函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)-模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)

模

擬

電

子

技

術(shù)

課

程

設(shè)

計(jì)學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院指導(dǎo)老師：田莉課程設(shè)計(jì)題目：函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)完

成

時(shí)

間：2013年6月3日實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊辉O(shè)計(jì)任務(wù)1-1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)本課題設(shè)計(jì)，要求掌握方波，三角波，正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法與調(diào)試技術(shù)。學(xué)會(huì)安裝與調(diào)試由多級(jí)單元電路組成的電子線路，學(xué)會(huì)使用集成函數(shù)發(fā)生器。1-2設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)課題：方波------三角波------正弦波發(fā)生器1-3主要技術(shù)指標(biāo)

頻率范

圍：10HZ-100HZ,100HZ-1KHZ,1KHZ-10KHZ.

頻率控制方式：

通過(guò)改變RC時(shí)間常數(shù)手控信號(hào)頻率。通過(guò)改變控制電壓Uc實(shí)現(xiàn)壓控頻率。輸出電

壓：

正弦波Upp=3V幅度連續(xù)可調(diào)

三角波Upp=5V幅度連續(xù)可調(diào)

方

波Upp=14V幅度連續(xù)可調(diào)波形特

性：

方波上升時(shí)間小于2μS；

三角波非線性失真小于1%；

正弦波諧波失真小于3%；二函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)的總方案及原理圖2-1函數(shù)發(fā)生器的總方案

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。產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，本課題采用先產(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。2-2本課題中函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖如下所示：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。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。

3-1方波發(fā)生電路的工作原理

此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過(guò)R3對(duì)電容C正向充電，如圖中實(shí)線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時(shí)間t的增長(zhǎng)而逐漸增高，當(dāng)t趨于無(wú)窮時(shí)，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過(guò)R3對(duì)電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)而減低，當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開(kāi)始正相充電。上述過(guò)程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。三各單元電路及其原理3-2方波---三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理工作原理工作原理如下：若a點(diǎn)斷開(kāi)，運(yùn)算發(fā)大器A1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)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）,當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設(shè)Uo1=+Vcc,則

將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門(mén)限單位Uia-為

若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門(mén)限電位Uia+為

比較器的門(mén)限寬度

由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3-71所示。a點(diǎn)斷開(kāi)后，運(yùn)放A2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Uo2為

時(shí)，

時(shí)，

可見(jiàn)積分器的輸入為方波時(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)系下圖所示。a點(diǎn)閉合，既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。3-3三角波---正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理

三角波——正弦波的變換電路主要由差分放大電路來(lái)完成。

差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為：

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25oc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，由圖可見(jiàn)：傳輸特性曲線越對(duì)稱，線性區(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)。圖為實(shí)現(xiàn)三角波——正弦波變換的電路。其中Rp1調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp2調(diào)整電路的對(duì)稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來(lái)減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1,C2,C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。

三角波—正弦波變換電路三角波-正弦波變換3-4電路的參數(shù)選擇及計(jì)算

1.方波-三角波中電容C1變化（關(guān)鍵性變化之一）實(shí)物連線中，我們一開(kāi)始很長(zhǎng)時(shí)間出不來(lái)波形，后來(lái)將C2從10uf（理論時(shí)可出來(lái)波形）換成0.1uf時(shí)，順利得出波形。實(shí)際上，分析一下便知當(dāng)C2=10uf時(shí)，頻率很低，不容易在實(shí)際電路中實(shí)現(xiàn)。2.三角波-正弦波部分比較器A1與積分器A2的元件計(jì)算如下。由式（3-61）得

即

取，則

，取

，RP1為47KΩ的電位器。區(qū)平衡電阻

由式（3-62）

即

當(dāng)

時(shí)，取

，則

，取

，為100KΩ電位器。當(dāng)

時(shí)，取

以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻

。三角波—>正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：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。RE