函數(shù)信號發(fā)生器試驗報告

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函數(shù)信號發(fā)生器

電子電路模擬綜合試驗

試驗報告

試驗題目：函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與調(diào)測班級：2023211121姓名：陳家斌學(xué)號：09210619班內(nèi)序號：16

2023年4月3日

函數(shù)信號發(fā)生器

函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與調(diào)測

摘要

使用運放組成的積分電路產(chǎn)生一定頻率和周期的三角波、方波（提高要求中通過改變積分電路兩段的積分常數(shù)從而產(chǎn)生鋸齒波電壓，同時改變方波的占空比），將三角波信號接入下級差動放大電路（電流鏡提供工作電流），利用三極管線性區(qū)及飽和區(qū)的放大特性產(chǎn)生正弦波電壓并輸出。

關(guān)鍵詞

三角波-正弦波運放積分電路差動放大電路

鏡像電流源

試驗內(nèi)容1、基本要求：

a)設(shè)計制作一個可輸出正弦波、三角波和方波信號的函數(shù)信號發(fā)生器。1）輸出頻率能在1-10KHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，無明顯失真；

2）方波輸出電壓Uopp=12V，上升、下降沿小于10us，占空比可調(diào)范圍30%-70%；

3）三角波Uopp=8V；4）正弦波Uopp1V。

b)設(shè)計該電路的電源電路（不要求實際搭建），用PROTEL軟件繪制完整的電路原理圖（SCH）

2、提高要求：

a)三種輸出波形的峰峰值Uopp均可在1V-10V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。b)三種輸出波形的輸出阻抗小于100歐。

c)用PROTEL軟件繪制完整的印制電路板圖（PCB）。試驗原理

1，方波三角波產(chǎn)生電路

如下圖為方波-三角波產(chǎn)生電路，由于采用了運放組成的積分電路，可得到比較理想的方波和三角波。該電路振蕩頻率和幅度便于調(diào)理，輸出方波幅度的大小由穩(wěn)壓管VDW1，VDW2的穩(wěn)壓值決定。改變R1和Rf的比值可調(diào)理Uo2m的大小。電路與原件的確定：

①根據(jù)所需振蕩頻率的高低和對方波前后沿陡度的要求，選擇電壓轉(zhuǎn)換速率適合

函數(shù)信號發(fā)生器

的運放。

②根據(jù)所需輸出方波幅度的要求，選擇穩(wěn)壓值適合的穩(wěn)壓管的型號和限流電阻Ro的大小。

③根據(jù)輸出三角波的幅度要求，確定R1與Rf的大小

R1=Uo2m*Rf/（Uz+Ud）

2，電流鏡偏震差動放大器的設(shè)計

差動放大器具有很高的共模抑制比，被廣泛地應(yīng)用于集成電路中，常作為輸入級或中間放大級。

⑴確定靜態(tài)工作點電流Ic1.Ic2和Ic3

靜態(tài)時，差動放大器不加輸入信號，對于電流鏡Re3=Re4=ReIr=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4=Ic4+2Ic4/β=Ic4=Ic3

上式說明恒定電流Ic3主要有電源電壓和電阻R，Re4決定，與晶體管的參數(shù)無關(guān)。

⑵差模特性

差動放大器的輸入和輸出各有單端和雙端輸入兩種方式，因此，差動放大器的輸入輸出共有四種不同的連接方式。連接方式不同，電路的特性參數(shù)不同，各種狀況下的差模特性也不同。

3，三角波-正弦波產(chǎn)生電路

三角波-正弦波變換電路的種類好多，有二極管橋式電路，二極管可變分壓器電路和差分放大電路等。利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性，實現(xiàn)三角波-正弦波變換的過程如圖：

可見：

①差分放大器傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好。②三角波的幅度應(yīng)正好使晶體管接近截止區(qū)。

設(shè)計思路、總體結(jié)構(gòu)框圖

分段設(shè)計，首先產(chǎn)生方波-三角波，再與差動放大電路相連。

函數(shù)信號發(fā)生器

分塊電路和總體電路的設(shè)計（1）方波-三角波產(chǎn)生電路：

首先，穩(wěn)壓管采用既定原件2DW232，保證了輸出方波電壓Uo1的峰峰值為12V，基本要求三角波輸出電壓峰峰值為8V，考慮到平衡電阻R3的取值問題，且要保證R1/Rf=2/3,計算決定令Rf=12K，R1=8K，R3=5K。又由方波的上升、下降沿要求，第一級運放采用轉(zhuǎn)換速度很快的LM318，Ro為輸出限流電阻，不宜太大，最終采用1K歐電阻。二級運放對轉(zhuǎn)換速度要求不是很高，故采用UA741。考慮到電容C1不宜過小，不然誤差可能較大，故C1=0.1uF，最終根據(jù)公式，Rw抽頭位于中點時R2的值約為300歐，進而確定平衡電阻R4的阻值?？紤]到電路的安全問題，在滑阻的接地端串接了一個1K的電阻。（注：實際調(diào)測時由于滑阻轉(zhuǎn)動不太便利，所以通過不斷換滑阻的方式確定適當(dāng)頻率要求下Rw的阻值，我的電路最終使用的是1K歐的滑阻）

（2）正弦波產(chǎn)生電路：

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電容C2，C3，C4為隔直電容，根據(jù)電路實際狀況，采用10uF的足夠了，調(diào)測效果也很好。C5為濾波電容，需要根據(jù)最終的正弦波波形選擇最適合的，我的電路最終采用的是10000pF。T1,T2,T3,T4采用8050NPN管。根據(jù)電路要求電流鏡電流為1mA，以保證T1,T2的集電極電流都是0.5mA，由于正負電壓的大小都是12V，Re3,Re4又不能太大（有負反饋），故最終令R=18K,Re3=Re4=Re5=5K（其中Re5為電流鏡的負載，需要與之匹配）Rp2為調(diào)零電阻，100歐就可以。Rb1,Rb2為差放的基極電阻，對整個放大影響不大，都采用50歐以減小電路輸出阻抗。Rc1,Rc2為集電極負載，需要足夠大以保證正弦電壓的放大倍數(shù)，選擇18K歐的電阻。Rp1理論上是用于調(diào)理輸出正弦波電壓的幅值的，但是實際調(diào)測中，它的大小還會影響到前一級電路，在不斷調(diào)測中決定使用10K歐的滑阻。

（3）提高之三角波幅度可調(diào)：

一者可以在Uo2的輸出口接上一個分壓電路（使用滑阻），這樣只改變輸出三角波幅值，不會影響其他電路。

二者可以利用三角波產(chǎn)生的原理，改變R1和Rf的比值。

考慮到后者實現(xiàn)的難度稍小，所以采用其次種方法，在Rf支路上串聯(lián)一個10K歐的滑阻，最終可以實現(xiàn)賦值及頻率同時可調(diào)。

（4）方波占空比可調(diào)：

只需改變正負積分電路的積分常數(shù)即可，由此聯(lián)想到鋸齒波電壓的產(chǎn)生電路，將R2替換為兩條支路，用不同方向的二極管控制電路的通斷。最終成功輸出鋸齒波電壓和占空比可調(diào)的方波電壓。

函數(shù)信號發(fā)生器

電路仿真的實現(xiàn)（Multisim）：電路圖：

方波波形：

三角波波形：

函數(shù)信號發(fā)生器

正弦波波形：

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PCB布板圖：

所實現(xiàn)功能說明

接入工作電壓后可以產(chǎn)生頻率、幅度、占空比可調(diào)的方波、三角波、正弦波電壓波形。

主要測試數(shù)據(jù)為頻率F可調(diào)理的范圍，幅值最大是否符合要求，后級差動放大

電路的直流工作點以及頻率變化時輸出正弦波電壓幅值的微小變化。

測試方法：利用直流電壓元產(chǎn)生工作電壓，用示波器測試輸出電壓波形、幅值、

頻率等，用電壓表測量Re，Rc兩端電壓，并計算得到二者的工作電流。

故障及問題分析

1、方波的峰峰值過低或者過大，穩(wěn)壓管沒有起到相應(yīng)的作用。通過不斷改變Ro的值（由于Rw改變不便利，還調(diào)過它）最終得到滿足要求的波形。2、三角波的上升沿比較粗，下降沿比較細。通過改變R2和C1的值不斷改變波形頻率，最終得到相對對稱的三角波上升下降沿。

3、后級在直流工作點正常的狀況下，沒有正弦波的輸出波形。通過逐段測試發(fā)現(xiàn)在信號經(jīng)過Rp1后就已經(jīng)為零了，這個滑阻本應(yīng)是調(diào)理正弦波的幅度的，但粗淺分析應(yīng)當(dāng)會影響到前級的積分電路，將之換上一個調(diào)理便利的10K歐電阻，調(diào)解過程中發(fā)現(xiàn)確實有所影響，在不斷調(diào)理下得到了輸出的正弦波波形。

4、正弦波輸出端輸出的是三角波電壓或是類似于香蕉波的波形，解決方式是調(diào)整濾波電容的值，使之達到濾波的效果，最終輸出比較圓滑的正弦波。5、在調(diào)理輸出電壓頻率的時候，最終的正弦波電壓輸出幅度會有較大的改變，

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這應(yīng)是后級差放電路還不夠穩(wěn)定，幾個電容的值還不是很好導(dǎo)致的，由于當(dāng)時已經(jīng)驗收了，后來也就沒有調(diào)測。

總結(jié)和結(jié)論

通過這次試驗，在對上學(xué)期的模電課程有了更深的理解，把理論與實際相結(jié)合的基礎(chǔ)上，我學(xué)會了電路的具體搭建和故障初步排除。實踐過程中遇到了好多困難，不管是知識方面的還是搭建方面的。譬如運放的易壞，讓試驗的調(diào)測過程都增加了不少難度。還有，在試驗過程中器材的不足以及未對面包板檢測，讓試驗一度陷入僵局，所幸最終都能得到了解決，這次試驗中還讓我們學(xué)會了PROTEL繪制電路，過程雖然艱辛，但還是覺得是有所收獲的。唯一覺得惋惜的是在辯論的時候準(zhǔn)備不夠充分以及對于電路“出波形〞比“具體數(shù)值符合要求〞的心理，導(dǎo)致最終搭建的電路有失偏頗，辯論的時候不能對老師的提問做出很好的回復(fù)，是我的錯。