简易信号发生器课程设计Word格式文档下载.docx
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为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术,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,如首先产生正弦波,然后通过整形电路将正弦波变换成方波,再由积分电路将方波变成三角波;
也可以首先产生三角波—方波,再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。
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。
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。
第2章简易信号发生器基本原理
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。
电路形式可以采用由运放及分离元件构成;
也可以采用单片集成函数发生器。
根据用途不同,有产生三种或多种波形的函数发生器,本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。
2、1RC桥式正弦波振荡器(文氏电桥振荡器)
图为RC桥式正弦波振荡器。
其中RC串、并联电路构成正反馈支路,同时兼作选频网络,R1、R2、RW及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。
调节电位器RW,可以改变负反馈深度,以满足振荡的振幅条件和改善波形。
利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。
D1、D2采用硅管(温度稳定性好),且要求特性匹配,才能保证输出波形正、负半周对称。
R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响,以改善波形失真。
电路的振荡频率
起振的幅值条件
≥2
式中Rf=RW+R2+(R3//rD),rD—二极管正向导通电阻。
调整反馈电阻Rf(调RW),使电路起振,且波形失真最小。
如不能起振,则说明负反馈太强,应适当加大Rf。
如波形失真严重,则应适当减小Rf。
改变选频网络的参数C或R,即可调节振荡频率。
一般采用改变电容C作频率量程切换,而调节R作量程内的频率细调。
RC桥式正弦波振荡器
2、2方波---三角波转换电路的工作原理
方波---三角波转换电路图
图所示的电路能自动产生方波—三角波。
电路工作原理若下:
若a点断开,运放A1与R1、R2及R3、RP3组织成比较器,R1成为平衡电阻,运放的反相端接基准电压,及U_=0,同相端接输入电压Uia;
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U01从高电平+Vcc跳到低电平—VEE,或从低电平—VEE跳到高电平+Vcc。
设U01=+Vcc,则
(3-2-1)
式子中,RP1指的是电位器(以下同)。
将上式整理,得比较器翻转的下门限电位
(3-2-2)
若Uo1=—VEE,则比较器翻转的上门线电位
(3-2-3)
比较器的门限宽度
(3-2-4)
由式子(3-2-1)~(3-2-4)可以得到比较器的电压传输特性,如图所示。
比较器的电压传输特性
a点断开后,运放A2与R4、RP3、C2、及R5组成反相积分器,其输入信号为方波U01,则积分器的输出
(3-2-5)
当U01=+Vcc时,
(3-2-6)
当U01=-Vcc时,
(3-2-7)
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,其波形如图所示。
方波—三角波波形
当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
(3-2-8)
方波—三角波的频率
(3-2-9)
由式子(3-8)及(3-9)可以得出以下结论:
1.电位器RP2在调整方波—三角波的输出频率时,一般不会影响输出波形的幅度。
若要求输出频率的范围比较宽,则可用C2改变频率的范围,RP2实现频率微调。
2.方波的输出幅度约等于电源电压+Vcc。
三角波的输出幅度不超过电源电压+Vcc。
电位器RP1可以实现幅度微调,但会影响方波—三角波的频率
2、3三角波-→正弦波转换电路的工作原理
三角波-→正弦波转换电路图
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:
(3-3-1)
Ic1=aIE1=aIo/[1+e(-Uid/UT)](3-3-2)
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,UT≈26mV。
如果Uid为三角波,设表达式为
(3-3-3)
式中 Um——三角波的幅度;
T——三角波的周期。
将式(3-3-3)代入式(3-3-2),得
4Um/T(t-T/4)(0<
=t<
=T/2)
Uid=
-4Um/T(t-3T/4)(T/2<
=T)(3-3-4)
波形变换过程如下图:
三角波——正弦波变换
为使输出波形更接近正弦波,由图可见:
A、传输特性曲线越对称,线性区越窄越好;
B、三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
C、图为实现三角波——正弦波变换的电路。
其中Rp3调节三角波的幅度,Rp4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C3,C4,C5为隔直电容,C6为滤波电容,以滤除谐波分波形量,改善输出
2、4电路的参数选择与计算
2、4、1方波-三角波部分
运放A1与A2用741,因为方波的幅度接近电源电压+VCC=+12V,-VEE=-12V.
比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下。
由式(3-8)得
取
,则R3+RP1=40KΩ,取
,RP1为47KΩ的电位器。
平衡电阻R1=R2∥(R3+RP1)=8k
,取R1=8.2KΩ
由式(3-2-9)得
即R4+RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2)
当100Hz≤f≤1kHz时,取C2=0.1uF,则10KΩ<
R4+RP2<
100KΩ,取R4=1k
RP2=100k
。
当1kHz≤f≤10kH时,取C1=0.01uF以实现频率波段的转换,R4及RP2的取值不变。
取平衡电阻R5=10KΩ。
2、4、2三角波—>
正弦波部分
1、差分放大器元件参数确定
取RC1=RC2=10KΩ,RB1=RB2=6.8KΩ,取I0=1.1mA,而
I0=(RE4/RE3)IREF(3-4-1)
IREF=VEE-UBE/(RE4+R)=12-0.7/RE4+R(3-4-2)
取RE4=R=20KΩ,代入(3-4-2),得IREF=0.28mA,将IREF=0.28mA代入(3-4-1),得RE3=5KΩ
2、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,因为输出频率不是很大,取C3=47uF,C4=C5=470uF,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。
这里取C6=0.1Uf,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。
第3章电路仿真
3、1方波波形
上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况,此时f≈208Hz,V≈22V。
3、2三角波波形
上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况,此时f≈200Hz,V≈6V。
3、3正弦波波形
上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况,此时f≈214Hz,V≈1.2V。
3、4方波---三角波转换电路的仿真
上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况,此时f≈208Hz.
3、5三角波---正弦波转换电路的仿真
上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况,此时f≈210Hz。
第4章电路的安装与调试
4、1方波—三角波发生器的调试
由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路,同时输出方波和正弦波,所以这两个单元电路可以同时安装。
但是需要注意的是,在安装电位器RP1与RP2之前,要先将其调整到设计值,否则会导致电路不起振。
如果电路接线正确。
则在接通电源后,A1输出为方波,A2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,则输出频率连续可变。
4、2三角波—正弦波变换的调试
1、差分放大器传输传输特性曲线调试。
将C4与RP3的连线断开,经电容C4输入差模信号电压uid=50mV,fi=10kHz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3-6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Io、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。
2、三角波-正弦波变换电路的调试。
将RP3与C4连接,调节RP3使三角波的输出幅度经由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5-2-2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:
①钟形失真如图(a)所示,传输特性曲线的线性区太宽,应减小RE2。
②半波圆顶或平顶失真如图(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。
③非线性失真如图(c)所示,三角波的线性度较差引起的失真,主要受运放性能的影响。
可在输出端加滤波网络(如C6=100pF)改善输出波形。
4、3误差分析
1.方波输出电压Vp-p≤2Vcc,因为运放输出级是由NPN型或PNP型两种晶体管组成的复合互补对称电路,输出方波时,两管轮流截止与饱和导通,导通时输出电阻的影响,使方波输出幅度小于电源电压值。
2.方波的上升时间Tr,主要受到运放转换速度的限制。
如果输出频率比较高,则可以接入加速器电容C(C一般为几十皮法)。
可以用示波器(或者脉冲示波器)测量Tr。
4、4PCB板图:
第5章课程设计总结
该设计电路通过先产生方波-三角波,再将三角波变换成正弦波,最终把简易信号发生器设计了出来。
在这几周的简易信号发生器课程设计期间,我遇到了平时从未有过的困难。
因为课程设计不是某一方面的知识就可以完成的,而是多个知识点的结合,再与平时所学的理论知识相衔接。
又因为自己所学的知识有限,要设计出此电路需要花费大量的时间去查找资料,一个人真的很难完成,但经过两周的艰苦努力,团队的默契配合,终于还是完成了课程设计的任务。
通过对函数信号发生器的设计,我学到了很多的知识,一方面,我掌握了常用元件的识别和测试方法;
熟悉了常用的仪器仪表;
以及如何提高电路的性能等等。
另一方面,我深刻认识到了“理论联系实际”这句话的重要性与真实性。
而且通过对此课程的设计,我不但知道了以前不知道的理论知识,而且也巩固了以前知道的知识。
最重要的是在实践中理解了书本上的知识,明白了学以致用的真谛。
这段时间是我们小组在大学期间不可多得的美好记忆。
它给了我们很多的感受和经验,让我们在饱受酸甜苦辣的同时也体会到集体的力量和成功的喜悦。
在我们以后的人生中,这些感受和经验将会充实我们的生活,美化我们的人生。
通过此次课程设计,使我更加扎实的掌握了有关高频电子线路方面的知识,在设计过程中虽然遇到了一些问题,但经过一次又一次的思考,一遍又一遍的检查终于
找出了原因所在,也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足,实践出真知,通过亲自动手制作,使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
由于这次课程设计的时间特别紧张,加之临近期末考试,所以给我们各个方面都带来了很大的压力,一方面我们要准备考试;
另一方面又要复习之余的时间里查找资料,加上自己知识掌握的不牢固,所以难免有不足之处,还请老师多多
谅解。
参考文献
1、康华光电子技术基础5版北京:
高等教育出版社2006
2、电路设计Protel99及仿真北京中国铁道出版社曾祥富主编2000
3、Protel99SE原理图与PCB及仿真清源计算机工作室编著机械工业出版社2004.1
4、Multisim电路仿真王林根主编高等教育出版社2003
5、《电子线路设计·
实验·
测试》华中科技大学出版社
6、胡宴如.模拟电子技术(第二版).高等教育出版社2006
7、谢自美.电子线路设计.实验.测试(第二版).华中科技大学出版社2000
8、电子电路大全(合定本).中国计量出版社1991
9、郝鸿安.常用模拟集成电路手册.人民邮电出版社1991
附录
元件清单
名称
规格
数量
芯片
uA741
2
电阻
8.2K
3
10K
4
1K
20K
1
5.1K
100
1.3K
电位器
50K
100K
三极管
3DG100A
电容
470uF
0.1uf
0.01uF
10uF
开关
单刀双掷
电源
直流稳压12V
电路板
万能版
插座
uA741型
总电路图
EWB总电路图
姓名
日期
2011-6-14