模电课程设计函数信号发生器

函数信号发生器 姓名： 姓名： 专业班级： 专业班级： 学号： 学号： 指导老师： 指导老师： 成绩： 成绩： 日期： 日期： 目 录 函数发生器的总方案及原理框图（2） 总方案及原理框图 1 函数发生器的总方案及原理框图 1.1 电路设计原理框图 （2） 1.2 电路设计总方案（2） 设计的目的及任务 （3） 2 设计的目的及任务 各部分电路设计 （3） 3 各部分电路设计 电路仿真与实物图 与实物图 4 电路仿真与实物图 （7） 4.1 方波三角波发生电路的仿真（7） 4.2 三角波正弦波转换电路的仿真（7） 4.3 原理图（8） 4.4 实物图（10） 电路的安装与调试 5 电路的安装与调试 （10） 仪器仪表明细清单 6 仪器仪表明细清单 （11） 实验总结 7 实验总结 （12） 1 1函数发生器总方案及原理框图 1.1 原理框图 1.2 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 (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。 2 2课程设计的目的和设计的任务 2.1 设计目的 1掌握电子系统的一般设计方法 2掌握模拟 IC 器件的应用 3培养综合应用所学知识来指导实践的能力 4掌握常用元器件的识别和测试 5熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法 2.2 设计任务 设计方波三角波正弦波函数信号发生器 2.3 课程设计的要求及技术指标 1设计、组装、调试函数发生器 2输出波形：正弦波、方波、三角波； 3频率范围 ：1Hz，z ； 4输出电压：方波 Up-p=24V，三角波 Up-p=6V，正弦波 U1V； 5. 波形特征： 方波 tr10s 1kHz， （ 最大输出时） 三角波失真系数 THD2%， ， 正弦波失真系数 THD5%。 3各组成部分的工作原理 1.课题分析 课题分析 根据任务，函数信号发生器一般基本组成框图如图 1 所示。 图1 函数信号发生器框图 2方案论证 方案论证 （1）确立电路形式及元器件型号 1）方波-三角波电路 图 2 所示为产生方波-三角波电路。工作原理如下：若 a 点短开，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，可加速比较器的翻转。 3 图 2 方波-三角波产生电路 由图 2 分析可知比较器有两个门限电压 U th 1 = U th 2 = R2 VCC R3 + RP1 R2 VCC R3 + RP1 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 U o2 = ?1 U o1dt ( R4 + RP2 )C 2 当 Uo1=+VCC 时 U o2 = VCC t ( R4 + RP2 )C 2 当 Uo1=-VEE 时 U o2 = VEE t ( R4 + RP2 )C 2 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 所示。 4 图3 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。三角波的幅度为 U o2m = R2 VCC R3 + RP1 方波-三角波的频率为 f = R3 + RP1 4 R2 ( R4 + RP2 )C 2 由上分析可知： 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。 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有差分放大器来完成。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 4 所示。 5 图 4 三角波正弦波的变换原理 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好； 三角波的幅度 Um 应正好使晶体管接近饱和区或截止区。 图 5 为三角波正弦波的变换的电路。 其中 RP1 调节三极管的幅度， 2 调整 RP 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 5 三角波正弦波变换电路 整个设计电路采用如图所示。其中运算放大器 A1、A2 用一只双运放A747， 差分放大器采用单入、单出方式，四只晶体管用三极管 8085 等。取电源电压为 12V。 2）计算元件参数 比较器 A1 与积分器 A2 的元件参数计算如下： 由于 U o2m = 因此 R2 VCC R3 + RP1 U R2 4 1 = o2m = = R3 + RP1 Vcc 12 3 取 R3=10k,则 R3+RP1=30 k，取 R3=20k, RP1 为 47 k的电位器。取平 衡电阻 R1=R2/（R3+RP1）10 k。 因为 f = R3 + RP1 4 R2 ( R4 + RP2 )C 2 当 1Hzf10Hz 时，取 C2=10F，则 R4+RP2=（757.5）k，取 5.1 k， RP2 为 100 k电位器。 19Hzf100Hz， C2=1F 以实现频率波段的转换， 当 取 R4、RP2 的值不变。取平衡电阻 R5=10 k。 三角波正弦波变换电路的参数选择原则是： 隔直电容 C3、 4、 5 要取得大， C C 因为输出频率较低，取 C3=C4=C5=470F，滤波电容 C6 一般为几十皮法至 0.1 F。RE2=100与 RP4=100，相并联，以减少差分放大器的线性区。差分放大 6 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方波-三角-正弦波函数发生器电路图 根据以上设计，可画出方波-三角-正弦波函数发生器电路图如图 6 所示。 图 6 方波-三角-正弦波函数发生器电路图 4 电路仿真与实物图 4.1 方波三角波发生电路的仿真 7 4.2 三角波正弦波转换电路的仿真 4.3 原理图 8 4.4 实物图 5 电路的安装与调试 如图 6 所示方波-三角-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进行分级装调与级联。 （1）方波 三角波发生器的装调 方波-三角波发生器的装调 方波 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，否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）三角波 正弦波变换电路的装调 三角波-正弦波变换电路的装调 三角波 按照图 6 所示电路，装调三角波-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 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 3-73 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 I0、Uc1、Uc2、Uc3、Uc4。 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 的波形出现如图 7 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 7（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 7（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 7 图 7（c）所示，三角波的线性度较差引起的非线性失 9 真，主要受运放性能的影响。可在输出端加滤波网络（如 C6=0.1mF）改善输出 波形。 图 7 几种正弦波失真 （3）性能指标测量与误差分析 性能指标测量与误差分析 方波输出电压 UP-P2VCC 是因为运放输出级由 NPN 型与 PNP 型两种晶体 管组成复补对称电路，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。 方波的上升时间 tr，主要受运算放大器转换速率的限制。如果输出频率较高， 可接入加速电容 C1，一般取 C1 为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量 tr。 6仪器仪表清单 设计所用仪器及器件 1直流稳压电源 2双踪示波器 3万 4运 用 表 1台 1台 1只 1片 2只 1只 1只 3只 1只 1只 2只 1只 4只 3只 3只 2只 1只 放 747 5电位器 50K 100K 100 6电 容 470F 10F 1F 0.1F 0.01F 7三极管 8085 8.电阻 10 k 20 k 2k 5.1 k 10 6.8 k 8k 100 2只 1只 1只 7实验总结 通过为期一个星期的课程设计，我感触颇深。对抽象的理论有了更具体的认 识。如方波，三角波及正弦波的产生和三者之间的转换过程，此外，在设计过程 中我掌握了常用元件的识别和测试，如电阻阻值的判断，三极管极性的判断等， 同时也熟悉了常用的仪器仪表，并大致了解了电路的连接、焊接方法以及如何安 装调试电路的性能等等。整个课程设计下来可说是收获颇丰。 在实验过程中，我遇到了不少的问题。如在焊接过程中烫伤，这不得不让我 更重视安全问题，并在后面的焊接过程中愈加小心谨慎。还有调试过程中波形失 真，甚至不出波形或者幅值频率与设计要求不一致，等等。 最后，本次课程设计还使我认识到了，电路设计需要耐心，需要一种整体的 思维，而且遇到点问题很正常，关键是要学会分析问题，解决问题，不断积累经 验，坐而言不如立而行，我们应当在不断地实践中加深对理论的理解并在实践中 熟练运用理论指导！ 11