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1、电子技术课程设计,低频函数信号发生器,蔡忠法,浙江大学电工电子基础中心,学而时習之，不亦悦乎？孔子论语,道可道非常道。老子道德经,教学安排：,第一阶段（前5天）：玉泉教七-102,上午上课（8:30-11:30） 下午完成布置任务（阅读、设计、仿真） 第5天：测试，完成预设计报告,第二阶段（后5天） ：东3实验室,上午8:00发车（玉泉后校门内）；下午5:00发车。第6天上午: 领电路板 第6-9天 焊接，实验调试 第10天 完成课程报告,教学内容：,第11章 电子设计基础知识 实验12.2 低频函数信号发生器的设计 实验12.3 低频数字频率计的设计,所涉及技能：元器件 仪器 仿真 焊接 调
2、试 报告 设计,课件下载地址,ftp: 10.71.21.98: 8021 匿名登陆 目录：,预设计报告上传地址,ftp: 同上 匿名登陆 目录： 要求：文件名统一“学号 姓名 预设计报告”,成绩评定：,平时成绩 10分 测试成绩 20分 实验结果 40分 实验报告 20分 其他(创新性) 10分,电子系统设计概论,常用电子系统：,测控系统：航天飞机的飞行控制系统、工业生产控制系统,测量系统：电能质量监测系统、多路数据采集系统、各种电量和非电量的测量仪器,通信系统：数字通信系统、MODEM,家电系统：调频收音机、VCD、照相机,汽车电子：汽车防盗器 、电动汽车,电子系统组成框图：,核心,完成一
3、个特定功能的完整的电子装置称为电子系统。,电子系统设计基本方法：,电子系统设计过程：,确定系统功能：“做什么？”,确定性能指标：“做到什么程度？”,确定组成方案：“怎么做？”,系统软硬件划分,系统功能划分及子系统框图,选择硬件类型：通用IC、PLD、MCU、 DSP、ASIC、SOC,设计单元电路，确定元器件,设计程序流程，编写源程序,制作印刷板（或画出电路图）,装配调试,测试系统指标,写出产品技术报告和说明书,总结设计报告,组装正式样机,现代电子设计方法：,画电路图：protel 电路板布局：protel 电气制图：Autocad 电路仿真：pSpice(Orcad), ewb(multis
4、im) 其他：vhdl, keil c51, ads, sdt,设 计 任 务,1. 同时输出三种波形：方波、三角波、正弦波,一、设计内容：设计一个低频函数信号发生器,二、性能与技术指标,2. 频率范围：10Hz 10kHz,3. 频率稳定度:,4. 频率控制方式：,(1) 通过改变RC时间常数控制频率（手控方 式）；,设 计 任 务 书：,(2) 通过改变控制电压V1实现压控频率（即 VCF），常用于自控方式。即:（V1=110V）,为确保良好的控制特性，可分三段控制：, 10 Hz100 Hz, 100 Hz 1 kHz, 1 kHz 10 kHz,5. 波形精度：,(1) 方波：上升沿和
5、下降沿时间均应小于2s,(2) 三角波：线性度,(3) 正弦波：谐波失真度,（V1为基波有效值，Vi为各次谐波有效值),6. 输出方式：,(1) 作电压源输出时，要求：, 输出电压幅度连续可调，最大输出电压（峰峰值）不小于20V；,(2) 作电流源输出时，要求：, 输出电流连续可调，最大输出电流（峰峰值）不小于200 mA；, 当RL=1001k时，输出电压相对变化率 (即要求 Ro 400 mA 时，输出晶体管自动限流，以免进一步损坏电路元器件。,8. 采用数字频率显示方式。,(3) 作功率输出时，要求最大输出功率Pomax 1W（RL=50时）。,低频函数信号发生器的设计,一、总体方案讨论
6、,函数信号发生器的原理框图,信号产生部分的多种实现方案,模拟电路实现方案 数字电路实现方案 模数结合的实现方案,数字电路的实现方案，一般可事先在存储器里存储好函数信号波形，再用D/A转换器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储点数、D/A转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。其信号频率的高低，是通过改变D/A转换器输入数字量的速率来实现的。这种方案在信号频率较低时，具有较,好的波形质量。随着信号频率的提高，需要提高数字量输入的速率，或减少波形点数。波形点数的减少，将直接影响函数信号波形的质量，而数字量输入速率的提高也是有限的。因此，该方案比较适合低频信号，而较难产生
7、高频信号（如 1MHz）。,模数结合的实现方案，一般是用模拟电路产生函数信号波形，而用数字方式改变信号的频率和幅度。如采用D/A转换器与压控电路改变信号的频率，用数控放大器或数控衰减器改变信号的幅度等，是一种常见的电路方式。,模拟电路的实现方案，是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。由于教学安排及课程进度的限制，本实验的信号产生电路，推荐采用全模拟电路的实现方案。,对于信号产生电路的模拟电路实现方案，也有几种电路方式可供选择。如用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，电路框图如图所示。,模拟电路实现信号产生电路的多种方式,方案1,这
8、种电路结构简单，并具有良好的正弦波和方波信号。但要通过积分器电路产生同步的三角波信号，存在较大的难度。原因是积分电路的积分时间常数通常是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度将同时改变。若要保持三角波输出幅度不变，则必须同时改变积分时间常数的大小，要实现这种同时改变电路参数的要求，实际上是非常困难的。,方案2,另一种电路方式是，由三角波、方波发生器产生三角波和方波信号，然后通过函数转换电路，将三角波信号转换成正弦波信号，电路框图如图所示。,这种电路在一定的频率范围内，具有良好的三角波和方波信号。而正弦波信号的波形质量，与函数转换电路的形式有关，这将在后面的单元电路分析中详细
9、介绍。,该电路方式是本实验信号产生部分的推荐方案。,根据实验任务中对输出电压、输出电流及输出功率的要求，原则上在输出级只需采用不同的负反馈方式便可。即要求电压输出时，采用电压负反馈；要求电流输出时，采用电流负反馈。这将在单元电路分析中进行详细介绍。,由所选方案及组成电路的形式，可以初步分析该实验在实现上述技术指标时的关键和困难之处。由于三角波的线性度、正弦波信号的谐波失真度都需要专用测试设备进行检测，在学生实验室一般不具备这样的条件。,因此，在实验的设计、制作及测试过程中，应该重视对它们的分析和理解，以便了解影响这些技术指标参数的电路形式、组成电路的元器件、改善和提高这些技术指标的方法和措施。
10、对于方波信号的上升沿和下降沿时间，则可用实验室中的示波器进行检测，该项技术指标也是本实验的一项重要和关键的参数。因此，在设计三角波，方波发生器和输出放大电路时，要特别注意与该指标有关参数的选取，如运算放大器的转换速率（SR）等。,1. 三角波方波发生器,(1)比较器RC电路,二、单元电路分析,R两端的电压逐渐下降，充电电流也将不断减小。,线性度非常差，显然不能当作三角波使用。使iC恒定的办法有多种，其实质都是利用恒流源电路取代图中的R，便可获得较为理想的三角波波形。,三种形式的恒流源电路,三极管构成 场效应管构成 1个恒流源+桥式整流,第一种形式：三极管构成,第二种形式：场效应管构成,第三种形
11、式：1个恒流源+桥式整流,(2) 比较器积分器,在一般使用情况下，V1和V2都接地。只有在方波的占空比不为50%，或三角波的正负幅度不对称时，可通过改变V 1和V2的大小和方向加以调整。,V 1和V2都接地时的波形：,(1) 对称调节点V1,V 10时：,当vO2=+VZ时，,当vO2= -VZ时，,当V10时，T1T2；V10时，T10，则三角波上移；若V20，则三角波下移。,其上幅度为：,其下幅度为：,而三角波的峰峰值为：,由上可知，当R2/R3的比值调好后，三角波的峰峰值已经确定，调节V2的大小可使三角波上下平移。,因此，当由于失调等原因引起三角波零位偏移（上下不对称）时，可通过改变V2
12、的大小进行调整。,一号任务书,根据给出的参考电路，估算频率范围和三角波、方波幅值。 比照原理电路和参考电路，说明两者之间的区别。若要求三角波幅度范围为18V，试重新设计电路。 电路中R2有何作用，估算R2阻值。 若要求能调节占空比，试设计电路。 运放的SR参数是什么意思？若已知运放LF353的SR13V/s，试分析能否满足电路的设计要求。,电路设计：,若方波和三角波的波形时间轴上不对称，则可能是什么原因？ 若方波和三角波的波形幅度不对称，则可能是什么原因？怎么办？ 若方波三角波出不来，但线路经检查正确。怎么办？ 测量频率范围时，能否通过调Rp2来改变频率？,仿真分析方波三角波发生电路（PSpi
13、ce或MultiSim或），运放可选择LM324。,仿真和EDA：,调试：,拓展题（选做）：,自学protel软件中的画图和布线功能，画出整个实验电路的布线图。 阅读相关资料，论述函数信号发生器有哪些方案。查找函数信号发生器的专用集成电路型号及特点。 阅读相关资料，论述直接数字合成(DDS) 的概念及优点。,在6个拓展题中选择一个,做成ppt,上台报告。,函数转换是指：把某种函数关系转换成另一种函数关系，能完成这种转换功能的电子电路就称为函数转换电路。常用的函数转换电路，如半波、全波整流电路，就是把正弦波形转换成半波和全波波形的函数转换电路。本实验需要讨论的是，把三角电压波形转换成正弦电压波形
14、的正弦函数转换电路。,2. 正弦函数转换电路,从转换原理分析，有多种方法能完成这一转换功能，常用的有：,滤波法的转换原理是，把峰值为Vm的三角波用傅里叶级数展开：,滤波法 运算法 折线法,由上式可以看出，若三角波的频率变化范围不大，则可用低通滤波器滤去高次谐波，保留基波成份，正弦波与三角波之间具有固定的幅度关系。但若三角波的频率变化范围较大（如本实验的频率变化范围是1000倍），要设计一个对截止频率具有跟踪功能的低通滤波器就相当困难、不易实现。因此，滤波法只适用于频率变化范围很小，最好是固定频率的应用场合。,运算法的转换原理是，把展开成幂级数形式：,由上述关系容易看出，取幂级数的前几项（根据转
15、换精度的要求），可以通过对线性（三角波）变化量x的运算来近似表示成 sinx，但要求三角波的幅度/2。运算转换法由于运算复杂，用电子电路较难实现。,折线法是一种使用最为普遍、实现也较简单的正弦函数转换方法。折线法的转换原理是，根据输入三角波的电压幅度，不断改变函数转换电路的传输比率，也就是用多段折线组成的电压传输特性，实现三角函数到正弦函数的逐段校正，输出近似的正弦电压波形。由于电子器件（如半导体二极管等）特性的非线性，使各段折线的交界处产生了钝化效果。因此，用折线法实现的正弦函数转换电路，实际效果往往要优于理论分析结果。,用折线法实现正弦函数的转换，可采用无源和有源转换电路形式。无源正弦函数转换电路，是指仅使用二极管和电阻等组成的转换电路。有源正弦函数转换电路，转换电路除二极管、电阻网络外，还包括放大环节。无论是无源还是有源转换电路，其转换原理都是雷同的。根据输入三角波电压的幅度，不断增加（或减少）网络通路以改变转换网络的系数，输出近似的正弦电压波形。,有源正弦函数转换电路的转换原理如图所示。,若设正弦波在过零点处的斜率与三角波斜率相同，即,由此可推出各断点上应校正到的电平值：,
