函数信号发生器设计任务书.docx
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函数信号发生器设计任务书
一、设计的任务和要求............................................................................
二、已知条件...................................................................
三、函数发生器的具体方案...................................................................
1总的原理框图及总方案..............................................................
2各组成部分工作原理..................................................................
3总电路图........................................................................................
4、电路的参数选择与仿真.................................................................
5、实验结果分析..............................................................
附录:
电路原理和元器件列表..........................................................................................
1.设计的任务和要求
1.设计任务
设计方波—三角波—正弦波函数信号发生器
2.设计目的
(1)巩固和加深对电子电路基本知识的理解,提高综合运用本课程所学知识的能力。
(2)培养根据课题需要选学参考书籍,查阅手册、图表和文献资料的自学能力。
通过独立思考,深入钻研有关问题,学会自己分析并解决问题的方法。
(3)通过电路方案的分析、论证和比较,设计计算和选取元器件;初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。
(4)了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范,能按设计任务书的要求,完成设计任务,编写设计说明书,正确地反映设计与实验的成果,正确地绘制电路图等。
(5)培养严肃、认真的工作作风和科学态度。
3.性能指标要求
(1)输出波形:
正弦波、方波、三角波等;
(2)频率范围:
10Hz~500Hz;
(3)输出电压:
方波Up-p<=24V,三角波Up-p>10V,正弦波U>1.5V;
波形特征:
方波tr<100μS,三角波失真系数THD<2%,正弦波失真系数THD<5%。
二、已知条件:
双运放358一只、三极管3DG6四只(β约为60)
三、函数发生器的具体方案
1.总的原理框图及总方案
图1函数信号发生器原理图
多波形信号发生器方框图如图1所示。
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。
并采用先产生方波—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。
设计差分放大器时,传输特性曲线要对称、线性区要窄,输入的三角波的的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
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。
2.各组成部分的工作原理
2.1方波---三角波转换电路的工作原理
图2方波-三角波转换电路
图2为方波-三角波转换电路,其中运算放大器用双运放uA741。
工作原理如下:
若a点断开,运算发大器A1(左)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A2(右)与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器,其输入信号为方波Uo1,则积分器的输出电压Uo2为
当
时,
当
时,
由此可见积分器在输入为方波时,输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波,其波形关系如下图3所示
图3方波--三角波波形关系
若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f为:
由以上两式可以得到以下结论:
1.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。
2.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。
2.2三角波—正弦波转换电路工作原理
图4三角波—正弦波转换电路
图(4)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,以滤除谐波分量,改善输出波形。
三角波-正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。
差分放大器采用单入单出方式。
三角波-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。
差分放大器传输特性曲线的非线性及三角波-正弦波变换原理如下图:
图5三角波-正弦波变换原理
分析表明,传输特性曲线的表达式为:
上式中:
;
—差分放大器的恒定电流;
—温度的电压当量,当室温为25℃时,UT≈26mV。
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5可知:
(1)传输特性曲线越对称,线性区越窄越好;
(2)三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
3.总电路图
整个设计电路如图6所示:
图6方波—三角波—正弦波函数信号发生器
四、电路的参数选择与电路仿真
本课题采用Multisim7作为仿真软件。
Multisim是InteractiveImageTechnologies(ElectronicsWorkbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。
NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真,能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。
Multisim7通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路;通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为;借助高级电路分析,理解基本设计特征;本课题使用Multisim交互式地搭建电路原理图,并对电路行为进行仿真。
1.方波--三角波部分
参数选择:
取才C2=0.47μF,C2的取值很重要,按照你电阻的值,要取相应的值,取值不对,会直接影响到你波形输出与否。
调节RP1和RP2,微调Rp1,使三角波的输出幅度满足设计要求,调节Rp2,则输出频率在对应波段内连续可变。
方波-三角波电路的仿真:
在Multisim7中按方波-三角波转换电路图(图2)接线。
调节Rp1和Rp2到设定值,检查无误后,在正确位置接上示波器观察输出波形。
仿真电路图如下:
图7方波—三角波仿真电路图
2.三角波--正弦波部分
参数选择:
C4=470Μf,C5=C6=0.1μF;R6=5.1KΩ(R6阻值只要大于5)
三角波--正弦波电路的仿真:
在Multisim10.1中按方波-三角波转换电路图(图4)接线。
保证参数正确,检查无误后,在正确位置接上示波器观察输出波形。
仿真电路图如下:
图8三角波—正弦波仿真电路图
方波—三角波—正弦波函数发生器仿真电路图如下:
图9方波—三角波—正弦波函数发生器仿真电路图
五、实验结果分析
方波—三角波—正弦波函数发生器电路是分成两个部分来做的,先做方波—三角波产生电路,再做三角波—正弦波变换电路,然后把两张图用线连接成一张完整的大图。
方波—三角波产生电路中的C1其实可以去掉不要的,如果要用的话,取值要比较小,这样才不会影响电路。
我的RP2的阻值是200Ω,开始设置的C2是0.1μF,但是总是出不来波形,后来老师说,C2的值太小了。
经过我多次的试验,发现0.47μF是最为合适的。
最后还要调节RP1和RP2,确保频率范围为10Hz~500Hz。
三角波—正弦波变换电路中C1=470μF,C5=C6=0.1μF,R6=5.1KΩ。
R6开始设的值是3.3KΩ,然后仿真就是没有波形出来,问了同学,研究了一会儿,也才知道,R6的阻值必须要大于5KΩ,这样之后才有波形出来了。
最后还是一样的,调节Rb1,,测试频率范围。
最后当两张图连在一起之后,不仅要看波形,还要测试输出电压:
方波Up-p<=24V,三角波Up-p>10V,正弦波U>1.5V。
当一切要求都满足之后,所有的函数发生器设计就完成了。
像做这种实验,要的必须是耐心,还有朋友的帮助,老师的指导,必须做到齐心协力,否则成功的几率是非常小的。
附录1:
电路原理图
附录二:
元器件清单
直流稳压电源:
一台
低频信号发生器:
一台
低频毫伏表:
一台
双踪示波器:
一台
万用表:
一块
晶体管图示仪:
一台
失真度测试仪:
一台
电阻:
100Ω:
1个
1KΩ:
2个
2KΩ:
2个
3.3KΩ:
1个
5.1KΩ:
3个
10KΩ:
3个
20KΩ:
2个
滑动变阻器:
47KΩ:
2个
200KΩ:
一个
1KΩ:
一个
电容:
0.1μF:
两个
0.47μF:
一个
10μF:
一个
470μF:
一个
三极管3DG6:
四个
双运放358:
一只