模电课程设计简易信号发生器.docx

1、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100Hz1KHz，1 KHz-10 KHz围

2、可调 ；1.34输出电压：方波U24V，三角波U6V，正弦波U=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2-12.2 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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、（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

8、，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，UT26mV。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

9、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=40K，取，RP1为47K的电位器。平

10、衡电阻R1=R2(R3+RP1)=8k，取R1=8.2K由式（3-2-9）得即R4+RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2) 当100Hzf1kHz时， 取C2=0.1uF, 则10KR4+RP2正弦波部分1 差分放大器元件参数确定取RC1=RC2=10 K,RB1=RB2=6.8 K,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=20 K,代入(3-4-2)，得IREF=0.28 mA，将IREF=0.28 mA代入(3-4-1)，得RE3=5 K2三角波正弦波变换电路

11、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

12、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

13、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、

14、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：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。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。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

15、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

16、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-p2Vcc，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

17、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 7412电阻1K15 K16.8 K210 K48.1 K120 K3100 K1电位器47 K2100 1100 K1电容470F247F10.1F20.01F1三极管90134单刀双掷开关1