《函数发生器的设计------模拟电子技术课程设计讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《函数发生器的设计------模拟电子技术课程设计讲解（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、模 拟 电 子 技 术 课 程 设 计 学院：机电工程学院 指导老师：田莉 课程设计题目 ：函数发生器的设计 完 成 时 间： 2013年6月3日 实验目的 一 设计任务 1-1实验目的 通过本课题设计，要求掌握方波，三角波，正弦波函数发生器的设计方法 与调试技术。学会安装与调试由多级单元电路组成的电子线路，学会使用集 成函数发生器。 1-2设计任务 设计课题：方波-三角波-正弦波发生器 1-3主要技术指标 频 率 范 围： 10HZ-100HZ,100HZ-1KHZ,1KHZ-10KHZ. 频率控制方式： 通过改变RC时间常数手控信号频率。通过改变控制电压 Uc实现压控频率。 输 出 电 压
2、： 正弦波 Upp=3V 幅度连续可调 三角波 Upp=5V 幅度连续可调 方 波 Upp=14V 幅度连续可调 波 形 特 性： 方波上升时间小于2 S； 三角波非线性失真小于1%； 正弦波谐波失真小于3%； 日期 地点 二 函数发生器设计 的总方案及原理图 2-1 函数发生器的总方案 本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波 三角波正弦波函数发生器的设计方法。 产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，本课题采用先产生方波三 角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。 2-2本课题中函数发生器电路组成框图如下所示： 由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经
3、积 分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完 成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优 点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将 频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器 传输特性曲线的非线性。 日期 地点 3-1 方波发生电路的工作原理 此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节 ，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时 刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充 电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增
4、高， 当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃 变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充 电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时 ，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从- Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自 激振荡。 三 各单元电路及其 原理 日期 地点 3-2 方波-三角波转换电路的工作原理 工作原理 工作原理如下： 若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速
5、比较器的翻转。运放 的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等 于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输 出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+Vcc,则 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 比较器的门限宽度 由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-71所示。 a点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信
6、号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为 时， 时， 可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下图所示。 a点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为 方波-三角波的频率f为 由以上两式可以得到以下结论： 电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用 C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。 电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。 日期 地点 3-3 三角波-正弦
7、波转换电路的工作原理 日期 地点 三角波正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。 差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流 放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形 变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。分析表明，传输特性曲线的表 达式为： 式中 差分放大器的恒定电流； 温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mV。 如果Uid为三角波，设表达式为 式中 Um三角波的幅度； T三角波的周期。 为使输出波形更接近正弦波，由图可见： 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好； 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截
8、止区。 图为实现三角波正弦波变换的电路。其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路的 对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C1,C2,C3为隔直电容，C4 为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。 日期 地点 三角波正弦波变换电 路 日期 地点 三角波-正弦波变换 日期 地点 3-4电路的参数选择及计算 1.方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一） 实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2从10uf（理论时可出来波 形）换成0.1uf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低， 不容易在实际电路中实现。 2.三角波-正弦波部分 比较
9、器A1与积分器A2的元件计算如下。 由式（3-61）得 即 取 ，则 ，取 ，RP1为47K的电位器。区平衡电阻 由式（3-62） 即 当 时，取 ，则 ，取 ，为100K电位器。当 时 ，取 以实现频率波段的转换，R4及 RP2的取值不变。取平衡电阻 。 三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因 为输出频率很低，取 ，滤波电容 视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多， 可取 得较小， 一般为几十皮法至0.1微法。RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联，以减小差分 放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及 电阻R*确定
10、。 日期 地点 3.5 总电路图 日期 地点 四 电路仿真结果 图1：输出方波波形 图2:输出三角波波形 图3：输出方波三角波波形 日期 地点 4-2 三角波-正弦波转换电路的仿真 日期 地点 五 电路可能出现的故障及排除方法 5-1方波-三角波发生器的装调 由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出 方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。需要注意 的是，安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值 ，如设计举例题中，应先使RP1=10K,RP2取（2.5-70）K 内的任一值,否则电路可能会不起振。只要电路接线正确 ，上电后，UO1的输出为方波，UO2的输出为三角波，微
11、调 RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求有，调节RP2， 则输出频率在对应波段内连续可变。 日期 地点 按照图所示电路，装调三角波正弦波变换电路，其中差分发大电路可利用课题三设计 完成的电路。电路的 调试步骤如下。 （1）经电容C5输入差摸信号电压Uid=50v，Fi =100Hz正弦波。调节R8及电阻 R*,是传输特性曲线对称。在逐渐增大Uid。记下次时对应的 Uid即Uidm值。移去信号源， 再将C5左段接地，测量差份放大器的 静态工作点I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4. (2) R8与C5连接，调节R8使三角波输出幅度经R8等于Uidm值，这时Uo3的 输出波形应接 近正弦波
12、，调节C3大小可改善输出波形。如果Uo3的 波形出现几种正弦波失真，则应调节 和改善参数，产生失真的原因及采取的措施有； 1）钟形失真 ，传输特性曲线的 线性区太宽，应减小R16。 2）半波圆定或平顶失真 ，特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R*. 3）非线性失真，三角波传输特性区线性度 差引起的失真，主要是受到运放的影响。可在 输出端加滤波网络改善输出波形。 （3）性能指标测量与误差分析 1）放波输出电压Upp=2Vcc是因为运放输出极有PNP型两种晶体组成复合互补对 称电路，输出方波时，两管轮流截止与饮和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输 出度小于电源电压值。 2）方波
13、的上升时间T，主要受预算放大器的限制。可接加速电容C1，一般取C1为几十皮 法。用示波器或脉冲示波器测量T 5-2三角波-正弦波变换电路的装调 日期 地点 六 电路的仿真结果 日期 地点 6-2 三角波-正弦波转换电路的实验结果 日期 地点 七 本实验的心得体会 通过最初的题目的选择，资料的收集，实验原理的确 定直到最终电路的设计，参数的调整，EDA仿真，实验 结果的分析等一系列过程的全程参与，特别是实验参数 的调整和实验的故障排除这两个过程，耗费了我们很大 的精力与时间，参数只要有一点点的错误，实验的结果 便有了很大的偏差。经过此过程，我们对此门课的精准 要求深有体会。我们也感到自己的知识还有很大的不足 ，在以后的学习中，我们还得加倍努力。 日期 地点 八 实验所用元器件清单 日期 地点 九 参考文献 电子技术基础实验与课程设计 高吉祥主编 电子工业出版社 模拟电子技术实验与课程设计 王斌主编 西北工业大学出版社 电子技术实验与课程设计指导 模拟电路分册 郭永贞主编 东南大学出版 社 EDA技术及应用 范晶彦著 机械工业出版社 Moltisim10虚拟仿真业余制版实用技术 黄培根主编 电子工业出版社 2008
