电子电路综合设计实验210010 陈俊男.docx

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电子电路综合设计实验210010陈俊男

北京邮电大学

电子电路综合设计实验

实验报告

课题名称：

函数信号发生器的设计与调测

姓名：

陈俊男

班级：

2011211101

学号：

2011210010

班内序号：

10

2012年4月

实验名称：

函数信号发生器的设计与调测

TheDesignandDebuggingofFunctionSignalGenerator

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。

两个电位器中一个调整方波频率，一个改变方波的占空比；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两个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

设计任务要求：

基本要求：

设计制作一个可输出正弦波、三角波和方波信号的函数信号发生器。

1）输出频率能在1-10KHz范围内连续可调，无明显失真；

2）方波输出电压Uopp=12V，上升、下降沿小于10µs，占空比可调范围30%-70%；

3）三角波UOPP=8V；

4）正弦波Uopp≥1V。

设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）

提高要求：

1、三种输出波形的峰峰值Uopp均可在1V-10V范围内连续可调。

2、三种输出波形的输出阻抗小于100Ω。

3、用PROTEL软件绘制完整的印制电路板图（PCB）。

探究环节：

1、能否提供使所设计函数信号发生器显示出当前输出信号的种类、大小和频率的实验演示或详细设计方案；（提示：

三种波形从同一个端口输出，再用发光管之类的东西指示当前输出波形）

2、能否提供其他函数信号发生器的设计方案？

如果能提供，请通过仿真或实验结果加以证明。

设计思路：

1、原理框图：

实验设计函数发生器实现方波、三角波和正弦波的输出，其可采用电路图有多种。

此次实验采用迟滞比较器生成方波，RC积分器生成三角波，差分放大器生成正弦波。

除保证良好波形输出外，还须实现频率、幅度、占空比的调节，即须在基本电路基础上进行改良。

由比较器与积分器组成的方波三角波发生器，比较器输出的方波信号经积分器生成三角波，再经由差分放大器生成正弦波信号。

其中方波三角波生成电路为基本电路，添加电位器调节使其频率幅度改变；正弦波生成电路采用差分放大器，由于差分放大电路具有工作点稳定、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。

2、系统的组成框图

分块电路与总体电路的设计：

1、方波-三角波产生电路

上图所示为方波-三角波基本产生电路。

由于采用了运算放大器组成的积分电路，可得到比较理想的方波和三角波。

该电路振荡频率和幅度便于调节，输出方波幅度的大小由稳压管的稳压值决定，即限制在±（UZ+UD）之间。

方波经积分得到三角波，幅度为Uo2m=±R1/Rf*（Uz+UD）

改变R1与Rf的比值可调节Uo2m的大小

方波和三角波的振荡频率相同，为f=1/T=αRf/4R1R2C

式中α为电位器的滑动比（即滑动头对地电阻与电位器总电阻之比）。

调节电位器可改变振荡频率。

电路元件的确定:

（1）、根据所需振荡频率的高低和对方波前后沿陡度的要求，选择电压转换速率SR合适的运放。

（2）、根据所需输出方波幅度的要求，选择稳压值合适的稳压管型号和限流电阻Ro的大小。

（3）、根据输出三角波的幅度要求，确定R1与Rf的大小

R1=UO2M/（Uz+UD）Rf

（4）、根据所要求的振荡频率确定R：

C的值

R2C=αRf/4fR1

其原理如下图，由波形得：

方波输出幅度由稳压管的稳压值决定，被限制在±（Uz+Ud之间。

基本要求中方波的峰峰值为12V，故选用稳压值为6V的稳压管。

方波经积分得到三角波，幅度为Uo2=±R1/R2（Uz+Ud），由R1和Rf的比值及稳压管的稳压值决定，基本要求中三角波的峰峰值为8V，R1和Rf的比值为2:

3，鉴于增大谐振的可能，选择R1为20k，Rf为30k。

R3为平衡电阻，根据电子电路的课本可计算出大概值为6.2k。

根据所需振荡频率的高低和对方波前后都读的要求，选择电压转换速率SR合适的运放。

在产生方波的时候选用转换速率较快的运放LM318，产生三角波的时候选择运放UA741.根据计算可设定R2=2k，C=0.01uf。

R4为直流平衡电阻，其作用是减小后消除静态时可能在运放输出端产生的附加差模输入电压，应与R2的电阻值一样，为2k。

根据所需要输出方波的幅度选择合适的稳压管和限流电阻R0的大小。

选择限流电阻大小为680。

为了使电位器的a的变化范围较大，信号的频率范围可达到要求，1-10k范围可调，电位器Rw选择为10k范围可调。

2、三角波-正弦波产生电路

实验采用差分放大电路，利用差分放大器传输特性曲线的非线性，以实现三角波转换为正弦波。

差动放大器具有很高的共模抑制比，被广泛地应用于集成电路中，常作为输入级或中间放大级；其特性使得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，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。

1）差动放大器设计：

（1）确定静态工作点电流Ic1、Ic2和Ic3。

静态时，差动放大器不加入输入信号，对于电流镜Re3=Re4=Re

Ir=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4=Ic4+2Ic4/β≈Ic4=Ic3

而

Ir=Ic4=Ic3=（Ucc+Uee-Ube）/（R+Re4）

上式表明恒定电流Ic3主要由电源电压Ucc、Uee和电阻R、Re4决定，与晶体管的参数无关。

由于差动放大器得静态工作点主要由恒流源决定，故一般先设定Ic3。

Ic3取值越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大器的输入阻抗越高。

在实验中，取Ic3为1mA。

有Ic1=Ic3=1/2Ic3=0.5mA。

由R+Re=（Ucc+Uee-Ube）/Ir,其中Ucc为12V，Uee也为12v，Ube的典型值为0.7V（在本次取值中可以忽略），Ir为1mA,故取R=20KΩ，Re4=2KΩ。

为使两管输入保持对称性，取Re3=Re4=2KΩ。

（2）差模特性

差动放大器的输入和输出各含有单端和双端输入两种方式，因此，差动放大器的输入输出共有四种不同的连接方式。

不同的连接方式，电路的特性不同。

Rp的取值不能太大，否则反馈太强，实验中取100Ω的电位器，用来调整差动放大器的对称性。

如图所示为差分放大器传输特性曲线

由上图可知：

（1）、差分放大器传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

（2）、三角波的幅度应正好使晶体管接近截止区。

图中RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，并联电阻RE用来减小差分放大器传输特性曲线的线性区。

电容C1,C2,C4为隔直流电容，C3为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出正弦波的波形。

在实验过程中，Re与电位器Rp2并联，取阻值为100Ω。

电解电容C1、C2、C4为隔直流电容，为达到良好的隔直流、通交流的目的，其容值应该取的相对较大，取C1=1uF，C2=3.3uF，C3=0.1uF。

Rp1调节三角波的幅度，为满足实验要求，其可调范围应该比较大，故取Rp1=20kΩ。

Rb1与Rb2为平衡电阻，取值为Rb1=Rb2=3.2KΩ。

流进T1，T2集电极电流为0.5mA，为满足其正弦波的幅度大于1V，取Rc1=Rc2=5.6kΩ，使得电流流经Rc2的电压降不至于很大。

C4为滤波电容，取C4=0.01uF。

至此，电路的设计基本完成。

3、总体电路

由以上实验图可知，可利用实验产生的三角波输入以生成正弦波，从而实现三个波形的输出。

将以上两个电路图连接起来得到如下图实验电路图。

根据实验要求可知，所得方波占空比可调，因此在原有电路基础上，添加二极管和电位器，使得占空比可调得以实现。

实现功能说明：

1、安装电路：

按照电路仿真结果选择出参数合适的元器件，其中需要注意的是，两个稳压需要用一个三脚稳压管代替，所以要用模拟万用表区分管脚。

将面包板最上面一排连接成正电源，最下面两排座位负电源和接地线。

合理地把起见排布在电路板上。

2、接通电源和示波器的接入

先用万用表调出电压大小均为+12V的两路电压，一路正向接近电路，一路反向作为-12V接入电路。

选择双踪示波器的两路分别接入U01和U02，调整好电压后按照地线，负电源，正电源的顺序接入电路。

3、电路的初步调试：

调整好示波器的触发电平和时间电压分度，根据示波器的显示调节电路中的电位器。

最多采用的方法就是先检查运放是否功能完好（用实验室仪器测量得到），然后用万用表测试稳压二极管是否完好，接着测试电源是否接入电路，以及接地是否成功。

最后用数字万用表测量电路中各个点之间的电压值，一旦发现异常就在异常点附近仔细检查。

出现波形后，需要调节不同的电位器来调整波形的频率，幅度以及占空比。

整个电路可以分为两部分，先调节第一部分，此时断开与第二部分正弦波发生器的联系，然后再用函数信号发生器产生合适的三角波来代替方波三角波发生电路来测试第二部分，这样可以先排除两个电路之间的相互影响，最后两部分都成功后再接在一起进行测试。

4、差动放大器静态的调整和测量：

4.1、先调节Rp使电路对称

将电路的两个输入端接地，将万用表直流电压档接在差动的两个输出端，调节电位器使万用表指示为0。

并且逐渐减小量程，更为精确地保证差动的对称。

把万用表替换成双踪示波器，一路接在一个输出和地之间，另一路接在地和另一输出之间（相当于反向）。

再使两路信号叠加（按下ADD），观测两个输出端C和D之间电压差，调节电位器使之为0。

适当调节恒流源的偏置电压，使电路更完美。

4.2、测试并记录数据

（每次测量结果之间都会存在一些误差，但均在要求范围内变化）

方波输出电压：

12V

占空比10%—90%

三角波输出电压：

8.1V

正弦波输出电压：

1.8V

故障及问题分析

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。

检测后发现电路搭接混乱可能是断路导致无信号输出，重新布线搭接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。

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。

在实验的最后还是发现有很多地方没有做好。

验收实验的时候才发现稳压管损坏导致调节频率的同时幅值会发生变化，而一直缺少接地电阻导致频率可以调至0影响电路性能不符合实验要求。

还有添加电位器和二极管之后显著地降低了频率但是我只关心了三角波和正弦波的参数忽略了方波又导致方波的频率不能达到要求。

这都是实验中暴露出来的问题，种种问题提醒了我做实验中不能容易自满，不能掉以轻心，要面面俱到多次调整电路才能真正达到电路要求。

总结和结论

在这几星期的学习、实验过程中我感触颇深。

使我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。

在实验过程中，我有很多不足之处，首先我对软件的应用不是很熟练，经常会遇到一些问题。

其次对于元器件的认识不够深，这导致在搭电路的过程常常会遇到接错的情况，一点的失误导致实验的失败。

最后是我的布局观不强，第一遍搭完的电路很混乱，经过了修正才显得有条理。

在元器件选择上也存在失误，没有使用好积分电容的参数，以及没有判断出稳压管的好坏就使用在电路上导致了电路的不稳定。

还有在电路原理上明白的不是很透彻，对于有些小细节不太理解，导致最后实验结果不能很好的达到要求。

实践出真知，通过这次综合性设计实验，在发现不足的同时，我学会了很多东西，我的能力得到了很大程度的提高。

其中最关键的是动手能力的提高，第一次用面包板，第一次尝试做集成电路，第一次通过自己的努力完成了函数发生器的设计与调试使我将以前学习的理论知识与实际相结合，在巩固理论知识的同时，提高了动手能力。

由电子电路基本实验到电子电路综合实验，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。

通过这次试验，我对理论和实践都有更深的认识。

附录

所用元器件及测试仪表清单

所用元器件：

运算放大器：

UA741，LM318各一个

晶体管：

8050四个

稳压管一个，二极管两个

电阻：

R1

RF

RO

R2

R3

R4

RB1

RB2

RC1

20KΩ

30KΩ

680Ω

2KΩ

6.2KΩ

2KΩ

3.2KΩ

3.2KΩ

5.6KΩ

RC2

R

RE

RE3

RE4

5.6KΩ

20KΩ

20KΩ

2KΩ

2KΩ

电位器：

RP1100Ω；RP100KΩ；RW10KΩ；R10KΩ

电容：

C

C1

C2

C3

C4

0.01μF

1μF

3.3μF

0.01μF

1μF

测试仪表：

示波器，万用表，直流电压源，面包板

LM318运放：

输入失调电压4mV；偏置电流：

150nA

增益带宽积：

15MHz转换速率：

70V/uS

耗电流：

5mA电源：

+/-20V

LM741芯片：

输入失调电压0.8mV；偏置电流：

30nA

增益带宽积：

1.5MHz转换速率：

0.7V/uS

耗电流：

1.7mA电源：

+/-3V---+/-22V

3、8050晶体管：

参考文献

1、电子电路综合设计实验教程出版社：

北京邮电大学电路中心

2、刘宝玲电子电路基础北京高等教育出版社2006

实验截图

1、

PCB板图（用Protel_Dxp_2000生成）：

2、方波输出：

3、三角波输出：

4、

4、正弦波输出：

5、实际电路板