1、2函数发生器总方案及原理框图2.1 原理框图 图1-1 整体原理框图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。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框图如下所示: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的基本结构是比例放
2、大器,对不同区段内比例系数的切换,是通过二级管网络来实现的。如输出信号的正半周内由D1D3控制切换,负半周由D4D6控制切换。电阻Rb1Rb3与Ra1Ra3分别组成分压器,控制着各二极管的动作电平。3各组成部分的工作原理及选择假设t=0时电容C上的电压Uc=0,而滞回比较器的输出端为高电平,即Uo=+Uz.则集成运放同相输入端的电压为输出电压在电阻R1,R2上分压的结果,即: U+=R1*Uz/(R1+R2)此时输出电压+Uz 将通过电阻R向电容C充电,使电容两端的电压Uc升高,而此电容两端的电压接到集成运放的反向输入端,即Uc=U_.当电容上的电压上升到U-=U+时,滞回比较器的输出端将发生
3、跳转,由高电平跳变为低电平,使Uo=-Uz,于是集成运放同相输入端的电压也立即变为U+=-R1*Uz/(R1+R2),然后又重复刚才过程.如此电容反复地进行充电放电,滞比较器的输出端将再次发生跳转,于是 产生了正负交替矩形波.3.2 方波-三角波发生电路的选择方案一:方波三角波产生电路 工作原理如下:若a点断开,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|),
4、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。由计算可以得到以下结论: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C1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。方案二:此电路可以产生较好的方波和三角波,频率基本符合要求,但是在调试的过程中,发现频率不能太大,既不能有高频的信号,那时会失真。3.3三角波-正弦波转换电路的工作原理三角波正弦波
5、的变换电路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:(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Rp1调节三角波的幅度,Rp2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C1,C2,C3为隔直电容,C4为滤波电容,以滤除谐波分量,改善输出波形。 三角波转换正弦波电路折线
6、法是一种使用最为普遍且实现也较简单的正弦函数转换方法。折线法的转换原理是:根据输入三角波的电压幅度,不断改变函数转换电路的的传输比率,也就是用多段折线组成的电压传输特性,实现三角函数到正弦函数的逼近,我采用了有源正弦函数转换电路,转换电路除二极管、电阻网络外,还包括放大环节,也是根据三角波电压的幅度,不断增加或减少网络通路以改变改变转换电路的放大倍数,输出近似的正弦电压波形。在T/2时间内均匀地设置六个断点,以作为七段逼近或校正,每段按时间均匀的分布为T/14。若设正弦波在过零处的斜率与三角波的相同,即d(VoSin2t/T)/dt在t=0时为4Vim/T则有Vom=2Vim/0.64Vim;
7、由此,可推断出各断点上应校正到的电平值:Vo1、Vo2和Vo3。Vim=8v,所以Vom=2/;Vim=5.12v;Vo1=Vomsin(2/TT/14)=2.22V Vo2=Vomsin(2/TT/7)=4.01V Vo3=Vomsin(2/T3/14)=4.98V电路方案:它的基本结构是比例放大器,对于不同区段的比例系数的切换是通过二极管网络来实现的。如输出信号的正半周内由D1-D2控制切换,负半周内由D4-D6控制切换,电阻Rb1-Rb3与Ra1-Ra3分别组成分压器,控制着各二极管的动作电在0- T/14区段内,要求D1-D6均不导通,此时V0与VI的比例关系为:V01/T/14=Rf
8、/Ri(Vim/T/14)由Vo1=2.22V,Vim=8V,可得Rf/Ri=0.97,若取Ri=10k,则Rf=9.7 k在T/14- T/7区段,要求D1导通,D2-D6均截Ro,此时Vo与VI的比例关系应为:(Vo2-Vo1)/ T/14=(RfRa1)/Ri(Vim / T/14) (RfRa1)/Ri=0.78Ra1=35.5 k同理(Vo3-Vo2)/ T/14=(RfRa2)/Ri(Vim / T/14) (RfRa2)/Ri=0.42 Ra2=7.2 k (Vom-Vo3)/ T/14=(RfRa3)/Ri(Vim / T/14)(RfRa3)Ri=0.06 Ra3=0.06k
9、同时,为控制D1的动作电平,要求1点上的电平U满足下列关系:Vo1-Ra1/(Ra1+Rb1)(Vo1+V)=Vd1或Rb1/(Ra1+Rb1)Vo1=VD1+Ra1(Ra1+Ra2)V设计时,为避免Rb1对放大器比例关系的影响要求Rb1Ra1所以,上式又可简化为:Uo1VD1+Ra1/Rb1V 取VD=0.6V则有Rb1=VRa1/0.78=151 k Vo2VD+Ra2/Rb3V Rb2=25.3 k Vo3VD+Ra3/Rb3V则 Rb3=0.164k4.1 方波-三角波发生电路的仿真与调试1.安装方波三角波产生电路2. 把两块741集成块插入面包板,注意布局;3. 分别把各电阻放入适当
10、位置,尤其注意电位器的接法;4. 按图接线,注意直流源的正负及接地端。首先我接入了47k的滑动变阻器,接入电源后,用示波器进行双踪观察;发现波形正常,但是通过频率计的测试,发现频率较低,并且可调范围较窄,故不能符合要求,因此我尝试了45k、100k、250k、500k以及其以上的电阻,发现滑动变阻器太大也不会有较大变化,因此我选用了后两种,但是后来调电容的时候,发现500k的比较适合!同理,电容也经过这个过程,我从0.01uf开始以一定的宽度调节,最终发现,频率太小或太大都会导致波形失真,经过反复比较,最终选定了1uf、10nf、100nf这个范围最为合适!且波形较好。在调好频率之后,想到调整
11、幅度,通过反复更换R2、R3、R4发现没有显著的变化,故而改变稳压管以及直流电源,最终使幅度达到要求!第一:我们使用滞回比较器和积分器组合电路,他们互为输入,故而只需要调整滑动变阻器就可以调整出相应的波形,频段的调节由电容决定,我们要求做三个频段的频率,因此每要求一个频段,就选择相应的电容,打下相应的开关,结果如下表所示。方波发生器的波形三角波发生器波形这个波形是方波和三角波同时发生并显示在同一示波器上,两个发生器是互相互为输入的故而他们的波也是相互影响的,调整效果时,只需调示波器即可。效果如图: 方波三角波发生器波形第二:三角波-正弦波转换电路的仿真与调试1.绘制三角波正弦波变换电路在面包板
12、上接入比例放大电路,注意各电阻对应和接线;由于此电路来源于现学课本,因此只要根据要求的幅度计算各电阻值即可。2.调试三角波正弦波变换电路由于计算值有小数,故而要对数值进行近似,可能近似的当,在电阻方面,没有太多的调整。 我们使用的是折线法,因此正弦波会不很光滑,这也是正常的,因为输入的三角波并不是如同发生器中的波形那么标准,故而会有些平滑,另一个原因是我采用的是七点折线计算,选点不多会有不少误差。在选定好相应的电容之后,要想调多大的频率,只需要调整滑动变阻器就可以了。至于波形美观性,我们可以调整示波器的水平比例 与竖直比例,原理就是改变加在示波器中的电压,从而使相应的扫描变宽。如果波形有些失真
13、,可以通过改变相应的比例放大器中各电阻的比率,从而改变效果。此波图是三角波与正弦波同时在一个示波器中显示,即三角波转换成正弦波的效果图。三角波转换成正弦波图第三:总电路的安装与调试把两部分的电路接好,进行整体测试、观察。因为三角波转换成正弦波时电压有一定的要求,所以在整体调整的过程中,只对稳压管进行适当的调节即可,最终就是测试各频段的效果,结果表明满足要求。调试中遇到的问题及解决的方法方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在调试多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。各调试过程如上所述。42 电路的实验结果C=1uffmin=1HZfmax=13HZC=100n
14、ffmin=7HZfmax=135HZC=10nffmin=97HZfmax=1.2kHZ每当一个电容工作时,其他电容的开关是处于闭合状态,无论是测什么数据都是通过那三个点来测量,表格中显示的是测试时实测的频率范围,由于他大于要求范围,所以是满足的。R=250KVc1=22.317V(方波)Vc2=7.787V(三角波)Vc3=6.297V(正弦波)至于电压幅值,误差在允许的范围之内。当调整频率的时候,可变的电压会发生变化,想要那个值只需调滑动变阻器即可。方波的电压由稳压管决定,所以他是基本不变的,三角波的会因为滑动变阻器的变化会有变化,进而影响正弦波的电压幅值。5 PCB制版首先,我们开启p
15、rotdl软件,建立新的文件,在其上绘制原理图,并与multisim中仿真的一样,完成连线,注意连线要到位,否则会无法制版。线连接好后,对每一个元件进行封装,在PCB界面中找好相对应的原件,在原理图中,将原件一一封装,然后将其导入到制图界面,手工调整好整体布局后,要与原理图一致,自动布线就完成了!如果对效果不满意,还可以进行手工布线!制图如下:在制作过程中,需要注意个元器件的布置,特别是原理图,由于他没有自动节点连接,故而很容易造成PCB无法制版,其次是要对各个集成运放的接口进行标号,在接线时要一一对应否则无法制版。再次是个元器件的标号要清晰,在布图时,我们要对应于原理图进行布局,没有好的标号
16、会导致一些错误。最后是在手工绘制PCB线时,尽量避免各线相交叉,我们通常通过让线从元器件上通过的办法来解决这个问题。最后一个问题是打印,由于我们的板子是双层的,再加上底色是黑色的,打印出来的效果不好,很多连线都不能看清,所以在这方面的设置要注意。6实验总结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。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题,提高我们的动手能力。 这次课程设计让我认识到设计是让我们提升动手能力的绝好机会,这也能让我们可以把以前
17、学到的理论知识在实践中得到认证,我期盼在今后的课程中能得到更多像这样的机会让同学们得到锻炼。同时通过这次对函数波形发生器的设计与制作,让我更加了解了一些设计电路的程序,也让我了解了关于函数波形发生器的原理与设计理念,设计一个电路时只有先通过仿真,仿真成功之后再实际接线使我了解了Protel,multisim等软件及其运用,这次设计还使我认识到,电路设计需要耐心,需要一种整体的思维,而且遇到点问题很正常,关键要学会分析问题,善于解决问题,很多东西要弄懂弄透,不断积累经验。所以说,坐而言不如立而行,对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。 通过这段时间不懈的努力与切实追求,我们小组终于
18、做完了课程设计。通过这次课程设计,我掌握了常用元件的识别和测试;熟悉了常用的模拟软件的使用及调试; 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,体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦。在实验过程中,我们也遇到了不少的问题。比如:波形失真,甚至不出波形这样的问题。经过反复选择、参考和老师、同学的帮助,把问题一一解决了,那种心情别提有多高兴啊。实验中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,老师们不厌其烦地为我们调整波形,讲解知识点,实在令我感动。这次课程设计让我学到了很多,不仅是巩固了先前学的模电的理论知识,还未下学期开设的PCB课程打下了基础。希望今后类
19、似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多些!7仪器仪表清单设计所用仪器及器件:1直流稳压电源4台2双踪示波器2台3万 用 表2只4运 放ua741(3片)5电位器500K(1只)6电 容:1F、100nF、10nf(1只) 7.电阻10k四只,1k两只,20k一只,60.4两只,7k两只,150k两只,35k两只,165两只,25k两只8.开关三只9.稳压管两只10.二极管六只。11.频率计一只8参考文献童诗白主编模拟电子技术基础(第四版)北京:高教出版社李万臣主编模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社 沈尚贤主编. 电子技术导论(下册).高等教育出版社朱卫东主编. 电子技术实验教程. 清华大学出版社陈锦林主编. 电路设计与制版快速入门,人民邮电出版社
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