函数发生器课程设计.docx
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函数发生器课程设计
模拟电子技术课程设计说明书
函数发生器
系、部:
电器与信息工程系
专业:
电器自动化技术
班级:
电气1001班
摘要
随看电子技术的迅猛发展,新技术的教学改革不断深入,电子设计自动化技术运用而生,使得电子技术的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计,逻辑设计和性能分析.时序测试直刻印刷电路的自动设计,提高了电子电工的开发效率与周期.本文就是利用Multisim仿真设计一个方波-三角波-正弦波的函数信号发生器的电路着手,仿真设计过程和生成网络表后利用Protel99se的PCB板设计制版过程.
关键词:
方波;三角波;正弦波;PCB制版;电子仿;Multisim;Protel99se
ABSTRACT
Towatch therapiddevelopmentof electronictechnology, newtechnology deepening teachingreform, theuseof electronicdesign automationtechnology and health,makingthe electronicsdesigners to completethecircuit onthecomputer functionaldesign,logic designandperformance analysisof timeseriestests directetching the automatic printedcircuit design, improvethe efficiencyofthedevelopment ofelectronic and electricalcycle. this isa simulation using Multisimdesignof asquarewave - triangle wave - sine function signal generator circuit tostartwith thedesignprocess and simulation netlist generatedafterthe useof Protel 99se plate thePCB design process.Keywords:
squarewave; triangle wave; sinewave;PCB plate;electronic imitation;Multisim;protel99se
目录
1、函数发生器的任务、功能要求说明及总体方案介绍…………………………(4)
1.1课程设计的任务…………………………………………………………(4)
1.2课程设计的功能要求说明………………………………………………(4)
1.3原理框图,总体方案介绍及工作原理说明……………………………(4)
2、仿真分析………………………………………………………………………(12)
2.1参数选择与计算…………………………………………………………(12)
2.2仿真结果…………………………………………………………………(13)
2.3仿真调试…………………………………………………………………(17)
3、硬件系统的设计………………………………………………………………(18)
3.1硬件系统各模块功能简要介绍…………………………………………(19)
3.2电路原理图与PCB图…………………………………………………(19)
3.3元器件清单………………………………………………………………(20)
4、设计结论、误差分析、教学建议等……………………………………………(20)
4.1设计结论…………………………………………………………………(21)
4.2硬件调试…………………………………………………………………(21)
4.3误差分析…………………………………………………………………(22)
4.4体会与总结………………………………………………………………(22)
参考文献…………………………………………………………………………(23)
致谢………………………………………………………………………………(24)
1、函数发生器的任务、功能要求说明及总体方案介绍
1.1课程设计的任务
设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器
1.2课程设计的功能要求说明
设计一个方波-三角波-正弦波函数发生器。
频率范围为1-10Hz,10-100Hz,输出电压为:
方波,三角波,正弦波;波形特性:
方波的上升时间,三角波的非线性失真系数,正弦波的非线性失真系数。
1.3原理框图,总体方案介绍及工作原理说明
原理框图
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(如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管),也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。
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。
各组成部分的工作原理
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。
方波---三角波转换电路的工作原理
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|),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
将上式整理,得比较器翻转的下门限单位Uia-为
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
比较器的门限宽度
由以上公式可得比较器的电压传输特性,如图3-71所示。
a点断开后,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
时,
时,
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,其波形关系下图所示。
a点闭合,既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
方波-三角波的频率f为
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。
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。
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:
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。
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—正弦波变换电路
2、仿真分析
2.1参数选择与计算
方波-三角波部分
实物连线中,我们一开始很长时间出不来波形,后来将C2从10uf(理论时可出来波形)换成0.1uf时,顺利得出波形。
实际上,分析一下便知当C2=10uf时,频率很低,不容易在实际电路中实现。
三角波-正弦波部分
比较器A1与积分器A2的元件计算如下。
由式(3-61)得
即
取,则,取,RP1为47KΩ的点位器。
区平衡电阻
由式(3-62)
即
当时,取,则,取,为100KΩ电位器。
当时,取以实现频率波段的转换,R4及RP2的取值不变。
取平衡电阻。
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,因为输出频率很低,取,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。
RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联,以减小差分放大器的线性区。
差分放大器的几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。
2.2仿真结果
方波---三角波发生电路的仿真
仿真条件:
先调节R4的电阻,即按动a键,使得输出三角波的峰峰值为8V,然后改变电容的值,让它分别为0.01uF、0.1uF、1uF,对应电阻R6的范围(即改变b的大小)得出不同的图形。
C1=0.01uF1%C1=0.01uF99%
C1=0.1uF1%C1=0.1uF99%
C1=1uF1%C1=1uF99%
三角波---正弦波转换电路的仿真
仿真条件:
先将电容接地,调节Rp4,从而调节输出电压。
再输入三角波,看输出是否为正弦波,并记录最大不失真时的正弦波峰峰值,使之大于1V。
静态工作点
C1=0.01uF1%C1=0.01uF99%
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- 关 键 词:
- 函数 发生器 课程设计