功率函數(shù)信號發(fā)生器的設計

1、精選文檔功率函數(shù)信號發(fā)生器的設計一、概述函數(shù)發(fā)生器作為一種常用的信號源,是現(xiàn)代測試領域內(nèi)應用最為廣泛的通用儀器之一。在研制、生產(chǎn)、測試和維修各種電子元件、部件以及整機設備時，都要有信號源，由它產(chǎn)生不同頻率不同波形的電壓、電流信號并加到被測器件或設備上，用其他儀器觀察、測量被測儀器的輸出響應，以分析確定它們的性能參數(shù)。它可以產(chǎn)生多種波形信號,如正弦波,三角波,方波等,因而廣泛用于通信、雷達、導航、宇航等領域。函數(shù)信號發(fā)生器根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，產(chǎn)生方波、正弦波、三角波的方案有多種，如先產(chǎn)生正弦波，根據(jù)周期性的非正弦波與正弦波所呈的某種確定的函數(shù)關系，再通過整形電路將正弦

2、波轉(zhuǎn)化為方波，經(jīng)過積分電路后將其變?yōu)槿遣ǎ灰部梢韵犬a(chǎn)生三角波-方波，再將三角波或方波轉(zhuǎn)化為正弦波。 本實驗要求實現(xiàn)頻率范圍在110kHz連續(xù)可調(diào)輸出并達到正弦波，方波，三角波輸出電壓幅值要求，功率放大部分達到最大不失真輸出功率的要求范圍，用數(shù)字頻率顯示實現(xiàn)110kHz頻率連續(xù)顯示。二、方案論證設計一個功率函數(shù)信號發(fā)生器，使其能產(chǎn)生正弦波、三角波、方波，并能夠?qū)π盘栠M行功率放大輸出，且要求通過數(shù)字頻率顯示電路實時顯示出信號頻率。方案一：采用RC橋式文氏振蕩電路產(chǎn)生正弦波，利用電壓比較器將正弦波轉(zhuǎn)化為方波，然后通過積分電路將方波轉(zhuǎn)化為三角波，通過OCL電路對其進行功率放大輸出，最后通過數(shù)字頻率顯

3、示電路實現(xiàn)波形頻率實時顯示。方案二：首先產(chǎn)生三角波-方波，再通過電路將三角波變成正弦波或者將方波變成正弦波，然后對信號進行功率放大輸出，最后通過8位單片機（如AT89S51）及其外圍電路進行信號頻率顯示。 本實驗采用的是方案一，通過RC橋式文氏振蕩電路產(chǎn)生正弦波的方案易于實現(xiàn)，性價比較高，且通過數(shù)字電路顯示信號頻率可以增加對已學數(shù)電知識的掌握,故本實驗選擇方案一。3、 電路設計1.總體電路組成部分本實驗首先利用RC橋式文氏振蕩電路產(chǎn)生正弦波，然后利用電壓比較器電路把正弦波轉(zhuǎn)化為方波，再利用積分電路把方波轉(zhuǎn)化為三角波，利用波形變換電路調(diào)節(jié)波形幅度的大小，最后信號頻率可通過數(shù)字頻率顯示電路進行顯示

4、，原理框圖如圖1所示。圖1 總體電路原理框圖2.函數(shù)發(fā)生部分電路 函數(shù)發(fā)生部分電路主要由RC橋式文氏正弦波發(fā)生電路、電壓比較器電路、積分器電路和OCL功率放大部分電路組成。1） RC橋式文氏正弦波發(fā)生電路由于頻率要求范圍為110kHz連續(xù)可調(diào)，實現(xiàn)方法為將振蕩頻率范圍分為、四個頻率段進行，通過計算分別確定電容和滑動變阻器的數(shù)值，由公式f=1/2C(R4+R3)和f=1/2CR3得,當滑動變阻器R的值選定為9K時，四個檔位電容的值分別選定為16uF、1.6uF、0.16uF、0.016uF,具體計算過程如下：當C1=C8=16uF，R3=R6=9，R4=R5=1時，振蕩頻率=1Hz；當C1=C8

5、=16uF，R3=R6=0，R4=R5=1時，振蕩頻率=10Hz；當C2=C5=1.6uF，R3=R6=9，R4=R5=1時，振蕩頻率=10Hz；當C2=C5=1.6uF，R3=R6=0，R4=R5=1時，振蕩頻率=100Hz；當C3=C6=0.16uF，R3=R6=9，R4=R5=1時，振蕩頻率=100Hz；當C3=C6=0.16uF，R3=R6=0，R4=R5=1時，振蕩頻率=1000Hz；當C4=C7=0.016uF，R3=R6=9，R4=R5=1時，振蕩頻率=1000Hz；當C4=C7=0.016uF，R3=R6=0，R4=R5=1時，振蕩頻率=10000Hz； 由電路的起振條件A=1

6、+Rf/R13得，Rf=2.2,R1=1,并通過在Rf回路串聯(lián)兩個并聯(lián)的二極管，利用電流增大時二極管動態(tài)電阻減小，電流減小時二級管電流動態(tài)電阻增大的特點，加入非線性環(huán)節(jié)，從而使輸出電壓穩(wěn)定，具體電路如圖2所示圖2 頻率連續(xù)正弦波發(fā)生電路2） 方波、三角波輸出部分電路在振蕩電路產(chǎn)生正弦波的基礎上對正弦波使用電壓比較器電路可以得到方波，實現(xiàn)方法簡單，電路連接易于理解，具體電路如圖3。直接利用積分電路將方波轉(zhuǎn)化為三角波，當輸入為方波時，輸出電壓，通常在電容上并聯(lián)一個電阻加以限制，用以防止低頻信號增益過大，具體電路如圖4。圖3 方波（電壓比較器）電路圖4 三角波（積分）電路3) OCL功率放大部分電路

7、根據(jù)功率放大的特點特性，選定實現(xiàn)功率在小范圍內(nèi)放大比較理想，OCL電路是用兩個2N1711和2N1132A三極管進行互補輸出，此時兩端的最大不失真電壓,的最大輸出功率為，當可以忽略不計時，可以基本實現(xiàn)最大不失真輸出功率的要求范圍，具體設計電路如圖5所示。圖5 OCL信號功率放大電路3. 數(shù)字頻率顯示部分 數(shù)字頻率顯示部分由時基電路、邏輯控制信號電路、鎖存器組成。 所謂頻率，就是周期性信號在單位時間內(nèi)變化次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復變化次數(shù)為N,則其頻率可表示為，數(shù)碼顯示部分由74LS47N譯碼器和數(shù)碼管構成，其中譯碼器的功能是輸入的4位2進制數(shù)通過譯碼器在數(shù)碼管以10進制

8、的形式輸出，具體顯示部分電路如圖6所示圖6 顯示電路1）脈沖產(chǎn)生電路555定時器電路的功能是為后續(xù)的電路提供一個可靠地脈沖信號，由公式 和，可計算出電阻及電容的值。當脈沖信號的振蕩周期時，取電容時，由 則經(jīng)計算可得，此時占空比,可通過兩個47K的電阻與一個2K的滑動變阻器串聯(lián)得到，具體設計電路如下圖7所示。 圖7 時基電路2） 邏輯控制信號電路 邏輯控制電路是通過555定時器產(chǎn)生的一個標準時間信號的高電平期間有多少個周期的RC橋式文氏振蕩電路產(chǎn)生的波形，然后令555多諧電路產(chǎn)生的高電平時間是1秒，故振蕩電路在基準電路高電平期間的個數(shù)就是振蕩電路產(chǎn)生的頻率，只要多諧電路的標準時間信號下降沿到來，

9、鎖存電路就會把數(shù)出的個數(shù)鎖存起來，然后通過譯碼器經(jīng)數(shù)碼管顯示出振蕩電路產(chǎn)生波形的頻率。3） 計數(shù)器和鎖存器電路計數(shù)器電路是對在一個脈沖周期內(nèi)高電平狀態(tài)下RC橋式文氏振蕩電路產(chǎn)生的波形的個數(shù)進行計數(shù)，本實驗是使用芯片74LS90N，其功能是74LS90N是二五十進制異步計數(shù)器，R0(1),R0(2)是清零端，R9（1），R9(2)是置9端，CPA和QA可組成一個二進制計數(shù)器，CPB和QBQCQD組成五進制計數(shù)器；若把QA和CPB相連，脈沖從CPA輸入，則構成8421BCD碼十進制計數(shù)器。鎖存器的作用是將計數(shù)器在結束時所記得的數(shù)進行鎖存，使顯示器上能穩(wěn)定地顯示此時計數(shù)器的值，本實驗使用的是74LS

10、273N芯片，74LS273N功能如下：74LS273N是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器， 1D8D為數(shù)據(jù)輸入端，1Q8Q為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用作8位地址鎖存器，故CLR要接清5V電源以保證不被零，計數(shù)器和鎖存器具體電路如下圖8所示。圖8 計數(shù)器和鎖存器電路4、 性能的測試1.函數(shù)發(fā)生部分測試結果正弦波測試結果如圖9、10、11所示圖9 正弦波測試結果圖其中正弦波幅值為1.68v，頻率顯示為135Hz, 達到。 圖10 正弦波測試結果圖其中正弦波幅值為4.872v，頻率顯示為3.72KHz, 達到圖11 正弦波測試結果圖其中正弦波幅值為1.967v，頻率顯示為7.83KHz,

11、達到。方波測試結果如圖12圖12 方波測試結果圖其中方波幅值為4.876v，頻率顯示2.033KHz，達到，頻率連續(xù)可調(diào)要求。三角波測試結果如圖13圖15 三角波測試結果圖其中三角波幅值為4.8v，頻率顯示為132Hz，未達到要求，頻率連續(xù)可調(diào)要求。 2. 數(shù)字顯示部分1） 脈沖產(chǎn)生電路性能測試，如圖14所示圖14 數(shù)字頻率顯示結果以函數(shù)信號發(fā)生器代替方波輸出信號，輸入頻率為2Hz,顯示結果如圖15圖15 數(shù)字頻率顯示結果 頻率輸出基本達到要求，但存在誤差。五、結論 經(jīng)過測試，可以看到電路能夠正常工作，該電路基本完成了課程設計的要求。本電路實現(xiàn)了頻率范圍在連續(xù)可調(diào)輸出并達到正弦波，方

12、波，三角波的輸出電壓幅值要求，功率放大部分達到最大不失真輸出功率的要求范圍，數(shù)字的頻率顯示部分也可以實現(xiàn)頻率顯示。 性價比：整個電路用的芯片和電阻電容都是用了一些在平時做實驗中用過的，通過將555定時器設計多諧振蕩器、譯碼器的利用、與非門、非門、或非門的合理連接，完成了基本電路的連接，電路所用器件價格都比較便宜，性能基本符合技術要求，性價比較高，可以驗證，我們的設計還是有一定的合理性。參考文獻1 沈明發(fā)等編著. 低頻電子線路實驗. 廣州：暨南大學出版社.2 張詠梅編著. 電子測量與電子電路實驗. 北京：北京郵電大學出版社.3 葛汝明主編. 電子技術實驗與課程設計 山東： 山東大學出版社.4 華成英 童詩白主編. 模擬電子技術基礎 北京：高等教育出版社. 5 任元 吳勇 主編. 常用電子元器件簡明手冊 北京：工業(yè)出版社. 6 謝自美 主編 電子線路 設計實驗測試 湖北：華中科技大學出版社.附錄I 總電路圖 附表2 元器件清單序號編號名稱型號數(shù)量1U1集成運放LM741CN12C1 C2 C3 C10 C8電容0.01µF13C4電容0.1µF14C5電容100µF15C6 C7 C9電容10nF16D1 D2穩(wěn)壓管1BH6217D3 D4穩(wěn)壓管1N400128Q1BTN221