函数发生器的设计.docx
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函数发生器的设计.docx
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函数发生器的设计
函数发生器课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
工作单位:
题目:
函数发生器的设计
初始条件:
可选元件:
双运放μA741两只,双三极管3DG130两对,电阻、电位器、电容若干,直流电源Vcc=+12V,VEE=-12V,或自备元器件。
可用仪器:
示波器,万用表,直流稳压源,毫伏表
要求完成的主要任务:
(1)设计任务:
根据已知条件,完成对方波-三角波-正弦波发生器的设计、装配与调试。
(2)设计要求:
1)频率范围 10~100Hz,100Hz~1KHz,1KHz~10KHz;
正弦波Upp≈3V,幅度连续可调,线性失真小。
三角波Upp≈5V,幅度连续可调,线性失真小。
方波Upp≈14V,幅度连续可调,线性失真小。
2)选择电路方案,完成对确定方案电路的设计。
计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图,阐述基本原理。
(选做:
用PSPICE或EWB软件完成仿真)。
3)安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。
时间安排:
1、2009年1月11日分班集中,布置课程设计任务、选题;讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求;课设答疑事项。
2、2009年1月12日至2009年1月16日完成资料查阅、设计、制作与调试;完成课程设计报告撰写。
3、2009年1月16日提交课程设计报告,进行课程设计验收和答辩。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
目录
1函数发生器的设计框图…………………………………………………………………………
(2)
2各组成部分的工作原理…………………………………………………………………………(3)
2.1方波—三角波产生电路…………………………………………………………………(3)
2.2三角波正弦波转换电路的工作原理……………………………………………………(5)
3.电路的参数选择及计算…………………………………………………………………………(7)
3.1方波—三角波中电容C1变化………………………………………………………………(7)
3.2三角波—正弦波部分……………………………………………………………………(7)
4电路仿真………………………………………………………………………………………(8)
4.1方波--三角波发生电路的仿真…………………………………………………………(8)
4.2三角波—正弦波转换电路的仿真………………………………………………………(9)
5电路的安装与调试………………………………………………………………………………(9)
5.1方波--三角波发生电路的安装与调试…………………………………………………(9)
5.2三角波—正弦波转换电路的安装与调试………………………………………………(9)
5.3总电路的安装与调试…………………………………………………………………(10)
5.4调试中遇到的问题及解决的方法………………………………………………………(10)
6电路的实验结果………………………………………………………………………………(11)
6.1方波—三角波发生电路的实验结果……………………………………………………(11)
6.2三角波—正弦波转换电路的实验结果…………………………………………………(11)
6.3实测电路波形、误差分析及改进方法…………………………………………………(12)
7设计总结………………………………………………………………………………………(12)
8仪器仪表明细清单……………………………………………………………………………(13)
9参考文献………………………………………………………………………………………(14)
1.函数发生器的设计框图
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图1-1所示:
图1-1函数发生器原理框图
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。
2.各组成部分的工作原理
2.1方波—三角波产生电路
图2-1-1所示电路能自动产生方波—三角波。
其电路的工作原理如下:
图2-2-1方波—三角波产生电路
若放大器A1同相输入端a点断开,运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器。
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
(2-1-1)
式中RP1指电位器的调整值(以下同)。
将上式整理,得比较器翻转的下门限电位Uia-为
(2-1-2)
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
(2-1-3)
比较器的门限宽度
(2-1-4)
由式(2-1-1)~(2-1-4)可得比较器的电压传输特性,如图2-1-2所示。
图2-1-2比较器电压传输特性图2-1-3方波—三角波
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
(2-1-5)
当
时,
(2-1-6)
当
时,
(2-1-7)
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,其波形如图2-1-3所示。
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
(2-1-8)
方波-三角波的频率为
(2-1-9)
由式(2-1-8)以及(2-1-9)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。
2.2三角波—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:
(2-2-1)
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
(2-2-2)
式中 Um—三角波的幅度;
T—三角波的周期。
将式(2-2-2)代入式(2-2-1)得
(2-2-3)
用计算机对式(2-2-3)进行计算,打印输出的ic1(t)或ic2(t)曲线近似于正弦波,则差分放大器的输出电压vc1(t)、vc2(t)亦近似于正弦波,波形变换过程如图3-2-4所示:
图2-2-4三角波—正弦波变换
为使输出波形更接近正弦波,由图可见要求:
(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应正好使晶体管截止电压。
图2-2-4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。
图2-2-5三角波—正弦波变换电路
3.电路的参数选择及计算
3.1方波-三角波中电容C1变化
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。
3.2三角波—正弦波部分
比较器A1与积分器A2的元件计算如下。
由式(2-1-8)得
(3-2-1)
取
,则
,取
,RP1为50KΩ的电位器。
取平衡电阻
由式(2-1-9)得
(3-2-2)
当
时,取
,则
,取
,为100KΩ电位器。
当
时,取
;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,C6可取得较小,C6一般为几十皮法至0.1微法。
欧与
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
及电阻
确定。
3.3函数发生器的电路图
函数发生器整体电路图如图3-3-1所示
图3-3-1三角波—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
用capture画出电路图,并用pspice完成仿真,如图4-1-1、4-1-2、4-1-3分别为方波、三角波、正弦波的输出波形。
图4-1-1输出方波
图4-1-2输出三角波
4.2三角波—正弦波转换电路的仿真
图4-1-3输出正弦波
5.电路的安装与调试
5.1方波—三角波发生电路的安装与调试
5.1.1按装方波—三角波产生电路:
1.把两块741集成块插入面包板,注意布局;
2.分别把各电阻放入适当位置,尤其注意电位器的接法;
3.按图接线,注意直流源的正负及接地端。
5.1.2调试方波—三角波产生电路
1.接入电源后,用示波器进行双踪观察;
2.调节RP1,使三角波的幅值满足指标要求;
3.调节RP2,微调波形的频率;
4.观察示波器,各指标达到要求后进行下一部按装。
5.2三角波—正弦波转换电路的安装与调试
5.2.1按装三角波——正弦波变换电路
1.在面包板上接入差分放大电路,注意三极管的各管脚的接线;
2.搭生成直流源电路,注意R*的阻值选取;
3.接入各电容及电位器,注意C*7的选取;
4.按图接线,注意直流源的正负及接地端。
5.2.2调试三角波—正弦波变换电路
1.接入直流源后,把C5接地,利用万用表测试差分放大电路的静态工作点;
2.测试V1、V2的电容值,当不相等时调节RP4使其相等;
3.测试V3、V4的电容值,使其满足实验要求;
4.在C5端接入信号源,利用示波器观察,逐渐增大输入电压,当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压;
5.3总电路的安装与调试
1.把两部分的电路接好,进行整体测试、观察
2.针对各阶段出现的问题,逐各排查校验,使其满足实验要求,即使正弦波的峰峰值大于1V。
5.4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,在装调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。
5.4.1方波—三角波发生器的装调
由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路,同时输出方波与三角波,这两个单元电路可以同时安装。
需要注意的是,安装电位器RP1与RP2之前,要先将其调整到设计值,如设计举例题中,应先使RP1=10KΩ,RP2取(2.5-70)KΩ内的任一值,否则电路可能会不起振。
只要电路接线正确,上电后,UO1的输出为方波,UO2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有,调节RP2,则输出频率在对应波段内连续可变。
5.4.2三角波—正弦波变换电路的装调
按照图3-3-1所示电路,装调三角波—正弦波变换电路,其中差分发大电路可利用课题三设计完成的电路。
电路的调试步骤如下。
(1)差分放大器传输特性曲线调试。
将C4与RP3的连线断开,经电容C4输入的差摸信号电压Uid=50v,fi=100Hz正弦波。
调节RP4及电阻R*,是传输特性曲线对称。
在逐渐增大Uid。
直到传输特性曲线形状入图4-1-3所示波形,记下次时对应的Uid即Uidm值。
移去信号源,再将C5左段接地,测量差份放大器的静态工作点I0、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。
(2)三角波—正弦波变换电路调试。
将RP3与C5连接,调节RP3使三角波俄输出幅度(经RP3)等于Uidm值,这时Uo3的输出波形应接近正弦波,调节C*7大小可改善输出波形。
如果Uo3的波形出现以下几种正弦波失真,则应调节和改善参数,产生失真的原因及采取的措施如下。
1)钟形失真传输特性曲线的线性区太宽,应减小Re2。
2)半波圆定或平顶失真传输特性曲线对称性差,静态工作点Q偏上或偏下,应调整电阻R*。
3)非线性失真三角波传输特性区线性度差引起的失真,主要是受到运放的影响。
可在输出端加滤波网络改善输出波形。
(3)性能指标测量与误差分析
1)方波输出电压Upp≦2Vcc,是因为运放输出极有PNP型两种晶体组成复合互补对称电路,输出方波时,两管轮流截止与导通,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。
2)方波的上升时间tr,主要受预算放大器的限制。
如果输出频率的限制。
可接加速电容C1(C1一般为几十皮法)。
用示波器或脉冲示波器测量tr
6.电路的实验结果
6.1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
6.2三角波—正弦波转换电路的实验结果
R*=15KΩ
Vc1=Vc2=5.530V
Vc3=-0.6218V
Vc4=-10.307V
Ic1=Ic2=0.6813mA
仿真结果分析
R*=13K
Vc1=Vc2=4.358V
Vc3=-0.831V
Vc4=-9.028V
Ic1=Ic2=0.5368mA
6.3实测电路波形误差分析及改进方法
将C*7替换为由两个0.1uF串联或直接拿掉,Xc=1/W*C,当输出波形为高频时,若电容C*7较大,则Xc很小,高频信号完全被吞并,无法显示出来。
7.设计总结
为期一个星期的课程设计将要结束了。
在这一周的学习中,我学到了很多,也找到了自己身上的不足。
感受良多,获益匪浅。
在这一星期的学习、设计、焊使我对抽象的理论有了具体的认识。
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;了解了基本电路原件的连接、焊接方法;以及如何分析电路误差产生原因和提高电路的性能等等。
其次,这次课程设计让我充分意识到了团队合作的重要性,在整个课程设计过程中,我们团体分工合作,各司其职,各尽其能。
发挥了集体的作用,提高了课程设计的效率,节约了宝贵的时间。
更是在设计过程中大家集体讨论,选择最佳方案,免除了一些不必要的麻烦,避免了许多错误,使设计更加科学、合理。
在实验过程中,我们也遇到了不少问题。
一些同学在焊接电路板的时候不小心被电烙铁烫伤了,这不得不让我提到试验中要严格注意安全问题;还有一些同学电路板上连线横七竖八,简直是一团乱麻,这是以后需要严格注意的问题;调试过程中,出现了波形严重失真的情况,有的甚至就不出波形,就造成了一些同学不知所措,以后在试验中需要多加锻炼的地方,加强把书中学到的内容应用到实际、提高动手能力和发现和分析问题的能力。
这次课程设计得到成功,我要感谢我们团队的所有成员,是他们给了我鼓励和帮助,给我努力完成下去的勇气,还有课程设计的指导教师吴老师,在实验仪器和设备方面给了我们非常大的帮助,帮助我们解决了一些重大的难题,在此表达我不尽的谢意。
课程设计结束了,相信我们得到的不止是课程设计要求的内容,更让我们在以后的学习中认识自己的缺点和不足,使我们能够在以后的学习、生活、实践、工作继续努力,争取取得更多、更大的成就。
8.仪器仪表明细清单
仪器仪表明细清单
元件
规格
数量
直流稳压电源
双12V
1台
双踪示波器
1台
运算放大器
μA741
2块
电位器
100Ω
1只
50K
2只
100K
1只
电容
470μF
3只
10μF
1只
1μF
1只
0.1μF
2只
0.01μF
1只
三极管
3DG130
4只
电路板
1块
排插
1排
导线
1米
万用表
1块
9.参考文献
[1]胡宴如.模拟电子技术.北京:
高等教育出版社,2006
[2]童诗白.模拟电子技术基础(第三版).北京:
高等教育出版社,2001
[3]康华光.模拟电子技术基础(第五版).武汉:
高等教育出版社,2006
[4]李万臣.模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨:
哈尔滨工程大学出版社,2001.3
[5]谢自美.电子线路设计·试验·测试(第三版).武汉:
华中科技大学出版社,2006.8
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:
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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