函數(shù)信號發(fā)生器模擬電路課程設(shè)計

PAGEPAGE7《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目方波－三角波－正弦波函數(shù)發(fā)生器設(shè)計要求設(shè)計制作一個方波－三角波－正弦波頻率范圍10～100，100～1，1Ｋ～10；正弦波，三角波，方波，幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真小。實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備：示波器，萬用表，直流穩(wěn)壓源，毫伏表設(shè)計步驟與要求：根據(jù)設(shè)計要求，查閱相關(guān)資料，提出理論設(shè)計方案，畫出電路原理圖；根據(jù)已知條件及性能指標(biāo)要求，選擇元器件的型號及參數(shù)，并列出材料清單，畫出電路連線圖；將元器件安裝在通用電路板，確認(rèn)布線合理后再進(jìn)行元器件的焊接。測試性能指標(biāo)，調(diào)整與修改元件參數(shù)值，使其滿足電路設(shè)計要求，將修改后的元件參數(shù)值標(biāo)在設(shè)計的電路圖上。上述各項完成后，再進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)研究和討論。所有實(shí)驗(yàn)完成后，寫出規(guī)范的設(shè)計報告。目錄1函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖……（4）1.1函數(shù)發(fā)生器的總方案論證…………………（4）1.2原理框圖……………（4）2設(shè)計的目的及任務(wù)……………（5）2.1課程設(shè)計的目的……………（5）2.2課程設(shè)計的任務(wù)與要求……………………（5）2.3課程設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)……………………（5）3元器件選擇……………（6）4各組成部分的工作原理及實(shí)現(xiàn)功能4.1方波發(fā)生電路的工作原理………………（6）4.2方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理………………（7）4.3三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理…………（10）4.4電路的參數(shù)選擇及計算…………………（12）4.5總電路圖……………………（13）5電路的安裝與調(diào)試…………（14）5.1方波三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試…………（14）5.2三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試………（14）5.3總電路的安裝與調(diào)試………………（14）5.4電路安裝與調(diào)試中遇到的問題及分析解決方法…………（14）6實(shí)驗(yàn)總結(jié)……………………（15）7參考文獻(xiàn)………………………（16）函數(shù)發(fā)生器總方案及原理框圖1.1函數(shù)發(fā)生器的總方案論證函數(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)。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實(shí)驗(yàn)調(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運(yùn)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(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—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—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—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(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點(diǎn)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。1.2原理框圖2．課程設(shè)計的目的和設(shè)計的任務(wù)2.1設(shè)計目的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(xué)知識來指導(dǎo)實(shí)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(shè)計任務(wù)設(shè)計方波——三角波——正弦波函數(shù)信號發(fā)生器2.3課程設(shè)計的要求及技術(shù)指標(biāo)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：10～100，100～1，1Ｋ～10；4．輸出電壓：正弦波，三角波，方波，幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真小。3．元器件選擇設(shè)計所用儀器及器件1．直流穩(wěn)壓電源1臺2．雙蹤示波器1臺3．萬用表1只4．運(yùn)放7412片5．電位器50K2只100K1只100Ω1只6．電容470μF3只10μF1只1μF1只0.1μF2只0.01μF1只7．三極管90134只8．面包板1塊9．剪刀１把10．儀器探頭線2根11．電源線4根4．各組成部分的工作原理及實(shí)現(xiàn)功能4.1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(luò)，通過RC充、放電實(shí)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，如圖中實(shí)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(dāng)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(dāng)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(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。4.2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(diǎn)斷開，運(yùn)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(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)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，低電平等于負(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）,當(dāng)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(shè)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(diǎn)斷開后，運(yùn)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(diǎn)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。三角波的幅度為方波-三角波的頻率f為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(shí)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(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波-三角波的頻率。4.3三角波正弦波轉(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(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點(diǎn)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(dá)式為：式中——差分放大器的恒定電流；——溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25oc時，UT≈26mV。如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)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：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)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。圖為實(shí)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。三角波—正弦波變換電路4.4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(shí)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(shí)際上，分析一下便知當(dāng)C2=10uf時，頻率很低，不容易在實(shí)際電路中實(shí)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47KΩ的電位器。區(qū)平衡電阻由式（3-62）即當(dāng)時，取，則，取，為100KΩ電位器。當(dāng)時，取以實(shí)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C3、C4、C5要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l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(diǎn)可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R*確定。4.5總電路圖三角波-方波-正弦波函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)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。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集成塊插入面包板，注意布局；2.分別把各電阻放入適當(dāng)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(fù)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(jìn)行雙蹤觀察；2.調(diào)節(jié)RP1，使三角波的幅值滿足指標(biāo)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(biāo)達(dá)到要求后進(jìn)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*的阻值選取；3.接入各電容及電位器，注意C6的選?。?.按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。2.調(diào)試三角波——正弦波變換電路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(diǎn)；2.測試V1、V2的電容值，當(dāng)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(shí)驗(yàn)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(dāng)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(jìn)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(yàn)，使其滿足實(shí)驗(yàn)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)。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(shè)計值，如設(shè)計舉例題中，應(yīng)先使RP1=10KΩ,RP2?。?.5-70）KΩ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(shè)計指標(biāo)要求有，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率在對應(yīng)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3—75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(shè)計完成的電路。電路的調(diào)試步驟如下。（1）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3—73所示，記下次時對應(yīng)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(diǎn)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(yīng)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3—76所示的幾種正弦波失真，則應(yīng)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，傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬，應(yīng)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(diǎn)Q偏上或偏下，應(yīng)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(yùn)放的影響?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡(luò)改善輸出波形。（3）性能指標(biāo)測量與誤差分析 1）放波輸出電壓Up—p《=2Vcc是因?yàn)檫\(yùn)放輸出極有PNP型兩種晶體組成復(fù)合互補(bǔ)對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飲和導(dǎo)通，由于導(dǎo)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(yù)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T6．實(shí)驗(yàn)總結(jié)本學(xué)期我們開設(shè)了《模擬電路》課，這門學(xué)科屬于電子電路范疇，與我們的專業(yè)也都有聯(lián)系，且都是理論方面的指示。正所謂“紙上談兵終覺淺，覺知此事要躬行?！睂W(xué)習(xí)任何知識，僅從理論上去求知，而不去實(shí)踐、探索是不夠的，所以在本學(xué)期模電剛學(xué)完之際，緊接著來一次電子電路課程設(shè)計是很及時、很必要的。這樣不僅能加深我們對電子電路的任職，而且還及時、真正的做到了學(xué)以致用。通過這段時間不懈的努力與切實(shí)追求，我們小組終于做完了課程設(shè)計。通過這次課程設(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；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(shè)計提高了我的團(tuán)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(shí)驗(yàn)過程中，我們也遇到了不少的問題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問題。還有就是焊接實(shí)物的問題，我們以為很簡單，但其實(shí)很復(fù)雜，要對焊板上的元件進(jìn)行布置和焊接電路元件連線，這有很大的難度。在此期間，除了對