模电课程设计简易信号发生器.docx
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模电课程设计简易信号发生器
课题名称:
简易信号发生器设计
专业名称:
电气工程及其自动化
学生班级:
电气0802班
学生:
于淞
学生学号:
0806390201
第一章设计的目的及任务
1.1设计目的
1.11掌握电子系统的一般设计方法
1.12掌握模拟IC器件的应用
1.13培养综合应用所学知识来指导实践的能力
1.14掌握常用元器件的识别和测试
1.15熟悉常用仪表,了解电路调试的基本方法
1.2设计任务
设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器
1.3课程设计的要求及技术指标
1.31设计、组装、调试函数发生器
1.32输出波形:
正弦波、方波、三角波;
1.33频率围:
在100Hz-1KHz,1KHz-10KHz围可调;
1.34输出电压:
方波UP-P≤24V,三角波UP-P=6V,正弦波UP-P=1V;方波tr小于1uS。
第二章函数发生器的总方案及原理框图
2.1原理框图
图2-1
2.2函数发生器的总方案
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。
根据用途不同,有产生三种或多种波形的函数发生器,使用的器件可以是分立器件,也可以采用集成电路。
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,
本课题中函数发生器电路组成如下所示:
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。
第三章单元电路设计
3.1方波发生电路的工作原理
此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。
RC回路既作为延迟环节,又作为反馈网络,通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。
设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。
Uo通过R3对电容C正向充电,如图中实线箭头所示。
反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高,当t趋于无穷时,Un趋于+Uz;但是,一旦Un=+Ut,再稍增大,Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。
随后,Uo又通过R3对电容C反向充电,如图中虚线箭头所示。
Un随时间逐渐增长而减低,当t趋于无穷大时,Un趋于-Uz;但是,一旦Un=-Ut,再减小,Uo就从-Uz跃变为+Uz,Up从-Ut跃变为+Ut,电容又开始正相充电。
上述过程周而复始,电路产生了自激振荡。
3.2方波---三角波转换电路的工作原理
图3-2
图3-2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。
图3-3
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。
图3-4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。
若要求输出频率的围比较宽,则可用C2改变频率的围,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。
3.3三角波-正弦波转换电路的工作原理
三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。
原理图如下:
图3-5方波-正弦波函数发生器实验电路
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,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<=T)(3-3-4)
波形变换过程如下图:
图3-6
为使输出波形更接近正弦波,由图可见:
(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)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
3.4电路的参数选择与计算
3.4.1方波-
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10KΩRP2=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。
3.42三角波—>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。
3.5总电路图
图3-7三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路
先通过比较器产生方波,再通过积分器产生三角波,最后通过差分放大器形成正弦波。
第四章电路的安装与调试
4.1静态调试
整个电路连接完之后,就可以对该电路进行调试和检测了,以发现和纠正设计方案的不足之处。
在进行调试和测试之前,首先要对电路进行检查。
对照原理图按顺序一一检查,以免产生遗漏。
以元件作为中心进行检查,把每个元器件的引脚依次检查,看是否有接错线或者漏接等问题,为了防止出现错误,最好对已经检查好的线路在原理图上做好标记,倘若线路检查无误,则可以对线路进行调试和测试了。
用万用表适当的档位对线路进行测试,看线路是否有短路或者断路等问题,如果出现错误,就立即进行改进,修改再进行调试。
4.2动态调试
4.2.1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。
4.2.2三角波—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5-2-2(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5-2-2(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非线性失真如图图5-2-2(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。
图5-2-2几种正弦波失真
4.3调试中的注意事项
为了保证效果,必须减小测量误差,提高测量精度。
为此,需注意以下几点:
(1)正确使用测量仪器的接地端
(2)测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。
因为,若测量仪器输入阻抗小,则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。
(3)仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。
(4)用同一台测量仪进行测量进,测量点不同,仪器阻引起的误差大小将不同。
(5)调试过程中,不但要认真观察和测量,还要记录。
记录的容包括实验条件,观察的现象,测量的数据,波形和相位关系等。
只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较,才能发现电路设计上的问题,完善设计方案。
(6)调试时出现故障,要认真查找故障原因,切不可一遇故障解决不了的问
题就拆掉线路重新安装。
因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。
我们应该认真检查。
调试结果是否正确,在很大程度上受测量正确与否和测量精度的影响。
4.4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。
第五章课程设计总结
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,最终艰难而曲折的把简易信号发生器设计了出来
该设计电路的优点是输出波形的频率和幅度都连续可调。
缺点是在调节频率的过程中正弦波的幅度会有所改变,而且波形的稳定度和失真度都会有很大的变化,这也就增加了电路调节的难度,在制成PCB板后才突然醒悟在比较器部分应该接入一个加速电容C,用来加速比较器的翻转。
因此而留下了很多遗憾。
总之,由于知识的有限,仿真结果不可避免的和设计要求产生了一定的偏差。
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。
第六章元器件明细清单
元器件明细清单如下
名称
规格
数量
运放
741
2
电阻
1KΩ
1
5KΩ
1
6.8KΩ
2
10KΩ
4
8.1KΩ
1
20KΩ
3
100KΩ
1
电位器
47KΩ
2
100Ω
1
100KΩ
1
电容
470μF
2
47μF
1
0.1μF
2
0.01μF
1
三极管
9013
4
单刀双掷开关
——
1