函数发生器电路的设计Word下载.docx
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图2.3仿真结果
2.2方案二
本方案原理与方案一相同,但方波和正弦波的发生是相互独立的,之间没有级间正反馈,在proteus软件中进行模拟和仿真,图形如图2.4。
图2.4方波—三角波—正弦波函数发生器电路图
2.3方案三
本方案使用另一种设计思路,即先产生正弦波再利用比较器转化为方波,最后用积分器转化出三角波设计框图如图2.5。
电路图如图2.6.由于没有级间反馈,我们可以分开进行测量,一级完成后再进行下一级,如图2.6所示。
图2.5方案三设计框图
图2.6正弦波—方波—三角波函数发生器电路
2.4方案比较
对每个方案用proteus进行仿真,并在软件上进行调试,进行比较。
方案一方案二原理大致相同但方案一使用了级间反馈,使得输出的波形稳定且失真较小,方案三的正弦波产生电路很不稳定,产生条件很苛刻,且波形产生后调节滑动变阻器时,波形极易消失,最好不要采用此方案。
选择方案三。
由以上分析知选择方案三最合适。
3实现方案
查阅辅导资料完成元件的选取。
完成以下步骤:
(1)确立实现电路形式及元器件型号——尽量使用指导老师提供的器件
1)方波—三角波电路的变换
图3.1所示为产生方波转换为三角波电路。
其工作原理如下:
当a点断开时,运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器,C1为加速电容,可用以加速比较器的翻转。
它们共同作用构成了方波—三角波转换电路。
图3.1方波—三角波产生电路
由图3.1分析可知比较器有两个门限电压
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时,则输出积分器的电压为:
当Uo1=+VCC时
当Uo1=-VEE时
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3.2所示。
图3.2方波—三角波波形
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
方波—三角波的频率
由上分析可知:
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。
②方波的输出幅度应等于电源电压。
三角波的输出幅度应不超过电源电压。
电位器RP1可实现幅度上午微调,但会影响波形的频率。
2)三角波—正弦波的变换
三角波—正弦波的变换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、抗干扰能力强等优点。
特别是做直流放大器时,可以有效的抑制此时的零点漂移,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的非线性。
其非线性及变换原理如图3.3所示。
图3.3三角波—正弦波的变换原理
1输入的三角波频率要大小合适,保证输出的正弦波的频率适中;
2当传输特性曲线越对称时,线性区越窄越好;
3三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
如图3.4为三角波转换为正弦波的变换的电路。
其中RP1调节三极管的幅度,RP2调整电路的对称性,其并联电阻RE2用来减少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,以减少滤波分量,改善输出波形。
图3.4三角波—正弦波变换电路
整个设计电路采用如图3.5所示。
其中运算放大器A1、A2用一只双运放μA747,差分放大器采用单入、单出方式,四只晶体管用集成电路差分对管或双三极管9013等。
取电源电压为±
12V。
图3.5实现方案电路图
在选取元件的型号时,要充分利用指导老师所给的元件,避免使用偏,怪的
元件设备。
比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下:
由于输出电压
因此得
取R3=10kΩ,则R3+RP1=30kΩ,取R3=20kΩ,RP1为47kΩ的电位器。
取平衡电阻R1=R2//(R3+RP1)≈10kΩ。
由于频率
当1Hz≤f≤10Hz时,取C2=10μF,则R4+RP2=(75~7.5)kΩ,取5.1kΩ,RP2为100kΩ电位器。
当19Hz≤f≤100Hz,取C2=1μF以实现频率波段的转换,R4、RP2的值不变。
取平衡电阻R5=10kΩ。
三角波转化为正弦波变换电路的参数选择原则是:
隔直电容C3、C4、C5要取得大,因为输出频率较低,取C3=C4=C5=470μF,滤波电容C6一般为几十皮法至0.1μF。
RE2=100Ω与RP4=100Ω,相并联,以减少差分放大器的线性区。
差分放大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。
因此C3=C4=C5=470μFRE2=100Ω,RP4=100Ω,C6取0.1μF。
查阅参考书《工程实践与训练教程》掌握泡沫板的构造,学会它的使用方法,并能熟练操作。
图3.6实现方案在泡沫板上实物图
4调试过程结论
按如图3.5所示的电路在面包板上组装电路。
电路实物图如图3.6.连接过程中要尽量少用导线,要保证实物电路的正确性,连好后仔细检查。
在确定无误后在进行调试。
在实验前一定要先检查仪器的好坏。
在本次课设中由于直流电压源输出电压不是±
12V,使得两个放大器A1和A2不是工作在放大区,波形的失真不能通过调节滑动变阻器来消除。
在检验输出波形时,由于示波器的扫描频率旋钮不能工作,使得得到的波形在快速运动,难以观察波形的形状。
因此,在实验前一定要先确保仪器的正常工作。
如图3.6所示的方波—三角波—正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,它们之间相互独立,但有一定的联系。
在装调多级电路时,通常按照单元电路的先后顺序进行分级组装和调试。
在连电路过程中,由于要多次用到±
12V和地线,因此可充分利用泡沫板两边的插口,使电路图更加简单明了。
(1)对方波—三角波发生器的组装和调试
在方波—三角波发生器中比较器A1与积分器A2组成的正反馈闭环电路,同时输出方波与三角波,这两个单元电路应该同时安装。
需要注意的是,安装电位器RP1与RP2之前,要先将其大概调整到设计值,(避免连好电路后调节的不方便),若电阻的调节不合适,则电路可能会不起振.只要电路接线正确,上电后,U01的输出为方波,U02的输出为三角波,微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求,调节RP2,则输出频率在对应波段内连续可变。
(2)对三角波—正弦波变换电路的组装和调试
按照图所示电路,组装调结三角波-正弦波变换电路。
电路的调试步骤如下:
1)经电容C4输入差模信号电压uid=500mV,fi=100Hz的正弦波。
调节RP4调节电阻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为正弦波。
2)将RP3与C4连接,调节RP3使三角波的输出幅度经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的波形出现三种正弦波失真,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
传输特性曲线的线性区太宽,应减小RE2。
4半波圆顶或平顶失真
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*。
5非线性失真
三角波的线性度较差引起的非线性失真,主要受运放性能的影响。
可在输出端加滤波网络(如图中C6=0.1mF)以改善输出波形。
(3)有时因为方波—三角波的调节使得输入三角波—正弦波变换电路的波不符合要求,此时应多个滑动变阻器搭配调节。
(4)性能指标测量与误差分析
方波输出电压UP-P≤2VCC是因为运放输出级由NPN型与PNP型两种晶体管组成对称电路,输出方波时,两管轮流截止与饱和导通,由于导通时输出电阻的影响,使方波输出度小于电源电压值。
但两者之差很小。
(5)经过调试后得到如图4.1方波,4.2三角波4.3正弦波。
(6)对波形和实物图进行拍照并保存(图片尽量清晰,简单)。
图4.1电路产生的方波
图4.2电路产生的三角波
图4.3电路产生的正弦波
5心得体会
我的这次课程设计是在老师的悉心指导下完成的,老师的指导和这次的顺利完成任务密不可分。
通过对这次函数信号发生器的设计,我深刻认识到了理论与实际相关的重要性。
而且通过对此课程的设计,我不但从中知道了一些以前所不知道的理论知识,而且也巩固了我以前所知道的理论。
这次课程设计最重要的是在实践中进一步理解了书本上的知识,深深明白了明白了学以致用的真谛,也明白老师的良苦用心。
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。
在设计过程中碰到许多不同的问题,与理论有所差距,明白理论和实践还是有差距的,我们不能只学理论而不实践,要多结合理论进行实践,这样才更加好的理解掌握知识,把理论应用于实践,从实践中得出结论,真正的做到了学以致用。
在设计过程中,遇到的问题多是自己在寻找原因,克服了以前一遇到问题不自己去解决而去找老师的坏习惯,在不断地寻找问题,解决问题的过程中,我也有了更大的收获。
以前的学习多是老师教什么我们学什么,这次的课程设计从头到最后都是我们自己在寻找,在探索,在学习。
锻炼了我们的自学能力。
这些将对我们以后的学习更有帮助。
本次课设遇到的最大的问题是实物图的接线布局,在电路图中的一些接线法在泡沫板上并不一定好用,要去寻找适合泡沫板的方法,如板两边的插孔的灵活使用,中间插槽的使用等等,最好熟能生巧。
在连接实物图和调试时,分配两人一组共同完成,这时应该与同组人一起完成该项目,遇到问题时共同探讨解决,千万不要做鸵鸟,否则会什么都学不到,白白浪费这么好的学习机会,最终什么也没学到。
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。
在调试过程中,由于滑动变阻器较小,调节过程中要有耐性,并且时刻观察波形的变化情况,直到波形不失真为止。
总之,这次课程设计让我学到了许多书本上学不到的东西,收获颇多。
我以后应多多参加此类活动。
6参考文献
【1】吴友宇.模拟电子技术基础.清华大学出版社,2009,5
【2】黄智伟.全国大学生电子设计竞赛.北京航空航天大学出版社,2006.12
【3】周新民.工程实践与训练教程(电工电子部分).武汉理工大学出版社,2009.8
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目:
课程设计答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
评定项目
考察点
分数
所占比例
折合分数
总成绩(百分制)
方案设计
及预答辩
设计方案的合理性
答辩
30%
电路布线
及调试
电路布线的合理性
电路的调试
说明书
及答辩
说明书撰写的规范性
40%
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
年月日
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