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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： 正弦波
2、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%；,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积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电
3、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。,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的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，
4、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,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。
5、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
6、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。,3-3 三角波-正弦波转换电路的工作原理,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
7、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
8、,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。,三角波正弦波变换电路,三角波-正弦波变换,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 ，
9、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。,3.5 总电路图,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,4-2 三角波-正弦波转换电路的仿真,五 电路可能出现的故障及排除方法,5-1方波-三角波发
10、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。,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
11、 =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，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
12、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,六 电路的仿真结果,6-2 三角波-正弦波转换电路的实验结果,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
13、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。,八 实验所用元器件清单,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,
