函数发生器设计与调试.docx
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函数发生器设计与调试
摘要:
方波与三角波发生器由集成运放电路构成,包括比较器与RC积分器组成。
方波发生器的基本电路由带正反馈的比较器及RC组成的负反馈构成;三角波主要由积分电路产生。
三角波转换为正弦波,则是通过差分电路实现。
该电路振荡频率和幅度便于调节,输出方波幅度大小由稳压管的稳压值决定,方波经积分得到三角波;而正弦波发生电路中电位器实现正弦波幅度与电路的对称性调节,实现较理想的正弦波输出波形。
关键词:
函数信号发生器,方波,三角波,正弦波
1.课程设计目的
1.帮助学生综合运用所学的理论知识,把一些单元电路有机地组合起来,组成小的系统,使学生建立系统的概念;并使学生巩固和加强已学理论知识。
并掌握一般电子电路分析和设计的基本步骤。
2.培养一定的独立分析问题、解决问题的能力。
对设计中遇到的问题能通过独立思考、查阅有关资料,寻找解决问题的途径;对调试中出现的故障,能通过独立分析,找到故障发生原因及排除办法。
3.通过课程设计培养学生树立经济观点、全局观点,培养学生实事求是的科学态度和一丝不苟的严谨作风。
2.课程设计题目描述和要求
2.1课程设计题目
分立电路函数发生器设计与调试[1]
2.2课程设计要求
1.查阅资料,画出电路原理框图,详细的电路原理图。
2.元件参数的计算与选择,元器件的采购。
3.电路的设计安装,调试,记录测试结果。
4.测量出各个信号的频率,且频率可调。
5.根据测量结果,画出各种信号的波形图。
6.分析结果,指出电路设计中存在问题及改进办法。
3.函数发生器设计与调试
3.1电路工作原理框图
如图1所示:
图1电路工作原理框图
3.2方波——三角波转换电路及工作原理
3.2.1方波——三角波转换电路,如图2所示:
图2方波——三角波转换电路
3.2.2电路工作原理
1.若反馈支路断开,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。
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
(3-1)
将上式整理,得比较器翻转的下门限单位Uia-为
(3-2)
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
(3-3)
比较器的门限宽度为
(3-4)
由以上公式可得比较器的电压传输特性,如图3所示。
图3比较器的电压传输特性
2.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
(3-5)
时
(3-6)
时
(3-7)
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相等的三角波。
3.反馈支路闭合后,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:
(3-8)
方波——三角波的频率f为:
(3-9)
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。
最终波形如图4所示:
图4方波——三角波最终波形
3.3三角波——正弦波转换电路及工作原理
3.3.1三角波——正弦波转换电路,如图5所示:
图5三角波——正弦波转换电路
3.3.2三角波——正弦波转换电路工作原理
三角波
经二阶低通滤波电路后形成正弦波
传递函数为:
(3-10)
其中:
(3-11)
(3-12)
3.4总体电路
综合以上分析,可得总体电路如图6所示:
图6总体电路
3.5调试电路板
根据总体电路做出的调试电路板,如图7所示。
图7调试电路板
4.电路的调试及实验数据的测试
4.1所用仪器仪表
所用器件如下表1:
表1课程设计所用器件列表
器件
数量
器件
数量
500Ω电阻
2个
0.1μf电容
2个
1KΩ电阻
2个
1μf电容
1个
4KΩ电阻
1个
运放OP37
2个
10KΩ电阻
2个
5V1W稳压管
2个
20KΩ电阻
2个
5KΩ电位器
1个
所用仪器如下表2:
表2课程设计所用仪器列表
仪器
数量
仪器
数量
示波器
一台
万用表
一个
稳压电源
一台
导线
若干
电烙铁
一把
钳子
一把
4.2测试步骤及内容
1.设置直流电源“+”“-”“地”,并将供电电压设为15V;
2.打开示波器,检查示波器以及探笔是否正常,若不正常,则更换设备,重复该步骤,直至正常;
3.接通电源,使用万用表测试芯片座上对应的电压测试点,若电压正常,将芯片插入进行实验;
4.依次从3个输出测试点测试观察波形,调节电位器,使信号频率在500Hz到3KHz之间变化,观察波形变化,并记录数据;
5.重复4的测试方法并记录实验数据。
4.3实验数据记录
设计电路部分实测数据如表3所示:
表3实验数据记录
电源电压:
15V
频率
峰峰值
方波
三角波
正弦波
938Hz
206mV
920mV
316mV
1550Hz
348mV
1.06V
212mV
2000Hz
448mV
1.08V
162mV
5.实验数据分析
5.1仿真波形图
5.1.1方波波形图,如图8所示:
图8电路仿真方波波形图
5.1.2三角波波形图,如图9所示:
图9电路仿真三角波波形图
5.1.3正弦波波形图,如图10所示:
图10电路仿真正弦波波形图
5.2实际波形图
5.2.1设计产生500mV、500Hz的方波,实际产生500mV、492Hz的方波,基本符合要求。
实际方波图如图11所示。
图11实际方波图
5.2.2设计产生200mV、500Hz的三角波,实际产生200mV、433Hz的三角波,基本符合要求。
实际三角图如图12所示。
图12实际三角波图
5.2.2设计产生100mV、500Hz的正弦波,实际产生100mV、492Hz的正弦波,基本符合要求。
实际正弦波图如图13所示。
图13实际正弦波形
5.3数据对比分析
仿真结果部分数据,如表4所示:
表4仿真结果部分数据
频率
方波
三角波
正弦波
1.996K
540
350
80
1.38
540
330
176
1.61k
540
330
89
1k
540
320
227
由表4明显可知,在频率变化时,方波和三角波的峰峰值不会随着改变。
这是由于在电路原理所得的公式中,正弦波与三角波的峰峰值与频率无关,只与电路中所使用的电阻电容以及电压源有关。
从表上不能得出频率与正弦波峰峰值之间明显的变化关系。
对比表3与表4的结果可知,在同一频率时,实验实测数据与仿真数据存在较大误差,经我们小组同学共同探讨得到以下产生误差的原因:
误差产生的原因:
(1)电子元器件存在缺陷,比如电阻电容不够理想等;
(2)电路中所用的电位器,在调试中,很难调到非常准确的数据;
(3)测试时间过长导致电路板温度升高影响测量值。
(4)电路焊接不好,接点接触不良等造成的误差。
(5)直流源带负载能力不是很强,对数据的测量造成误差。
6.课程设计总结
1.设计过程中遇到的问题及解决方法
对于方波-三角波产生电路,遇到的第一个问题是波形无法显示。
检测后发现电路中电流几乎为零,原因是电阻过大,电容有些小,使得电路无法有效起振。
因此在保证电路安全基础上减小电阻值同时保证电阻间的比值,换用较大的电容,在示波器上检查波形,得出方波波形,但是其占空比不为50%,调节发现不是电路连接问题,检查器件,发现是稳压管损坏造成,更换稳压管得到理想波形。
然后观测三角波波形,发现有些失真,可知是由于电容造成的,更换变容,将其增大得到理想波形。
在第三级上输出正弦波形,发现有较大失真,计算电流可知电阻较大,但是更换后仍有失真。
此时电路中电阻器件并未有不当,考虑电容影响。
换用较大电容,不断调节,得到失真较小的波形。
此些调节均在基本电路基础上完成。
由于要使方波占空比可调添加电位器与二极管实现。
2.设计体会
为期两周的课程设计已经结束,在这两周的学习、实验过程中我们感触颇深。
使我们对抽象的理论有了具体的认识。
通过这次课程设计,我掌握了常用元件的识别和测试,熟悉了常用的仪器仪表,了解了面包板上电路搭建方法,以及如何提高电路的性能等等。
其次,这次课程设计提高了我的团队合作水平,使我们配合更加默契,尤其是在搭建电路过程中遇到问题一起解决一起想办法,更体会到在接好电路后测试出波形的那种喜悦。
由高频实验到高频课程设计,由课本到自我设计,让我认识到实验中最重要的不是得到了多么好的实验结果,而是在实验过程中解决问题收获经验。
在函数信号发生器实验过程中,首先遇到的问题便是我们仅有电路图,而没有电路器件值,因此我们首先须用模电知识估算各器件值,但由于掌握知识有限,我们也仅能确定范围,而无法得出准确值。
因此需在实验中仔细调节,反复调试直至波形理想。
同时在实验中也暴露出我们在理论学习中所存在的问题,有些理论知识还处于懵懂状态,通过我们不断地与同学进行交流,了解了很多知识点。
综合实验过程,我们要学会动手,实践与理论并重,这样我们才能收获知识,获得进步。
3.对课程设计的建议
希望能定期检修、维护或更换实验室设备。
实验室中各种设备仪器摆放较乱,为使大家使用方便,应该统一管理。
参考书目
[1]谢嘉奎,电子线路:
非线性部分(第4版),高等教育出版社,北京,2008年12月