模電多種波形發(fā)生器

.PAGE.專(zhuān)業(yè)資料整理分享完美WORD格式編輯遼寧工業(yè)大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)〔論文題目：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與制作院〔系：工程技術(shù)學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電氣工程及自動(dòng)化學(xué)號(hào)：11學(xué)生姓名：吳小強(qiáng)指導(dǎo)教師：〔簽字起止時(shí)間：2013.06.24—2013.07.5..課程設(shè)計(jì)〔論文任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院〔系：工程技術(shù)學(xué)院教研室：電子信息工程學(xué)號(hào)111902011學(xué)生姓名吳小強(qiáng)專(zhuān)業(yè)班級(jí)電氣工程及自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)題目函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與制作課程設(shè)計(jì)〔論文任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)：波形的產(chǎn)生及變換電路是應(yīng)用極為廣泛的電子電路,現(xiàn)設(shè)計(jì)并制作能產(chǎn)生方波、三角波及正弦波等多種波形信號(hào)輸出的函數(shù)發(fā)生器。設(shè)計(jì)電路所需的直流穩(wěn)壓電源。功能要求：輸出的各種波形工作頻率范圍0.02Hz～1kHz連續(xù)可調(diào)。正弦波幅值±18V,失真度小于3％。方波幅值±18V。三角波幅值18V；各種輸出波形幅值均連續(xù)可調(diào)。設(shè)計(jì)要求：1.分析設(shè)計(jì)要求,明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等,廣開(kāi)思路,構(gòu)思出各種總體方案,繪制結(jié)構(gòu)框圖。2.確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較,以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較,并考慮器件的來(lái)源,敲定可行方案。3.設(shè)計(jì)各單元電路?？傮w方案化整為零,分解成若干子系統(tǒng)或單元電路,逐個(gè)設(shè)計(jì)。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局,通常是按信號(hào)的流向,采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路,并標(biāo)出必要的說(shuō)明。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)成績(jī)：指導(dǎo)教師簽字：年月日摘要在電子工程、通信工程、自動(dòng)控制、遙測(cè)控制、測(cè)量?jī)x器、儀表和計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域,經(jīng)常需要用到各種各樣的信號(hào)波形發(fā)生器。隨著集成電路的迅速發(fā)展,用集成電路可很方便地構(gòu)成各種信號(hào)波形發(fā)生器。用集成電路實(shí)現(xiàn)的信號(hào)波形發(fā)生器與其它信號(hào)波形發(fā)生器相比,其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo),都有了很大的提高。信號(hào)發(fā)生器又稱(chēng)信號(hào)源或振蕩器,在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線(xiàn)均可以用三角函數(shù)方程式來(lái)表示。能夠產(chǎn)生多種波形,如三角波、鋸齒波、矩形波〔含方波、正弦波的電路被稱(chēng)為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中,都需要射頻〔高頻發(fā)射,這里的射頻波就是載波,把音頻〔低頻、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去,就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi),如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等,都需要功或大或小、頻率或高或低的振蕩器。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法通常有以下幾種:〔1用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器：通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高,其工作不很穩(wěn)定,不易調(diào)試。〔2可以由晶體管、運(yùn)放IC等通用器件制作,更多的則是用專(zhuān)門(mén)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器IC產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器IC,如L8038、BA205、XR2207/2209等,它們的功能較少,精度不高,頻率上限只有300kHz,無(wú)法產(chǎn)生更高頻率的信號(hào),調(diào)節(jié)方式也不夠靈活,頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié),二者互相影響。〔3利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生多種波形,達(dá)到較高的頻率,且易于調(diào)試.〔4利用專(zhuān)用直接數(shù)字合成ＤＤＳ芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達(dá)到很高的頻率。但成本較高。目錄一、設(shè)計(jì)要求2二、設(shè)計(jì)的作用、目的2三、性能指標(biāo)2四、設(shè)計(jì)方案的選擇及論證3五、函數(shù)發(fā)生器的具體方案31.總的原理框圖及總方案32.各組成部分的工作原理32.1方波發(fā)生電路32.2角波發(fā)生電路32.3正弦波發(fā)生電路32.4直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)………………32.5方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理32.6三角波—正弦波轉(zhuǎn)換電路工作原理33.總電路圖3六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析3七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)3八、參考資料3函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)報(bào)告一、設(shè)計(jì)要求1.用集成運(yùn)放組成正弦波、方波和三角波發(fā)生器。2.幅值和頻率自定義。3.正弦波、方波和三角波的幅值、頻率可調(diào)。二、設(shè)計(jì)的作用、目的1.掌握函數(shù)信號(hào)發(fā)生器工作原理。2.熟悉集成運(yùn)放的使用。3.熟悉Multisim軟件。三、性能指標(biāo)四、設(shè)計(jì)方案的選擇及論證函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同,有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器,使用的器件可以是分立器件<如低頻信號(hào)函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管>,也可以采用集成電路<如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038>。產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種,如首先產(chǎn)生正弦波,然后通過(guò)整形電路將正弦波變換成方波,再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波—方波,再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊?。方案一：由比較器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路,比較器輸出的方波經(jīng)過(guò)積分器得到三角波,三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來(lái)完成。方案二：文氏橋振蕩器產(chǎn)生正弦波輸出,用集成運(yùn)放構(gòu)成電壓比較器,將正弦波信號(hào)變換成方波信號(hào)輸出。用運(yùn)放構(gòu)成積分電路,將方波信號(hào)變換成三角波信號(hào)輸出。方案二同方案一比較,對(duì)于三角波的產(chǎn)生有一定的麻煩,因?yàn)轭}目需要頻率為連續(xù)可調(diào),但幅度穩(wěn)定性難以達(dá)到要求；方案一由于采用運(yùn)算放大器組成積分電路,因此可實(shí)現(xiàn)恒流充電,使三角波線(xiàn)性大為改善。由此,本設(shè)計(jì)采用方案一五、函數(shù)發(fā)生器的具體方案總體設(shè)計(jì)方案及框圖方波方波三角波正弦波比較器積分器差分放大器圖1.1總體設(shè)計(jì)方案框圖直流電源多波形信號(hào)發(fā)生器方框圖如圖1.1所示。本課題采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。并采用先產(chǎn)生方波—三角波,再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法：由比較器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路,比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波,三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來(lái)完成。設(shè)計(jì)差分放大器時(shí),傳輸特性曲線(xiàn)要對(duì)稱(chēng)、線(xiàn)性區(qū)要窄,輸入的三角波的的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線(xiàn)的非線(xiàn)性。2.各組成部分的工作原理2.1方波發(fā)生電路從一般原理來(lái)分析,可以在滯回比較器電路的基礎(chǔ)上,靠正反饋和RC充放電回路組成矩形波發(fā)生電路,由于滯回比較器的輸出只有兩種可能的狀態(tài),高電平或低電平,兩種不同的輸出電平式RC電路進(jìn)行充電和放電,于是電容上的電壓降升高或降低,而電容的電壓又作為滯回比較器的輸入電壓,控制其輸出端狀態(tài)發(fā)生跳變,從而使RC電路由充電過(guò)程變成放電過(guò)程或相反,如此循環(huán)往復(fù),周而復(fù)始,最后在滯回比較器的輸出端即可得到一個(gè)高低電平變化周期性交替的方波信號(hào)．方波發(fā)生電路仿真電路模型如圖5-1和5-2所示圖5-1圖5-1圖5-1方波發(fā)生電路仿真模擬2.2三角波發(fā)生電路在產(chǎn)生方波之后,利用此波形輸入到一個(gè)積分電路便可輸出一個(gè)三角波。由于三角波信號(hào)是電容的充放電過(guò)程形成的指數(shù)形式,所以線(xiàn)性度較差,為了能得到線(xiàn)性度較好的三角波,可以將運(yùn)放和幾個(gè)電阻,電容構(gòu)成積分電路。三角波發(fā)生電路仿真電路模型如圖5-2所示：圖5-2圖5-2圖5-2三角波發(fā)生電路仿真模擬2.3正弦波發(fā)生電路利用差分放大器傳輸特曲線(xiàn)的非線(xiàn)性,將三角波信號(hào)轉(zhuǎn)化成正弦波信號(hào)。其傳輸特性曲線(xiàn)越對(duì)稱(chēng),線(xiàn)性區(qū)越窄越好,三角波的幅值Ｕpp應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)和截止去。正弦波發(fā)生電路仿真電路模型如圖5-3所示：圖5-3圖5-3方波仿真圖如下三角波仿真圖如下正弦波仿真圖如下2.4直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)電源電壓由220v交流電源組成外加3個(gè)三極管2個(gè)9013一個(gè)8050組成的輸出串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的實(shí)驗(yàn)電路圖。其中整流部分采用了4個(gè)二極管組成的橋式整流器,型號(hào)為1N4007,。濾波電容C1、C2一般選取幾百至幾千微法。當(dāng)穩(wěn)壓器距離蒸餾濾波電路較遠(yuǎn)時(shí),在輸入端必須接入電容器C3,以抵消線(xiàn)路的電感效應(yīng),防止產(chǎn)生自激振蕩。輸出端電容C4用以濾除輸出端的高頻信號(hào),改善電路的暫態(tài)響應(yīng)。2.5方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理圖5-7為方波-三角波轉(zhuǎn)換電路,其中運(yùn)算放大器用雙運(yùn)放器741－DIV圖5-7參數(shù)選擇：在電容C1、C2處放置了選擇開(kāi)關(guān),可以滿(mǎn)足課設(shè)要求的兩個(gè)頻率范圍1～10Hz、10～100Hz：當(dāng)需要1～10Hz時(shí),開(kāi)關(guān)選擇C2=1μF,取,RP2為100Ω電位器；當(dāng)需要10～100Hz時(shí),取C2=100nF,以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換,R4及RP2的取值不變。平衡電阻。工作原理如下：若a點(diǎn)斷開(kāi),運(yùn)算發(fā)大器A1〔左與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器,C1為加速電容,可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。運(yùn)放A2〔右與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器,其輸入信號(hào)為方波Uo1,則積分器的輸出電壓Uo2為當(dāng)時(shí),當(dāng)時(shí),若a點(diǎn)閉合,即比較器與積分器首尾相連,形成閉環(huán)電路,則自動(dòng)產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為：方波-三角波的頻率f為：由此可見(jiàn)積分器在輸入為方波時(shí),輸出是一個(gè)上升速度與下降速度相等的三角波,其波形關(guān)系如下圖５－８所示方波-三角波的頻率f為：由以上兩式可以得到以下結(jié)論：電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時(shí),不會(huì)影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬,可用C2改變頻率的范圍,PR2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過(guò)電源電壓+Vcc。電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào),但會(huì)影響方波-三角波的頻率。2.6三角波—正弦波轉(zhuǎn)換電路工作原理圖5-9參數(shù)選擇：隔直電容C3、C4、C5要取得較大,因?yàn)檩敵鲱l率很低,取,濾波電容視輸出的波形而定,若含高次斜波成分較多,可取得較小,一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián),以減小差分放大器的線(xiàn)性區(qū)。差分放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)可通過(guò)觀(guān)測(cè)傳輸特性曲線(xiàn),調(diào)整RP4及電阻R6確定。圖5-10分析表明,傳輸特性曲線(xiàn)的表達(dá)式為：上式中：；—差分放大器的恒定電流；—溫度的電壓當(dāng)量,當(dāng)室溫為25℃時(shí),UT≈26mV。如果Uid為三角波,設(shè)表達(dá)式為式中：Um—三角波的幅度；T—三角波的周期。為使輸出波形更接近正弦波,由圖5-10可知：傳輸特性曲線(xiàn)越對(duì)稱(chēng),線(xiàn)性區(qū)越窄越好；三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。3.總電路圖圖5-11六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比較器與積分器組成正反饋閉環(huán)電路,方波、三角波同時(shí)輸出。電位器Rp1與Rp2要事先調(diào)整到設(shè)定值,否則電路可能會(huì)不起振。只要接線(xiàn)正確,接通電源后便可輸出方波、三角波。微調(diào)Rp1,使三角波的輸出幅度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,調(diào)節(jié)Rp2,則輸出頻率在對(duì)應(yīng)波段內(nèi)連續(xù)可變。調(diào)整RP4及電阻R7,可以使傳輸特性曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)。調(diào)節(jié)Rp3使三角波的輸出幅度經(jīng)Rp3輸出等于Uidm值,這時(shí)輸出波形應(yīng)接近正弦波,調(diào)節(jié)C6的大小可改善波形。因?yàn)檫\(yùn)放輸出級(jí)由PNP型與NPN型兩種晶體管組成復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路,輸出方波時(shí),兩管輪流截止與飽和導(dǎo)通,導(dǎo)通時(shí)受輸出電阻的影響,使方波輸出值小于電源電壓值,故方