3248. 函数发生器的设计 课程设计.doc

课程设计任务书学生姓名： xxx 专业班级： 通信0805 指导教师： xxx 工作单位 信息工程学院 题 目: 函数发生器的设计 初始条件：可选元件：双运放A741两只，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 频率范围10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；正弦波Upp3V，幅度连续可调，线性失真小。三角波Upp5V，幅度连续可调，线性失真小。方波Upp14V，幅度连续可调，线性失真小。 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） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。时间安排：第19周理论讲解，时间：礼拜一5，6，7、8节 地点：鉴三204第20周理论设计、实验室安装调试，地点：鉴主13楼通信工程综合实验室、鉴主15楼通信工程实验室（1） 指导教师签名： 2010年 1月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录引言.41 设计方案的比较51.1 信号发生器方案的比较.51.2 信号变换电路方案比较.71.3 设计的目的.91.4 设计的任务.91.5 设计要求及技术指标92 函数发生器总方案.102.1 函数发生器的组成.102.1.1 原理图102.2 各组成部分工作原理103.2.1方波发生器工作原理10 3.2.2.1方波三角波电路转换原理.103.2.2正弦波产生电路.133.3 系统集成.154 电路的仿真及分析.164.1 模块的仿真及分析.164.1.1 方波-三角波转换电路的安装与测试.164.1.2 正弦波产生电路的安装及调试.164.2 总电路的安装与调试175 电路调试.185.1 模拟结果.185.2 结果分析.186 心得体会19 参考文献217元件清单23引言 1. 函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。 2. 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，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。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。经过仿真得出了方波、三角波、正弦波、方波三角波转换及三角波正弦波转换的波形图。函数发生器的性能指标：（1） 输出波形：正弦波、方波、三角波等。（2） 频率范围：函数发生器的频率范围一般分为若干个波段，如低频信号发生器的频率范围为1Hz10Hz，10Hz100Hz，100Hz1KHz，1kHz10kHz，10kHz100kHz，100kHz1MHz等6个波段（3） 输出电压：输出电压一般指输出波形的峰峰值，即Up-p=2Um。（4） 波形特性：表征正弦波特性的参数是非线性失真系数r，一般要求<3%。表征三角波的参数也是非线性失真系数，一般要求<2%.表征方波特性的参数是上升时间t，一般要求t小于100纳秒（1kHz，最大输出时）。1.设计方案的比较1.1 信号发生器【方案一】由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波（1）文 氏电 桥（2）正弦波（3）三角波（4）方波（5） 比较器（6）积分器这一方案为一开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小。但是对于三角波的产生则有一定的麻烦。显然对于10倍的频率变化会有积分时间dt的10倍变化从而导致输出电压振幅的10倍变化。而这是电路所不希望的。幅度稳定性难以达到要求。而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。【方案二】由积分器和比较器同时产生三角波和方波。其中比较器起电子开关的作用，将恒定的正、负极性的（1） 三角波（2） 积分器（3） 方波（4）比较器电位交替地反馈积分器去积分而得到三角波。该电路的优点是： 线性良好、稳定性好； 频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便地连续地改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变； 不存在如文氏电桥那样的过渡过程，接通电源后会立刻产生稳定的波形； 三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。综合上述分析，应采用第二种方案来产生信号。1.2信号变换电路三角波变为正弦波的方法可以分为两类：一种是通过滤波器进行“频域” 处理，另一种则是通过非线性元件或电路作折线近似变换“时域”处理。详细有以下几种方案：【方案一】采用米勒积分法。滤波式的优点是不太受输入三角波电平变动的影响，其缺点是输出正弦波幅度会随频率一起变化（随频率的升高而衰减），这对于我们要求的10倍的频率覆盖系数是不合适的。另外我们在仿真时还发现，这种积分滤波电路存在这较明显的失调，这种失调使输出信号的直流电平不断向某一方向变化。而且存在直流分量。【方案二】采用二极管电阻转换网络折线逼近法。十分明显，用折线逼近正弦波时，假如增多折线的段数，则逼近的精度会增高，但是实际的二极管不是理想开关，存在导通阈值问题，故不可盲目的增加分段数；在所选的折线段数一定的情况下，转折电的位置的选择也影响逼近的精度。凭直观可以判知，在正弦波变化较快的区段，转折点应选择的密一些；而变化缓慢的区段应选的稀疏一些。二极管电阻网络折线逼近电路对于集成化来说是比较简单，但要采用分立元件打接则会用到数十个器件，而且为了达到较高的精度所有处于对称位置的电阻和二极管的正向导通电阻都应匹配。实现起来不是很方便的。另外折线逼近电路的原理是应用电路传输的非线性，故作用于变换电路的输入信号的幅度必须是固定的。而且这个转换网络还有输出阻抗高的缺点。二极管电阻网络折线图：【方案三】利用差分放大器的差模传输特性。由下图的传输特性曲线可以知道当输入为三角波时输出会得到近似的正弦波。这种转换方式比较简单，而且频带很宽。综上所述，采用第三种方案来把三角波转换为正弦波。2.课程设计的目的和设计任务2.1 设计目的（1）掌握方波三角波正弦波函数发生器的原理及设计方法。 （2）掌握迟滞型比较器的特性参数的计算。 （3）了解单片集成函数发生器的工作原理及应用。 （4）能够使用电路仿真软件进行电路调试。 （5）培养综合应用所学知识来指导实践的能力（6）掌握常用元器件的识别和测试2.2 设计任务 完成对方波三角波正弦波函数信号发生器的设计、装配与调试2.3 课程设计的要求及技术指标 频率范围10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；正弦波Upp3V，幅度连续可调，线性失真小。三角波Upp5V，幅度连续可调，线性失真小。方波Upp14V，幅度连续可调，线性失真小。 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） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。 频率范围10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；正弦波Upp3V，幅度连续可调，线性失真小。三角波Upp5V，幅度连续可调，线性失真小。方波Upp14V，幅度连续可调，线性失真小。 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。 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。3函数发生器总方案3.1函数发生器的组成函数发生器一般是指自动产生正弦波、三角波以及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途的不同，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5G8038）。3.1.1原理图1.3 原理框图说明如下：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的到三角波，三角波到正弦波的变换主要由差分电路来完成。差分电路具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力强等特点。特别是作为直流放大器时，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波转换为正弦波。波形变换的原理是利用差分电路传输特性曲线的非线性。3.2各组成部分工作原理3.2.1方波发生器电路工作原理 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的增长而组建增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；，再稍增大， Uo从+Uz跃变为-Uz，与此同时Up从+Ut跃变到-Ut，随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，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-Ut跃变为+Ut，电容又开始正向充电。上述过程不断重复，电路产生了自激振荡。3.2.2.1 方波-三角波电路转换原理图3-2中U1构成同相输入迟滞比较器电路，用于产生输出方波。运算放大器U2与电阻Rp2及电容构成积分电路，用于将U1电路输出的方波作为输入，产生输出三角波。 图3-2 方波-三角波产生电路若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。 图3-3 三角波与正弦波转换示意图 3.2.2正弦波产生电路正弦波产生电路的基本结构是：引入正反馈的反馈网络和放大电路。由于选取差分放大电路对三角波一正弦波进行变换，选择KSP2222A型的管，型号：KSP2222A通用参数：电流参数：IC=600mA电压参数：UCBO=75V/UCEO=40V/UEBO=6V功   率：PC=625mW其他参数:fT=300MHz极   性：PNP 图3-4 正弦波产生电路 图3-5 KSP2222A输出特性曲线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，UT26mV。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。（4）根据KsP2222A的静态特性曲线，选取静态工作区的中心静态电流和电压分别为：Ic=5mA Ib=0.25mA Vce=0.12v3.3系统集成把各分电路集中在一块电路板上，共用电源和接地端后，整个信号发生器的结构变得紧凑美观，则总电路图如下： 图3-6 函数发生器总电路图4电路的仿真及分析在设计流程中，设计的验证是一个重要但费时的环节。由于验证方法手段不断改进和提高，对于一个系统的设计，提倡用软件、硬件协同验证方法，加速仿真过程。有经验的设计师认为，一个设计项目的成功与否，关键是仿真，其中涉及工作的90%时间花在仿真验证上。仿真有功能仿真与时序仿真之分。在逻辑综合和布线之前对模型的逻辑功能进行仿真，可以有效提高效率。以下是对本次设计的各个模块以总电路进行的功能仿真及分析。4.1模块的仿真及分析4.1.1方波-三角波转换电路的安装及测试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。4. 接入电源后，用示波器进行双踪观察；5. 调节RP1，使三角波的幅值满足指标要求；6. 调节RP2，微调波形的频率； 7. 观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装。4.1.2正弦波产生电路的安装及测试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C6的选取；4. 按图接线，注意直流源的正负及接地端。 5. 接入直流源后，把C4接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点； 6. 测试V1、V2的电容值，当不相等时调节RP4使其相等； 7. 测试V3、V4的电容值，使其满足实验要求； 8 在C4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；4.2总电路的安装及测试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 电路调试51 模拟结果    利用Multisim软件画出电路图，在相应点接上示波器，模拟电路结果。改变Rp2的值，由24 k变为56 k的输出结果对比如下。5.2结果分析    (1)频率范围    为便于测量，将电路图上的方波信号接入示波器，并合上C1=10F的开关，断开C2=1F的开关，然后调节Rp2并测出此时方波信号频率的变化范围；断开C1的开关，合上C2的开关，按照同样的方法调节Rp2，并记录方波信号频率的变化范围，结果如表1所示。电路的三种输出波形对比如图7所示。 图5-1 调试结果 (2)输出电压    方波信号接入示波器，调节Rpl，得方波峰峰Vpp=14 V；撤除方波信号并接入三角波信号，调节Rp1，测得三角波峰峰值Upp=5 V；将正弦波信号接入示波器，调节Rp3和Rp4，测得正弦波峰峰值Upp=28 V。6 心得体会本次课程设计至此已经接近尾声，一周的时间虽然很短暂，但在这一个星期的设计过程中收获颇丰。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；了解了电路的连接、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们对课本理论知识的进一步认知，让我们更好的把理论和实际联系到了一起。在实验过程中，我遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。经过查阅相关的资料和寻求帮助后，终于成功的将电路调试出来了，看到那一个个波形，心里真的好开心，心里充满了成就感。感谢学校给我们这次机会，锻炼了我们的动手能力。通过这次课设让我明白了理论和实际操作之间差距，而且也让我很明确得意识到自己在模电上有很多的知识漏洞，以后应该多钻研一下。参考文献1吴友宇模拟电子技术基础北京：清华大学出版社2姚福安电子电路设计与实践山东：山东科学技术出版社3邱关源电路北京：高等教育出版社4李伟电工电子技术实训河南：河南科技出版社5杨碧石电子技术实训教程北京：电子工业出版社6高吉祥.电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社7谢自美.电子线路设计.实验.设计.华中科技大学出版社设计总电路元件清单名称型号数目运放UA7412电位计1011104150215031电解电容1uf147uf1470uf2三极管KSP2222A4瓷片电容10311042电阻10k320k368k22k25.1k18k1104k1单端单掷开关3本科生课程设计成绩评定表姓 名xxx性 别 别 女专业、班级通信0805班课程设计题目： 函数发生器的设计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