电子技术研发设计项目方案.docx
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电子技术研发设计项目方案
电子技术设计项目方案
题目
函数信号发生器设计
姓名
类别
学号
项
目背景
信号发生器又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有着广泛的信号发生器又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。
各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。
能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路被称为函数信号发生器。
在通信、广播、电视系统,在工业、农业、生物医学等领域内,函数信号发生器在实验和设备检测中具有十分广泛的用途。
1.1原理框图
1.2函数发生器的总方案
(如低频信号函数
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。
设根据用途不同,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
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)。
为进一步掌握电计
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—三方角波—正弦波函数发生器的设计方法。
案产生正弦波、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,
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。
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。
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
R2
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UHUiaUia2R2ICCHiaiaR3RP1CC
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
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
fR3RP1
f4R2(R4RP2)C2
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。
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。
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
式中aIC/IE1
I0——差分放大器的恒定电流;
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。
-12V
三角波—正弦波变换电路
即R4RP1
3.4电路的参数选择及计算
1.方波-三角波中电容C1变化(关键性变化之一)
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。
2.三角波
比较器A1与积分器A2的元件计算如下。
由式(3-61)得UO2m
R3RP1VCC
即R2
UO2m
41
R3RP1
VCC
123
取R210K
,则
R3RP130K,取R320K
,RP1为47KΩ的点位器。
区平衡电阻
R1R2//(R3
RP1)
10K
R3RP1
由式(3-62)
f
4R2(R4RP2)C2
R3RP1
电阻R510k。
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C3C4C5470F,滤波电容C6视输出的波形而定,若含高次斜波成分较多,C6可取得较小,
C6一般为几十皮法至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。
3.5总电路图
-12V
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。
4.电路仿真
4.1方波---三角波发生电路的仿真
4.2三角波---正弦波转换电路的仿真
Osci丄JLoscodc
电路的实验结果
1方波---三角波发生电路的实验结果
C=0.01uf
fmin=4138HZ
fmax=8333HZ
C=0.1uf
fmin=198HZ
fmax=1800HZ
C=1uf
fmin=28HZ
fmax=207HZ
2
三角波---正弦波转换电路的实验结果
Ic1=Ic2=0.6813mA
实验结果分析
模拟仿真(R*=13K)
Vc1=Vc2=4.358V
Vc3=-0.831V
Vc4=-9.028V
Ic1=Ic2=0.5368mA
3实测电路波形、误差分析及改进方法
将C6替换为由两个串联或直接拿掉Xc=1/W*C,当输出波形为高频时,若电容C6较大,则Xc很小,高
频信号完全被吞并,无法显示出来
通过这次课程设计,我掌握了常用元件的识别和测试;熟悉了常用的仪器仪表;了解了电路的连接、焊接方法;以及如何提高电路的性能等等。
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。
设计体会
在实验过程中,我们遇到了不少的问题。
比如:
波形失真,甚至不出波形这样的问题。
在老师和同学的帮助下,把问题一一解决,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。
还有就是在实验中,好多同学被电烙铁烫伤了,这不得不让我想起安全问题,所以在以后的实验中我们应该注意安全,让不必要的伤害减至最少。
“实践是检验真理的唯一标准”。
正所谓纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行,学习任何知识仅有理论知识,不去实践探索是不够的,通过网络和书本以及protel99SE软件的应用完成了整个设计,总之,这次课设,无论是理论方面还是动手实践方面,都让我进步不小做事一定要仔细,希望以后还有类似的课设。
最后,在设计中可能还将会有不当之处,望老师指导改正。
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