模電三角波正弦波課程設(shè)計(jì)報(bào)告書

./__課程設(shè)計(jì)題目方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)學(xué)院國(guó)際教育學(xué)院專業(yè)通信工程班級(jí)通信gj0801姓名羅云月指導(dǎo)教師撒繼銘2011年1月23日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生__羅云月專業(yè)__通信gj0801指導(dǎo)撒繼銘工作單位：信息工程學(xué)院題目:方波-三角波-正弦波函數(shù)信號(hào)發(fā)生器初始條件：集成運(yùn)放uA741,電阻,電容,可變電位器,NPN型晶體三極管,單刀雙擲開(kāi)關(guān).電壓為+8v的電源,電壓為-8v的電源.電路仿真軟件EWB等要求完成的主要任務(wù):設(shè)計(jì)完成的電路要求輸出方波,三角波,正弦波輸出的頻率X圍為1~10HZ,10~100HZ,100~1000HZ輸出的電壓值方波峰峰值16v,三角波峰峰值4v,正弦波峰峰值大于1v波形特性,:要求正弦波和三角波的非線性失真度較小〔包括課程設(shè)計(jì)工作量與其技術(shù)要求,以與說(shuō)明書撰寫等具體要求〕時(shí)間安排：第19周:理論講解.地點(diǎn):鑒三202第20周:理論設(shè)計(jì).仿真調(diào)試.撰寫試驗(yàn)報(bào)告,準(zhǔn)備答辯第21周:答辯指導(dǎo)教師簽名：20xx1月11日系主任〔或責(zé)任教師〕簽名：年月日目錄摘要分析工作原理與作圖……………………3第一章方案的選擇………………41.1各個(gè)方案的原理框圖1.2各個(gè)方案的比較與確定方案第二章各部分電路設(shè)計(jì)…………〔3〕2.1方波發(fā)生電路的工作原理………2.2方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理……〔3〕2.3三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理…〔6〕2.4電路的參數(shù)選擇與計(jì)算……〔8〕第三章函數(shù)發(fā)生器的總電路圖……………〔1〕第四章電路仿真…………………〔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〕第五章電路的安裝與調(diào)試………〔13〕5.1方波三角波發(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(wèn)題與分析解決方法…………〔13〕第六章電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果…………〔14〕6.1方波三角波發(fā)生電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果………〔14〕6.2三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果……〔14〕6.3實(shí)測(cè)電路波形、誤差分析與改進(jìn)方法………〔15〕第七章實(shí)驗(yàn)總結(jié)………………〔17〕第八章儀器儀表明細(xì)清單………〔18〕第九章參考文獻(xiàn)…………………〔19〕摘要函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波與鋸齒波、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(hào)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(jìn)一步掌握電路的基本理論與實(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(jì)方法。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(jì)方法。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(lái)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(shí),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。方案的選擇1采用集成片ICL8038做函數(shù)信號(hào)發(fā)生器圖一ICL8038原理圖ICL8038是一種集成度很高的芯片,只需要外加少量調(diào)整電路即可以獲得完美的方波-三角波-正弦波的波形2采用振蕩電路獲得正弦波,再由比較器獲得方波,最后通過(guò)積分電路獲得三角波圖二函數(shù)發(fā)生器原理一3采用比較器和積分器分別獲得方波和三角波,再用晶體三極管組成的差分放大電路做三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換.波形變換的原理是利用差分放大傳輸特性的非線性,傳輸特性曲線越對(duì)稱,并且線性區(qū)間越窄越好.三角波的幅值應(yīng)該接近晶體管的截止電壓值圖三函數(shù)發(fā)生器原理二框圖以上的三種方案,其中方案一十分的簡(jiǎn)單,只需要購(gòu)買一片ICL8038和少量電阻和電容即可.方案二和方案三,有一個(gè)共同之處是都需要搭建波形變換電路.理論上說(shuō),都是簡(jiǎn)單可行的.但是考慮到ICL8038的市場(chǎng)價(jià)格較高,因此拋棄第一種方案.但是方案二是使用RC橋式正弦波振蕩器作為整個(gè)電路的基礎(chǔ),考慮到正弦振蕩電路的穩(wěn)定性,因此選擇方案三做為最終的方案.第二章各組成部分的工作原理2.1方波發(fā)生電路的工作原理圖四方波—三角波產(chǎn)生電路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(guò)RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過(guò)R3對(duì)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(shí)間t的增長(zhǎng)而逐漸增高,當(dāng)t趨于無(wú)窮時(shí),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(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后,Uo又通過(guò)R3對(duì)電容C反向充電,如圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)而減低,當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí),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(kāi)始正相充電。上述過(guò)程周而復(fù)始,電路產(chǎn)生了自激振蕩。2.2方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理圖五遲滯比較器電壓傳輸特性圖六三角波發(fā)生器的工作波形工作原理如下：若a點(diǎn)斷開(kāi),運(yùn)算發(fā)大器A1與R1、R2與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(shí),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,如圖五所示。a點(diǎn)斷開(kāi)后,運(yùn)放A2與R4、RP2、C2與R5組成反相積分器,其輸入信號(hào)為方波Uo1,則積分器的輸出Uo2為時(shí),時(shí),可見(jiàn)積分器的輸入為方波時(shí),輸出是一個(gè)上升速度與下降速度相等的三角波,其波形關(guān)系圖六所示。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(dòng)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(shí),不會(huì)影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的X圍較寬,可用C2改變頻率的X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(guò)電源電壓+Vcc。電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào),但會(huì)影響方波-三角波的頻率。2.3三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理圖七三角波——正弦波的變換電路主要由差分放大電路來(lái)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(shí),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(jiàn)：傳輸特性曲線越對(duì)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(duì)稱性,其并聯(lián)電阻RE2用來(lái)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。圖八正弦波發(fā)生器的工作波形2.4電路的參數(shù)選擇與計(jì)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(kāi)始很長(zhǎng)時(shí)間出不來(lái)波形,后來(lái)將C2從10uf〔理論時(shí)可出來(lái)波形〕換成0.1uf時(shí),順利得出波形。實(shí)際上,分析一下便知當(dāng)C2=10uf時(shí),頻率很低,不容易在實(shí)際電路中實(shí)現(xiàn)。2．三角-正弦波部分計(jì)算比較器A1與積分器A2的元件計(jì)算如下。即取,則,取,RP1為47KΩ的點(diǎn)位器。區(qū)平衡電阻由式〔3-62〕即當(dāng)時(shí),取,則,取,為100KΩ電位器。當(dāng)時(shí),取以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換,R4與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(guò)觀測(cè)傳輸特性曲線,調(diào)整RP4與電阻R確定。第三章函數(shù)發(fā)生器的總方案圖九函數(shù)發(fā)生器總設(shè)計(jì)圖第四章仿真結(jié)果1．三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器波形圖十三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器波形2．方波-三角波函數(shù)發(fā)生器波形圖十一方波-三角波函數(shù)發(fā)生器波形第五章電路的安裝與調(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)與接地端。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.接入各電容與電位器,注意C6的選取；4.按圖接線,注意直流源的正負(fù)與接地端。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(wàn)用表測(cè)試差分放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；2.測(cè)試V1、V2的電容值,當(dāng)不相等時(shí)調(diào)節(jié)RP4使其相等；3.測(cè)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(hào)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(shí)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(cè)試、觀察2.針對(duì)各階段出現(xiàn)的問(wèn)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(wèn)題與解決的方法方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級(jí)單元電路組成的,在裝調(diào)多級(jí)電路時(shí)通常按照單元電路的先后順序分級(jí)裝調(diào)與級(jí)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(shí)輸出方波與三角波,這兩個(gè)單元電路可以同時(shí)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(jì)值,如設(shè)計(jì)舉例題中,應(yīng)先使RP1=10KΩ,RP2取〔2.5-70〕KΩ內(nèi)的任一值,否則電路可能會(huì)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(jì)指標(biāo)要求有,調(diào)節(jié)RP2,則輸出頻率在對(duì)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?qǐng)D3—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(jì)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(hào)電壓Uid=50v,Fi=100Hz正弦波。調(diào)節(jié)Rp4與電阻R*,是傳輸特性曲線對(duì)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(shí)對(duì)應(yīng)的Uid即Uidm值。移去信號(hào)源,再將C4左段接地,測(cè)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(shí)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)生是真的原因與采取的措施有；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(duì)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。可在輸出端加濾波網(wǎng)絡(luò)改善輸出波形?！?〕性能指標(biāo)測(cè)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(duì)稱電路,輸出方波時(shí),兩管輪流截止與飲和導(dǎo)通,由于導(dǎo)通時(shí)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(shí)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(cè)量T第六章電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果6.1方波三角波發(fā)生電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果C=0.01uffmin=4138HZfmax=8333HZC=0.1uffmin=198HZfmax=1800HZC=1uffmin=28HZfmax=207HZ圖十二方波三角波發(fā)生電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果6.2三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果R=15KΩVc1=Vc2=5.530VVc3=-0.6218VVc4=-10.307VIc1=Ic2=0.6813mA圖十三三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析模擬仿真〔R*=13K〕Vc1=Vc2=4.358VVc3=-0.831VVc4=-9.028VIc1=Ic2=0.5368mA圖十四三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析報(bào)告6.3實(shí)測(cè)電路波形、誤差分析與改進(jìn)方法將C6替換為由兩個(gè).1uF串聯(lián)或直接拿掉,C1=0.1uFU=54mvUo=2.7v>1vC1=0.01FU=54mvUo=2.8v>1v第七章實(shí)驗(yàn)總結(jié)一個(gè)禮拜的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束,為期一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束,在這一星期的學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、焊接過(guò)程中我感觸頗深。這次課程設(shè)計(jì),讓我學(xué)會(huì)了如何如選擇和設(shè)計(jì)電路.動(dòng)手能力和使用電路軟件的能力得到了一定的提高.使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì),我掌握了常用元件的識(shí)別和測(cè)試；熟悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接、焊接方法；以與如何提高電路的性能等等。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,我們遇到了不少的問(wèn)題。比如：波形失真,甚至不出波形這樣的問(wèn)題。我也發(fā)現(xiàn)自己并不能夠熟練的使用自己所學(xué)到的模電知識(shí).再有后的學(xué)習(xí)中,我要加強(qiáng)自己對(duì)電路的設(shè)計(jì)和使用的能力.但是由于這次課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路很簡(jiǎn)單,并且有章可循,在各種資料的指引下,我們完成起來(lái)并不是很難.課程設(shè)計(jì)只是我們以后從事技術(shù)工作的一個(gè)縮影,通過(guò)這種訓(xùn)練,可以提高我們動(dòng)手設(shè)計(jì)電路的能力,能夠讓我們更好的組織實(shí)驗(yàn).培養(yǎng)分析問(wèn)題,解決問(wèn)題的能力.也為我們以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)和電子工作打下了基礎(chǔ).通過(guò)這次對(duì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì),更加讓我明白了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性.明白了動(dòng)手實(shí)踐的重要性.因?yàn)槔碚撆c實(shí)際畢竟有一定的距離.同時(shí)這次設(shè)計(jì)加深了我對(duì)所