式（3-62）即當時，取，則，取，為100K電位器。當時 ，取以實現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻。三角波>正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容

11、C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=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RP4及電阻R*確定。3.5 總電路圖三角波-方波-正弦波函數(shù)發(fā)生器實驗電路先通過比較器產(chǎn)生方波，再通過積分器產(chǎn)生三角波，最后通過差分放大器形成正弦波。4 電路仿真4.1 方波-三角波發(fā)生電路的仿真4.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真5 電路的安裝與調(diào)試5.1 方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試1.按裝方波三角波產(chǎn)生電路1. 把兩塊741集

12、成塊插入面包板，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)試方波三角波產(chǎn)生電路1. 接入電源后，用示波器進行雙蹤觀察；2. 調(diào)節(jié)RP1，使三角波的幅值滿足指標要求；3. 調(diào)節(jié)RP2，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按裝。5.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試1.按裝三角波正弦波變換電路1. 在面包板上接入差分放大電路，注意三極管的各管腳的接線；2. 搭生成直流源電路，注意R*的阻值選?。?. 接入各電容及電位器，注意C6的選取；4. 按圖接線，注意直流源的正負及接地端。2.調(diào)試三角波正弦波變

13、換電路1. 接入直流源后，把C4接地，利用萬用表測試差分放大電路的靜態(tài)工作點；2. 測試V1、V2的電容值，當不相等時調(diào)節(jié)RP4使其相等；3. 測試V3、V4的電容值，使其滿足實驗要求；4. 在C4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；5.3 總電路的安裝與調(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大于1V。5.4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

14、 方波-三角波發(fā)生器的裝調(diào)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(diào)整到設計值，如設計舉例題中，應先使RP1=10K,RP2取（2.5-70）K內(nèi)的任一值,否則電路可能會不起振。只要電路接線正確，上電后，UO1的輸出為方波，UO2的輸出為三角波，微調(diào)RP1,使三角波的輸出幅度滿足設計指標要求有，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率在對應波段內(nèi)連續(xù)可變。2三角波-正弦波變換電路的裝調(diào) 按照圖375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計完成的電路。電路的 調(diào)試步驟如下。（1）

15、經(jīng)電容C4輸入差摸信號電壓Uid=50v，F(xiàn)i =100Hz正弦波。調(diào)節(jié)Rp4及電阻R*,是傳輸特性曲線對稱。在逐漸增大Uid。直到傳輸特性曲線形狀入圖373所示，記 下次時對應的 Uid即Uidm值。移去信號源，再將C4左段接地，測量差份放大器的 靜態(tài)工作點I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.(2) Rp3與C4連接，調(diào)節(jié)Rp3使三角波俄 輸出幅度經(jīng)Rp3等于Uidm值，這時Uo3的 輸出波形應 接近 正弦波，調(diào)節(jié)C6大小可改善輸出波形。如果Uo3的 波形出現(xiàn)如圖376所示的 幾種正弦波失真，則應調(diào)節(jié)和改善參數(shù)，產(chǎn)生是真的 原因及采取的措施有；1）鐘形失真 如圖（a）所示，傳輸特性曲線的

16、 線性區(qū)太寬，應減小Re2。2）半波圓定或平頂失真 如圖（b）所示，傳輸特性曲線對稱性差，工作點Q偏上或偏下，應調(diào)整電阻R*.3）非線性失真 如圖（C）所示，三角波傳輸特性區(qū)線性度 差引起的失真，主要是受到運放的影響?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡改善輸出波形。（3）性能指標測量與誤差分析 1）放波輸出電壓Upp=2Vcc是因為運放輸出極有PNP型兩種晶體組成復合互補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飲和導通，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T，主要受預算放大器的限制。如果輸出頻率的 限制?？山佣砑铀匐娙軨1，一般取C1為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測量T 6

17、電路的實驗結(jié)果6.1 方波-三角波發(fā)生電路的實驗結(jié)果C=0.01uffmin=4138HZfmax=8333HZC=0.1uffmin=198HZfmax=1800HZC=1uffmin=28HZfmax=207HZ6.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實驗結(jié)果R=15KVc1=Vc2=5.530VVc3=-0.6218VVc4=-10.307VIc1=Ic2= 0.6813mA實驗結(jié)果分析模擬仿真（R*= 13 K）Vc1=Vc2=4.358VVc3=-0.831VVc4=-9.028VIc1=Ic2=0.5368mA6.3 實測電路波形、誤差分析及改進方法將C6替換為由兩個.1uF串聯(lián)或直接拿掉

18、, C1=0.1uF U=54mv Uo=2.7v >1vC1=0.01uF U=54mv Uo=2.8v>1v Xc=1/W*C,當輸出波形為高頻時，若電容C6較大，則Xc很小，高頻信號完全被吞并，無法顯示出來。實驗總結(jié)一個禮拜的課程設計已經(jīng)結(jié)束，7實驗總結(jié)為期一個星期的課程設計已經(jīng)結(jié)束，在這一星期的學習、設計、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。通過這次課程設計，我掌握了常用元件的識別和測試；熟悉了常用的儀器儀表；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。其次，這次課程設計提高了我的團隊合作水平，使我們配合更加默契，體會了在接好電路后測試出波形的那種喜悅。在實驗過程中，我們遇到了不少的問題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問題。在老師和同學的幫助下，把問題一一解決，那種心情別提有多高興啊。實驗中暴露出我們在理論學習中所存在的問題，有些理論知識還處于懵懂狀態(tài)，老師們不厭其煩地為我們調(diào)整波形，講解知識點，實在令我感動。還有就是在實驗中，好多同學被電烙鐵燙傷了，這不得不讓我想起安全問題，所以在以后的實驗中我們應該注意安全，讓不必要的傷害減至最少。還有值得我們自豪的一點就是我們的線路連得橫豎分明，簡直就是藝術(shù)啊，最后