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1、1设计示例一：函数信号发生器的设计函数信号发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电压或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件（如视频信号函数发生器 S101 全部采用晶体管） ，也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块 5G8038） 。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题要求设计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。一、设计任务书1设计课题函数信号发生器设计。2.主要技术指标1）输出波形：正弦波、方波、三角波等2）频率范围：1Hz ，z23) 输出电压：方波 Up-
2、p=24V，三角波 Up-p=6V，正弦波 U1V；4) 波形特征：方波 tr10s（1kHz，最大输出时） ，三角波失真系数 THD2%，正弦波失真系数THD5%。二、设计过程举例1.课题分析根据任务，函数信号发生器一般基本组成框图如图 4.2.15 所示。读者可参阅有关参考资料。图 4.2.15 函数信号发生器框图2方案论证（1）确立电路形式及元器件型号1）方波-三角波电路图 4.2.16 所示为产生方波-三角波电路。工作原理如下：若 a 点短开，运算放大器 A1 与 R1、R2及 R3、 RP1 组成电压比较器，C1 为加速电容，可3加速比较器的翻转。图 4.2.16 方波-三角波产生电
3、路由图 4.2.16 分析可知比较器有两个门限电压 Cth VRPU1321Cth VRP1322运放 A2 与 R4、 RP2、C2 及 R5 组成反相积分器，其输入信号为方波 Uo1 时，则输出积分器的电压为 tUCRPUoo d)(112142 当 Uo1=+VCC 时 tCRPUo 2142 )(V4当 Uo1=-VEE 时 tCRPUo 214E2 )(V可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图 4.2.17 所示。图 4.2.17 方波-三角波波形A 点闭合，即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C1322
4、VRPUmo方波-三角波的频率为5214213)(4CRPRf 由上分析可知：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。方波的输出幅度应等于电源电压。三角波的输出幅度应不超过电源电压。电位器 RP1 可实现幅度上午微调，但会影响波形的频率。2）三角波正弦波的变换三角波正弦波的变换主要有差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。特别是做直流放大器时，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的非线性。其非线性及变换原理如图 4.2.18 所示。6图 4.2.18 三角波正弦波
5、的变换原理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止区。图 4.2.19 为三角波正弦波的变换的电路。其中RP1 调节三极管的幅度，RP2 调整电路的对称性，其并联电阻 RE2 用来减少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，以减少滤波分量，改善输出波形。7图 4.2.19 三角波正弦波变换电路整个设计电路采用如图所示。其中运算放大器A1、 A2 用一只双运放 A747，差分放大器采用单入、单出方式，四只晶体管用集成电路差分对管BG319 或双三极管 S3DG6 等。取电源电压为12V。2）计算元件参数比较器 A1
6、 与积分器 A2 的元件参数计算如下：由于8C1322 VRPUmo因此 3124Vco2m132 URP取 R3=10k,则 R3+RP1=30 k，取 R3=20k, RP1 为 47 k 的电位器。取平衡电阻R1=R2/（R3+RP1）10 k。因为 21423)(CRPf当 1Hzf10Hz 时，取 C2=10F，则R4+RP2=（757.5 ）k ，取 5.1 k，RP2 为100 k 电位器。当 19Hzf100Hz，取C2=1F 以实现频率波段的转换，R4、RP2 的值不变。取平衡电阻 R5=10 k。三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：9隔直电容 C3、C4、C5 要取得大，
7、因为输出频率较低，取 C3=C4=C5=470F，滤波电容 C6 一般为几十皮法至 0.1F。RE2=100 与 RP4=100，相并联，以减少差分放大器的线性区。差分放大器的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。3方波-三角-正弦波函数发生器电路图根据以上设计，可画出方波-三角- 正弦波函数发生器电路图如图 4.2.20 所示。图 4.2.20 方波-三角- 正弦波函数发生器电路图4安装与调试图 4.2.20 所示方波-三角-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的，在装调多级电路时，通10常按照单元电路的先后顺序进行分级装调与级联。（1）方波-三角波发生器的装调
8、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（2.570） 内的任一阻值,否则电路可能会不起振 .只要电路接线正确,上电后,U01 的输出为方波,U02 的输出为三角波 ,微调 RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求,调节 RP2,则输出频率在对应波段内连续可变.（2）三角波-正弦波变换电路的装调按照图 4.2.20 所示电路，装调三角波- 正弦波变换电路，其中差分放大器可利用课题三设计完成的电路。电路的调试
9、步骤如下：1）经电容 C4 输入差模信号电压uid=500mV，fi=100Hz 的正弦波。调节 RP4 及电11阻 R*，使传输特性曲线对称。再逐渐增大 uid，直到传输特曲线形状如图 3-73 所示，记下此时对应的uid，即 uidm 值。移去信号源，再将 C4 左端接地，测量差分放大器的静态工作点I0、Uc1、Uc2 、Uc3 、Uc4。2）将 RP3 与 C4 连接，调节 RP3 使三角波的输出幅度经 RP3 后输出等于 uidm 值，这时 U03 的输出波形应接近正弦波，调整 C6 大小可以改善输出波形。如果 U03 的波形出现如图 4.2.21 所示的几种正弦波失真，则应调整和修改
10、电路参数，产生失真的原因及采取的相应措施有：钟形失真 如图 4.2.21（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小 RE2。半波圆顶或平顶失真 如图 4.2.21（b ）如示，传输特性曲线对称性差，工作点 Q 偏上或偏下，应调整电阻 R*。非线性失真 如图图 4.2.21（ c）所示，三12角波的线性度较差引起的非线性失真，主要受运放性能的影响。可在输出端加滤波网络（如C6=0.1mF）改善输出波形。图 4.2.21 几种正弦波失真（3）性能指标测量与误差分析方波输出电压 UP-P2VCC 是因为运放输出级由 NPN 型与 PNP 型两种晶体管组成复补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和
11、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。方波的上升时间 tr，主要受运算放大器转换速率的限制。如果输出频率较高，可接入加速电容C1（图 4.2.16） ，一般取 C1 为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量 tr。13三、设计要求：（1）调研，查找并收集资料；（2）总体设计，画出框图；（3）单元电路设计，进行必要的计算；（4）电气原理设计，绘原理图（用 EWB 仿真工具绘图。 ） ；对每一个电路都要进行计算仿真，并分析仿真结果；(5)列元器件明细表。(6)撰写设计说明书（字数 5000 左右） 。(7)参考资料目录。14设计示例二：脉搏计的设计设计题目：设计一个脉搏计，要求实
12、现在 15s内测量 lmin 的脉搏数，并且显示其数字。正常人脉搏数为 6080 次min，婴儿为 90 100 次min，老人为 100150 次/min。总体方案：1、课题分析 电子脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。由给出的设计技术指标可知，脉搏计是用来测量频率较低的小信号( 传感器输出电压一般为几个毫伏 )，它的基本功能应该是：用传感器将脉博的跳动转换为电压信号，并15加以放大、整形和滤波。在短时间内(15s 内)测出每分钟的脉搏数。2、选择总体方案(1)提出方案满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出下面两种方案。方案 I 如图 1-1 所示，图
13、中各部分的作用如下：1)传感器 将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。2)放大与整形 电路将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号。3)倍频器 将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将 15s 内传感器所获得的信号频率 4 倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。传感器 放大与整形 倍频器基准时间产生电路控制电路计数译码显示图 1-1 脉搏计方案 I164)基准时间产生电路 产生短时间的控制信号，以控制测量时间。5)控制电路 用以保证在基准时间控制下，使 4倍频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。6)计数、译码、显示电路 用来读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管显示出来。7)
14、电源电路 按电路要求提供符合要求的直流电源。上述测量过程中，由于对脉冲进行了 4 倍频，计数时间也相应地缩短了 4 倍(15s) ，而数码管显示的数字却是 lmin 的脉搏跳动次数。用这种方案测量的误差为4 次min，测量时间越短，误差也就越大。方案 如图 1-2 所示。该方案是首先测出脉搏跳动 5 次所需的时间，然后再换算为每分钟脉搏跳动的次数，这种测量方法的误差小，可达1 次min。此方案的传感器、放大与整形、计数、译码、17显示电路等部分与方案 I 完全相同，现将其余部分的功能叙述如下：1) 六进制计数器 用来检测六个脉搏信号，产生五个脉冲周期的门控信号。2) 基准脉冲(时间 )发生器
15、产生周期为 0.1s 的基准脉冲信号。3) 门控电路 控制基准脉冲信号进入 8 位二进制计数器。4) 8 位二进制计数器 对通过门控电路的基准脉冲进行计数，例如 5 个脉搏周期为 5s，即门打开5s 的时间，让 0.1s 周期的基准脉冲信号进入 8 位二进制计数器，显然计 数值为 50，反之，由它可相应求出 5 个脉冲周期的时间。5) 定脉冲数产生电路 产生定脉冲数信号，如3000 个脉冲送入可预置 8 位计数器输入端。6) 可预置 8 位计数器 以 8 位二进制计数器输出值（如 50）作为预置数，对 3000 个脉冲进行18分频，所得的脉冲数（如得到 60 个脉冲信号） ，即心率，从而完成计数值换成每分钟的脉搏次数。现在所得的结果即为每分钟的脉搏数。（2）方案比较 方案结构简单，易于实现，但测量精度偏低；方案电路结构复杂，成本高，测量精度较高。根据设计要求，精度为 4 次min，在满足设计要求的前提下，应尽量简化电路，降低成本，故选择方案。单元电路的设计：1、放大与整形电路 如上所述，此部分电路的功图 1-2 脉搏计方案六进制计数器 8 位二进制计数器可预置 8 位计数器基准时间发生器 门控电路译码显示电路放大与整形传感器定脉冲数产生电路19能是由传感器将脉搏信号转换为电信号，一般为几十毫伏，必须加以放大，以达到整形电路所需的电压
