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1、 武汉理工大学模电课程设计说明书 函数信号发生器的设计1.1设计课题函数信号发生器设计。2.1主要技术指标和要求2.1.1设计任务根据已知条件，完成对方波三角波正弦波发生器的设计、装配与调试。2.1.2 设计要求（1） 频率范围10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；正弦波Upp3V，幅度连续可调，线性失真小。三角波Upp5V，幅度连续可调，线性失真小。 方波Upp14V，幅度连续可调，线性失真小。（2） 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用PSPICE或EWB软件完成仿真）（3） 安装调试并按
2、规定格式写出课程设计报告书。2.1.3实验设计思想 在实验中，比较器的作用是将输入的直流电变为所需要的方波电压，可以通过电阻的调节来达到控制电压幅度的目的。在积分器的输入端输入方波，然后通过积分器变成三角波电压，可以通过电容和电阻的调节来控制三角波的幅度。最后通过差分放大器的非特性传输曲 线实现正弦波的转换。因此如何把三角波变为正弦波，就成为设计的重点。设计完成后，用示波器来观察波形，与理论对比来确定是否正确。3.1 选定方案的论证及整体电路的工作原理3.1.1方案设计与论证3.1.1.1信号产生电路方案一 由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波。文 氏电 桥正弦波
3、比较器积分器方波三角波这一方案为一开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小。但是对于三角波的产生则有一定的麻烦，因为题目要求有10倍的频率覆盖系数，然而对于积分器的输入输出关系为：显然对于10倍的频率变化会有积分时间dt的10倍变化从而导致输出电压振幅的10倍变化。而这是电路所不希望的。幅度稳定性难以达到要求。而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。方案二由积分器和比较器同时产生三角波和方波。其中比较器起电子开关的作用，将恒定的正、负极性的积分器比较器反 馈方波三角波电位交替地反馈积分器去积分而得到三角波。该电路的优点是十分明显的： 线性良好、稳定性好； 频率易调，在几个数量级的
4、频带范围内，可以方便地连续地改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变； 不存在如文氏电桥那样的过渡过程，接通电源后会立即产生稳定的波形； 三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。综合上述分析，我们采用了第二种方案来产生信号。下面将分析讨论对生成的三角波和方波变换为正弦波的方法。3.1.1.2信号变换电路 三角波变为正弦波的方法有多种，但总的看来可以分为两类：一种是通过滤波器进行“频域” 处理，另一种则是通过非线性元件或电路作折线近似变换“时域”处理。具体有以下几种方案：方案一 采用米勒积分法。设三角波的峰值为，三角波的傅立叶级数展开：通过线性积分后：显见滤波式的优点是不太受输入
5、三角波电平变动的影响，其缺点是输出正弦波幅度会随频率一起变化（随频率的升高而衰减），这对于我们要求的10倍的频率覆盖系数是不合适的。另外我们在仿真时还发现，这种积分滤波电路存在这较明显的失调，这种失调使输出信号的直流电平不断向某一方向变化。积分滤波法的失调图（Protel 99 SE SIM99仿真）而且输出存在直流分量。方案二才用二极管电阻转换网络折线逼近法。十分明显，用折线逼近正弦波时，如果增多折线的段数，则逼近的精度会增高，但是实际的二极管不是理想开关，存在导通阈值问题，故不可盲目的增加分段数；在所选的折线段数一定的情况下，转折电的位置的选择也影响逼近的精度。凭直观可以判知，在正弦波变化
6、较快的区段，转折点应选择的密一些；而变化缓慢的区段应选的稀疏一些。二极管电阻网络折线逼近电路对于集成化来说是比较简单，但要采用分立元件打接则会用到数十个器件，而且为了达到较高的精度所有处于对称位置的电阻和二极管的正向导通电阻都应匹配。实现起来不是很方便的。另外折线逼近电路的原理是应用电路传输的非线性，故作用于变换电路的输入信号的幅度必须是固定的。而且这个转换网络还有输出阻抗高的缺点。 二极管电阻转换网络图方案三利用差分放大器的差模传输特性。设差放的集电极电流分别为和，输入差模电压为 ,发射极电流为,则晶体三极管工作在放大区时有： 由下图的传输特性曲线我们可以想象当输入为三角波时输出会得到近似的
7、正弦波。差放差模传输特性曲线图（Protel 99 SE SIM99仿真）这种转换方式比较简单，而且频带很宽。3.1.2基本电路图根据任务，函数信号发生器一般基本组成框图如图3.1.1所示。 图3.1.1 函数信号发生器框图3.1.3单元电路设计和分析计算3.1.3.1确立电路形式及元器件型号1）方波-三角波电路 图3.1.2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，可加速比较器的翻转。图3.1.2方波-三角波产生电路由图3.1.2分析可知比较器有两个门限电压运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其
8、输入信号为方波Uo1时，则输出积分器的电压为当Uo1=+VCC时当Uo1=-VEE时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3.1.3所示。图3.1.3 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 方波-三角波的频率为由上分析可知：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
9、，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3.1.4所示。图3.1.4 三角波正弦波的变换原理 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3.1.5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。 图3.1.5 三角波正弦波变换电路整个设计电路采用如图
10、所示。其中运算放大器A1、A2用一只双运放A741，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。比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下：3.1.3.2计算元件参数由于因此取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
11、角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得大，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。3.1.3.3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3.1.6所示。 图3.1.6方波-三角-正弦波函数发生器电路图4.1安装与调试在装调多级电路时，通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由于比较器A1与积分器A
12、2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，这两图3.1.6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，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3.1.6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
13、的调试步骤如下：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3.1.5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3.1.7所示的几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的相应措施有：钟形失真如图3.1.
14、7（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3.1.7（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3.1.7（c）所示，三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3.1.7 几种正弦波失真5.1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3.1.2），一般取C1为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量tr。6.1元件清单元器件清单名称标号规格运放A1、A2A741电容C10.1UFC20.01UFC31UFC4、C5470uFC60.1uF三极管 V1 V2 V3 V43DG12电阻R1、R2、R510KR320KR45.1kRb1、Rb26.8KRe1、Re22KR8K名称标号规格电位器RP47KRP18KRP2
