壓控函數(shù)發(fā)生器

1、 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計 課程名稱： 壓控函數(shù)發(fā)生器 班 級： 學號： 姓名： 指導老師： 1. 設(shè)計要求(1)設(shè)計一個至少可以輸出方波、三角波、正弦波這三種波形的壓控函數(shù)發(fā)生器。(2)根據(jù)設(shè)計指標和設(shè)計要求，詳細分析各單元電路的設(shè)計過程，逐級設(shè)計各單元電路，畫出單元電路原理圖，分析主要元器件的選擇依據(jù)。(3)設(shè)計各單元電路的實現(xiàn)、調(diào)試、測試方案和實驗數(shù)據(jù)記錄表格，完成單元電路測試，分析各單元電路的測試數(shù)據(jù)和輸入、輸出波形是否滿足設(shè)計要求。(4)根據(jù)前面的設(shè)計分析，畫出系統(tǒng)設(shè)計框圖或系統(tǒng)設(shè)計流程圖。(5)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計框圖逐級級聯(lián)各單元電路，每增加一級電路， 必須先測試并檢驗級聯(lián)后的電路是否滿足設(shè)

2、計要求。如果級聯(lián)后的電路可以滿足設(shè)計要求，方可繼續(xù)級聯(lián)下一級電路;如果級聯(lián)后的電路不能滿足設(shè)計要求，則必須先定位問題所在點，完成糾錯后方可繼續(xù)級聯(lián)下一級電路。否則，一旦系統(tǒng)電路出現(xiàn)故障，將很難排查。(6) 設(shè)計系統(tǒng)電路的測試方案和實驗數(shù)據(jù)記錄表格，測試系統(tǒng)電路的實驗數(shù)據(jù)和輸入、輸出波形，詳細分析系統(tǒng)電路的測試數(shù)據(jù)和輸入、輸出波形是否滿足設(shè)計要求。(7)用電路仿真設(shè)計軟件(如Multisim等)設(shè)計仿真壓控函數(shù)發(fā)生器，將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比分析，說明實驗電路有哪些不足， 需要怎樣改進。(8)詳細分析在電路設(shè)計過程中遇到的問題，總結(jié)并分享電路設(shè)計經(jīng)驗。2.注意事項(1)選擇集成運算放大器時，

3、應(yīng)考慮單位增益帶寬是否滿足系統(tǒng)輸出頻率的設(shè)計要求。(2)系統(tǒng)信號的頻率與多個電路參數(shù)有關(guān)，設(shè)計電路時，應(yīng)綜合考慮各參數(shù)之間的關(guān)系。(3) 搭接實驗電路南，應(yīng)先切電源對系統(tǒng)電路進行合理的布局。布局布線應(yīng)遵循“走線最短”原則。通常應(yīng)按信號的傳遞順序逐級進行布局布線。帶電作業(yè)容易損壞電子元器件并引起電路故障。(4) 搭接實驗電路時，應(yīng)盡量堅持少用導線、用短導線，盲目使用導線會引入不必要的寄生參量，使實際設(shè)計出來的電路參數(shù)發(fā)生偏離，并增加電路出錯的概率。模擬電于技術(shù)實驗與課程設(shè)計(5)系統(tǒng)電路安裝完畢后，不要急于通電，應(yīng)仔細檢查元器件引腳有無接錯，測量電源與地之間的阻抗，如果發(fā)現(xiàn)存在阻抗過小等問題，應(yīng)

4、及時糾錯后方可通電。(6) 接通電源時，應(yīng)注意觀察電路有無異常現(xiàn)象，如元器件發(fā)熱、異味、冒煙等。如果發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，應(yīng)立即切斷電源，待故障排除后方可通電。(7)檢測電路功能時，應(yīng)首先測試各單元電路靜態(tài)工作點是否正常，待各單元電路靜態(tài)。工作點調(diào)試正確無誤后，方可加入交流信號進行動態(tài)功能測試。(8)檢驗電路動態(tài)功能時，應(yīng)順著交流信號的流向用示波器逐級觀察輸入、輸出波形。 3.設(shè)計指標(1)輸出信號頻率在5OHz 10kHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 (2)輸出信號峰值電壓在20mV10V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 (3)輸出波形特性: 對于1kHz的方波，最大幅度輸出時，信號的上升時間tr<2Ous； 三角

5、波的失真系數(shù)y<2%; 正弦波的失真系數(shù)y<5%。4.系統(tǒng)設(shè)計框圖函數(shù)發(fā)生器，也稱為信號發(fā)生器或波形發(fā)生器，主要用來產(chǎn)生特定的時間函數(shù)，如正弦波、方波、三角波、鋸齒波、矩形波等。 在圖1所示的壓控函數(shù)發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計框圖中，直流電壓產(chǎn)生電路將供電電源變成直流電壓信號Vo1輸出。Vo1經(jīng)電壓跟隨器、極性變換電路后，輸出方波信號Vo3給積分器。積分器將方波輸人信號Vo3轉(zhuǎn)換成同頻率的三角被信號Vo4，輸出給遲滯比較器、正弦波產(chǎn)生電路和線性放大電路。三角波Vo4經(jīng)遲滯比較器變成同頻率的方波信號Vo5。 方波信號Vo5經(jīng)單極性控制電路產(chǎn)生同頻率的反饋控制信號Vo6,反饋控制信號Vo6控制極性

6、變換電路產(chǎn)生同頻率的方波信號Vo3。遲滯比較器輸出的方波信號Vo5經(jīng)雙向鉗位電路處理成正、負幅值對稱的方波信號Vo7。三角波Vo4經(jīng)正弦波產(chǎn)生電路變換成正弦波信號Vo8。信號Vo4、Vo7、Vo8分別復用增益連續(xù)可調(diào)線性放大電路，分時輸出特定波形Vo。圖1：在圖1中，極性變換電路、線性積分器、遲滯比較器、單極性控制電路一起構(gòu)成壓控振蕩器。系統(tǒng)信號的頻率受直流輸入電壓信號Vol (Vo2)控制。通過調(diào)節(jié)直流輸入信號Vol的幅值可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)信號的輸出頻率。5設(shè)計分析設(shè)計壓控函數(shù)發(fā)生器時，首先應(yīng)設(shè)計直流控制電壓信號產(chǎn)生電路，然后設(shè)計極性變換電路，將直流控制電壓信號轉(zhuǎn)換成方被信號輸出，方波信號經(jīng)線性積

7、分器處理后可以變成三角被信號輸出，三角波經(jīng)差分放大電路或濾波電路后可以轉(zhuǎn)換成正弦波信號輸出。5.1直流壓產(chǎn)生電路如圖2所示，直流電壓產(chǎn)生電路可以采用電阻分壓的方式實現(xiàn)。但由于電阻分壓方式產(chǎn)生的直流電壓信號受其輸出端負載的變化影響較大，因此，需要在電阻分壓電路的輸出端加級電壓跟隨器，以消除因負載變化對直流輸出電壓Vo1產(chǎn)生的影響?？紤]到阻抗匹配問題，直流電壓信號Vo1 不能直接輸出給下一一級電路使用，需要在電位器的可調(diào)端加一級電壓跟隨器做電壓緩沖，輸出 一個與Vo1相同的可調(diào)電壓信號Vo2 。輸出電壓Vo1為： Vo2= Vo1=Vcc/(R1+Rw1)*Rw1b式中，Rw1=Rw1a+Rw1b

8、。 運算放大器組成電壓跟隨器作為緩沖級，根據(jù)其輸入阻抗大輸出阻抗小的特點，使信號可以接近無衰減的傳輸?shù)较乱灰患墶?同時，為了保證接近于“0”的小信號可以被不失真地傳遞到下一一級電路，電壓跟隨器應(yīng)采用雙電源供電方式工作。圖2：5.2極性變換電路極性變換電路的作用是：在控制信號Vo6的作用下，將前級產(chǎn)生直流控制電壓信號Vo2轉(zhuǎn)換成方波信號Vo3,輸出給下一級電路使用。 電路如圖3所示，其基本電路是用集成運算放大器設(shè)計的算數(shù)運算電路。其中三極管VT1作為電子開關(guān)，尤其基極控制信號V06來控制極性變換電路輸出電壓信號的極性。圖3：在圖3所示的極性變換電路中，應(yīng)先確定反饋電阻的阻值?？紤]到阻抗匹配、相對

9、誤差等問題，R4不宜選擇阻值過小的電阻使用。R3應(yīng)該選用與R4阻值相等的電阻。R2的電阻值可以根據(jù)靜態(tài)平衡原則通過計算得到。三極管VT1應(yīng)選用超低飽和導通壓降的快速開關(guān)管，否則將對系統(tǒng)輸出信號的頻率范圍產(chǎn)生影響。電阻R5可以根據(jù)控制電壓的幅值及三極管VT1的發(fā)射結(jié)壓降選取。當電阻R4=R3時，極性控制電壓Vo6可以控制極性變換電路輸出電壓的極性，即當控制電壓Vos為低電平時，Vo3=Vo2；當控制電壓Vo6為高電平時，Vo3=-Vo2。5.3三角波產(chǎn)生電路最常用的三角波產(chǎn)生電路是線性積分器，如圖4所示。在積分器的反相輸入端加一個方波輸入信號Vo3。正半周期間，方波信號Vo3相當于正向直流電壓，

10、正向電壓通過電阻R1對積分電容C1進行充電；負半周期間，方波信號Vo3 相當于負向直流電壓，負向電壓導致的電勢差使存儲在積分電容兩端的電荷通過電阻R1進行放電。圖4：在圖4所示的三角波產(chǎn)生電路中，當方波輸入信號Vo3為正向電壓信號時，輸入電流經(jīng)電阻R1對電容C1進行充電；當方波輸入信號Vo3 變?yōu)樨撓螂妷盒盘枙r，由于存在電勢差，存儲在電容C1兩端的電荷通過電阻R1進行放電。輸出電壓Vo4和輸入電壓Vo3之間應(yīng)滿足:Vo4=-1/R1*C1*Vo3dt在設(shè)定的半個周期內(nèi)，方波信號為直流信號，Vo3為定值，則 Vo4=-Vo3/R1*C1*t由上式可知，三角波與方波的相位相反。5.4反饋控制信號產(chǎn)

11、生電路和方波產(chǎn)生電路方波的產(chǎn)生方法比較多，比如用55芯片構(gòu)成多諧振蕩器、用單片機或FPGA設(shè)計出方波產(chǎn)生電路、用削波電路對交流電(正弦波)削波、用集成運放構(gòu)成遲滯比較器再接上穩(wěn)壓電路輸出方波等方法。此處我采用集成運放構(gòu)成遲滯比較器的方法來設(shè)計方波產(chǎn)生電路。用集成運放設(shè)計的遲滯比較器只有兩種輸出狀態(tài):正向飽和或負向飽和。在遲滯比較器的輸入端引入一個周期變化的信號(比如三角波),如果設(shè)置的門J限電壓能夠滿足遲滯比較器輸出電壓翻轉(zhuǎn)條件，則在遲滯比較器的輸出端就可以得到一個方波信號。下圖5中即為用反相輸入遲滯比較器設(shè)計的反饋控制信號產(chǎn)生電路和方波產(chǎn)生電路。圖 5：在圖5所示的電路中，輸入信號Vo4是積

12、分器輸出的三角波信號，輸出信號有三個:Vo5、Vo6和Vo7。其中，Vo5是遲滯比較器輸出的電壓信號。因多數(shù)集成運算放大器輸出電壓的正向飽和電壓值與負向飽和電壓值的絕對值并不相等，因此，多數(shù)情況下，在遲滯比較器輸出端測到的是一個正、負電壓的絕對值不相等的方波信號。Vo6是遲滯比較器的輸出電壓Vo5經(jīng)二極管VDI單向處理后的反饋控制信號。二極管的單向?qū)щ娦允狗答伩刂菩盘朧o6是一個沒有負向電壓的方波信號。電阻R4既是二極管VD1的限流保護電阻，也是得到反饋控制信號Vo6的負載電阻，其電阻值應(yīng)根據(jù)遲滯比較器的輸出電壓V5和二極管VD1的工作電流計算選取。二極管VD1應(yīng)選用高速二極管，如IN4148

13、、IN581等。如果二極管VDI選用不當，比如選用了整流二極管1N4001等，則在輸出波形Vo5上可以測到明顯的反向恢復脈沖。Vo7是方波輸出信號，如圖5中的雙向鉗位電路。該信號是在雙向穩(wěn)壓管2DW232上獲得，因此具有良好的對稱性。如果系統(tǒng)輸出的方波信號在極性變換電路的輸出端獲得，產(chǎn)生Vo7的支路也可以省略。電阻R5是雙向穩(wěn)壓管2DW232的限流保護用電阻，其電阻值應(yīng)根據(jù)遲滯比較器的輸出電壓Vo5和雙向穩(wěn)壓管2DW232的工作電流計算選取。5.5增益連續(xù)可調(diào)電壓放大電路按照設(shè)計要求，如果想得到峰值電壓在20mV10V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的輸出信號，在系統(tǒng)電路中，還必須增加一-級增益連續(xù)可調(diào)的線性放大電路，如圖6所示。圖6：在圖6所示的電路中，電阻R2是平衡電阻。調(diào)節(jié)電位器Rw1可調(diào)端的位置，在輸出端可以得到一個與輸入信號同波形、同頻率，且輸出幅度連續(xù)可調(diào)的輸出信號。圖中加了一級電壓跟隨器用以滿足負載匹配要求。輸出電壓Vo為:Vo=-Rw1/R1*Vin(其中，Vin為Vo4或Vo7或Vo8)將前面各級電路產(chǎn)生的輸出波形分別送至增益可調(diào)放大電路。6.壓控函數(shù)發(fā)生器電路原理圖 壓控函數(shù)發(fā)生器