模電課程設(shè)計-函數(shù)發(fā)生器

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1.函數(shù)發(fā)生器的幾種設(shè)計方法2.1基于555的函數(shù)發(fā)生器設(shè)計2.2基于ICL8038函數(shù)發(fā)生器設(shè)計2.3基于單片機的函數(shù)發(fā)生器設(shè)計2.函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計框圖3.函數(shù)發(fā)生器工作原理4.1函數(shù)發(fā)生器原理圖4.2方波—三角波產(chǎn)生電路4.3三角波—正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理4.電路的參數(shù)選擇及計算5.1方波-三角波中電容C1變化5.2三角波—正弦波局部5.3函數(shù)發(fā)生器的電路圖5.電路仿真6.1方波--三角波發(fā)生電路的仿真及實物波形6.電路的安裝與調(diào)試7.1方波—三角波發(fā)生器的裝調(diào)7.2三角波—正弦波變換電路的裝調(diào)7.實驗心得1函數(shù)發(fā)生器的幾種設(shè)計方法1.1基于555的函數(shù)發(fā)生器設(shè)計通過555定時器進行函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計，電路簡單，本錢低廉。555定時器是集模擬電路和數(shù)字電路為一體的中規(guī)模集成電路，只要適當(dāng)配接少量的外圍元件，可以方便的構(gòu)成脈沖產(chǎn)生電路、脈沖變換電路及其它具有定時功能的電路。設(shè)計思路為：由555定時器構(gòu)成的多諧自激震蕩器得到方波；方波通過一階RC積分電路得到三角波；三角波再通過二階RC積分電路得到正弦波。圖圖1-1-1555定時器構(gòu)成的函數(shù)發(fā)生器圖圖1-1-2電路仿真波形圖由555定時器構(gòu)成的函數(shù)發(fā)生器，電路簡單，本錢低廉，如稍許增加正弦波放大電路及幅度調(diào)節(jié)電路，即可構(gòu)成簡單實用的信號源。1.2基于ICL8038函數(shù)發(fā)生器設(shè)計ICL8038的工作頻率范圍在幾赫茲至幾百千赫茲之間，它可以同時輸出方波〔或脈沖波〕、三角波、正弦波。其內(nèi)部組成如下圖。輸出波形頻率可變且精確度高，當(dāng)輸出波形頻率小于10KHz時，誤差僅為0.8%。圖圖1-2-1ICL8038其中，振蕩電容C由外部接入，它是由內(nèi)部兩個恒流源來完成充電放電過程。恒流源2的工作狀態(tài)是由恒流源1對電容器C連續(xù)充電，增加電容電壓，從而改變比擬器的輸入電平，比擬器的狀態(tài)改變，帶動觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)來連續(xù)控制的。當(dāng)觸發(fā)器的狀態(tài)使恒流源2處于關(guān)閉狀態(tài)，電容電壓到達比擬器1輸入電壓規(guī)定值的2／3倍時，比擬器1狀態(tài)改變，使觸發(fā)器工作狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，將模擬開關(guān)K由B點接到A點。由于恒流源2的工作電流值為2I，是恒流源1的2倍，電容器處于放電狀態(tài)，在單位時間內(nèi)電容器端電壓將線性下降，當(dāng)電容電壓下降到比擬器2的輸入電壓規(guī)定值的1／3倍時，比擬器2狀態(tài)改變，使觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)回到原來的狀態(tài)，這樣周期性的循環(huán)，完成振蕩過程。在以上根本電路中很容易獲得3種函數(shù)信號，假設(shè)電容器在充電過程和在放電過程的時間常數(shù)相等，而且在電容器充放電時，電容電壓就是三角波函數(shù)，三角波信號由此獲得。由于觸發(fā)器的工作狀態(tài)變化時間也是由電容電壓的充放電過程決定的，所以，觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，就能產(chǎn)生方波函數(shù)信號，在芯片內(nèi)部，這兩種函數(shù)信號經(jīng)緩沖器功率放大，并從管腳3和管腳9輸出。圖圖1-2-2ICL8038圖1-2-2為ICL8038的管腳圖，下面介紹各引腳功能。腳1、12〔SineWaveAdjust〕：正弦波失真度調(diào)節(jié)；腳2〔SineWaveOut〕：正弦波輸出；腳3〔TriangleOut〕：三角波輸出；腳4、5〔DutyCycleFrequency〕：方波的占空比調(diào)節(jié)、正弦波和三角波的對稱調(diào)節(jié)；腳6〔V＋〕：正電源±10V～±18V；腳7〔FMBias〕：內(nèi)部頻率調(diào)節(jié)偏置電壓輸；腳8(FMSweep)：外部掃描頻率電壓輸入；腳9〔SquareWaveOut〕：方波輸出，為開路結(jié)構(gòu)；腳10〔TimingCapacitor〕：外接振蕩電容；腳11〔V－orGND〕：負電原或地；腳13、14〔NC〕：空腳。圖圖2-2-3ICL8038組成的音頻函數(shù)發(fā)生器圖圖1-2-4ICL8038通過調(diào)節(jié)RV2的位置，即可調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器的輸出震蕩頻率的大小圖圖1-2-51.3基于單片機的函數(shù)發(fā)生器設(shè)計可以以AT89C52單片機為核心，選用DAC0832為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，并輔以必要的模擬電路，設(shè)計基于AT89C52單片機的函數(shù)發(fā)生器。該方案的主要思路是采用編程的方法來產(chǎn)生希望得到的波形，用戶將要輸出的波形預(yù)先儲存在半導(dǎo)體存儲器中，在需要某種波形時將存儲在存儲器中的數(shù)據(jù)依次讀出來，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換、濾波等處理后，輸出該波形信號。該方案優(yōu)點是輸出信號的頻率穩(wěn)定抗干擾能力強，實現(xiàn)任意波形的信號容易，可通過外置按鍵或鍵盤來設(shè)定所需要產(chǎn)生信號源的類型和頻率，還可以通過顯示器顯示波形的相關(guān)信息。缺乏之處是由于單片機的處理數(shù)據(jù)速度有限，當(dāng)產(chǎn)生頻率比擬高的信號時，輸出波形的質(zhì)量將下降。2函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計框圖函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方涉及鋸齒波、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，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊AT89C52)。為進一步掌握電路的根本理論及實驗調(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運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)計方法。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鹊取１菊n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)計方法，本課題中函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖圖1-1所示：圖2圖2-1-1由比擬器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路，比擬器輸出的方波經(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完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，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函數(shù)發(fā)生器工作原理3.1函數(shù)發(fā)生器原理圖圖圖3-1三角波—方波—正弦波函數(shù)發(fā)生器實驗電路3.2方波—三角波產(chǎn)生電路20圖4-2-1所示電路能自動產(chǎn)生方波—三角波。其電路的工作原理如下：圖圖3-2-1方波—假設(shè)放大器A1同相輸入端a點斷開，運算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比擬器。運放的反相端接基準電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比擬器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負電源電壓-Vee〔|+Vcc|=|-Vee|〕,當(dāng)比擬器的U+=U-=0時，比擬器翻轉(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,那么〔3-2-1〕式中RP1指電位器的調(diào)整值〔以下同〕。將上式整理，得比擬器翻轉(zhuǎn)的下門限電位Uia-為〔3-2-2〕假設(shè)Uo1=-Vee,那么比擬器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為〔3-2-3〕比擬器的門限寬度〔3-2-4〕由式〔4-2-1〕～〔4-2-4〕可得比擬器的電壓傳輸特性，如圖4-2-2所示。圖圖3-2-2圖圖3-2-3方波—當(dāng)比擬器的門限電壓為Via+時輸出Vo1為高電平〔+Vcc)。這時積分器開始反向積分，三角波Vo2線性下降。當(dāng)Vo2下降到比擬器的下門限電位Via－時，比擬器翻轉(zhuǎn)，輸出Vo1由高電平跳到低電平。這時積分器又開始正向積分，Vo2線性增加。如此反復(fù)，就可自動產(chǎn)生方波-三角波。A點斷開后，運放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，那么積分器的輸出〔3-2-5〕當(dāng)時，〔3-2-6〕當(dāng)時，〔3-2-7〕可見，積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形如下圖4-a點閉合，即比擬器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，那么自動產(chǎn)生方波—三角波。三角波的幅度〔3-2-8〕方波-三角波的頻率為〔3-2-9〕由式〔3-2-8〕以及〔3-2-9〔1〕電位器RP2在調(diào)整方波—三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。假設(shè)要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實現(xiàn)頻率微調(diào)。〔2〕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)不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可實現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波-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完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點漂移，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。分析說明，傳輸特性曲線的表達式為：〔3-3-1〕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攝氏度時，UT≈26mV。如果Uid為三角波，設(shè)表達式為〔3-3-2〕式中Um—三角波的幅度；T—三角波的周期。將式〔3-3-2〕代入式〔3-3-1〔3-3-3〕用計算機對式〔3-3-3〕進行計算，打印輸出的ic1(t)或ic2(t)曲線近似于正弦波，那么差分放大器的輸出電壓vc1(t)、vc2(t)亦近似于正弦波，波形變換過程如圖3-3-1圖3圖3-3-1三角波—為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見要求：傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好。三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管截止電壓。圖3-3-2為實現(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)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1、C2、C3為隔直電容，C4圖圖3-3-2三角波—正弦波變換4.電路的參數(shù)選擇及計算4.1方波-三角波中電容C1變化實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，后來將C2從10uf〔理論時可出來波形〕換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當(dāng)C2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現(xiàn)。4.2三角波—正弦波局部比擬器A1與積分器A2的元件計算如下。由式〔4-2-8〕得〔4-2-1〕取，取，為的電位器。取平衡電阻由式〔4-2-9〕得〔4-2-2〕當(dāng)時，取，那么，取，為電位器。當(dāng)時，??；當(dāng)時，取以實現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，及的取值不變。取平衡電阻。三角波—正弦波變換電路的參數(shù)選擇原那么是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，假設(shè)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。歐與歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整及電阻確定。4.3函數(shù)發(fā)生器的電路圖函數(shù)發(fā)生器整體電路圖如下圖4-3-1。圖4-3-1圖4-3-1三角波—方波—正弦波函數(shù)發(fā)生器實驗電路電路先通過比擬器產(chǎn)生方波，再通過積分器產(chǎn)生三角波，最后通過差分放大器形成正弦波。5.電路仿真5.1方波--三角波發(fā)生電路的仿真及實物波形畫出電路圖，并完成仿真，如圖5-1-1、5-1-2、5-1-3分別為方波、三角波、正弦波的輸出波形。圖圖5-1-1輸出方波圖圖5-1-2輸出三角波圖圖5-1-3輸出正弦波以下是實物波形圖：圖圖5-1-4函數(shù)發(fā)生器輸出正弦波圖圖5-1-5函數(shù)發(fā)生器輸出三角波圖圖5-1-6函數(shù)發(fā)生器輸出正弦波6電路的安裝與調(diào)試方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級單元電路組成的,在裝調(diào)多級電路時通常按照單元電路的先后順序分級裝調(diào)與級聯(lián)。6.1方波—三角波發(fā)生器的裝調(diào)由于比擬器A1與積分器A2組成正反應(yīng)閉環(huán)電路，同時輸出方波與三角波，這兩個單元電路可以同時安裝。需要注意的是，安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計值，如設(shè)計舉例題中，應(yīng)先使RP1=10KΩ,RP2取〔2.5-70〕KΩ內(nèi)的任一值,否那么電路可能會不起振。只要電路接線正確，上電后，UO1的輸出為方波，UO2的輸出為三角波，微調(diào)RP1,使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計指標要求有，調(diào)節(jié)RP2，那么輸出頻率在對應(yīng)波段內(nèi)連續(xù)可變。6.2三角波—正弦波變換電路的裝調(diào)按照圖3-3-1所示電路，裝調(diào)三角波—正弦波變換電路，其中差分發(fā)大電路可利用課題三設(shè)計完成的電路。電路的調(diào)試步驟如下。差分放大器傳輸特性曲線調(diào)試。將C4與RP3的連線斷開，經(jīng)電容C4輸入的差摸信號電壓Uid=50v，fi=100Hz正弦波。調(diào)節(jié)RP4及電阻R*,是傳輸特性曲線對稱。在逐漸增大Uid。直到傳輸特性曲線形狀入圖4-1-3所示波形，記下次時對應(yīng)的Uid即Uidm值。移去信號源，再將C5左段接地，測量差份放大器的靜態(tài)工作點I0、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。三角波—正弦波變換電路調(diào)試。將RP3與C5連接，調(diào)節(jié)RP3使三角波俄輸出幅度〔經(jīng)RP3〕等于Uidm值，這時Uo3的輸出波形應(yīng)接近正弦波，調(diào)節(jié)C*7大小可改善輸出波形。如果Uo3的波形出現(xiàn)以下幾種正弦波失真，那么應(yīng)調(diào)節(jié)和改善參數(shù)，產(chǎn)生失真的原因及采取的措施如下。鐘形失真：傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬，應(yīng)減小Re2。半波圓定或平頂失真：傳輸特性曲線對稱性差，靜態(tài)工作點Q偏上或偏下，應(yīng)調(diào)整電阻R*。非線性失真：三角波傳輸特性區(qū)線性度差引起的失真，主要是受到運放的影響。可在輸出端加濾波網(wǎng)絡(luò)改善輸出圖8-1-1圖8-1-1實物圖正面圖8-1-2實物圖反面圖7-1-3方波調(diào)試過程圖8-1-5圖7-1-3方波調(diào)試過程圖8-1-5三角波調(diào)試過程圖8-1-5正弦波調(diào)試過程課程設(shè)計是繼專業(yè)理論學(xué)習(xí)和實驗教學(xué)之后又一重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。它的任務(wù)是在學(xué)生掌握和具備電子技術(shù)知識與單元電路的設(shè)計能力之后，綜合所學(xué)知識進一步學(xué)習(xí)電子電路系統(tǒng)的設(shè)計方法和實驗方法，為今后從事電子技術(shù)領(lǐng)域的工程設(shè)計打好根底根本要求。圖7-1-4圖7-1-4正弦波調(diào)試過程在制作實驗報告時，發(fā)現(xiàn)只有細心耐心恒心一定要有才能做好事情，首先是線的布局上既要美觀又要實用和走線簡單，兼顧到方方面面去考慮是很需要的，否那么只是一紙空話。其中遇到的問題，方波的占空比不是50%，仿真出錯的結(jié)果，好久都沒有找到原因，后來學(xué)長說這個運放在仿真中不是理想的，所以導(dǎo)致兩端輸出的電壓不同，引起的占空比不為50%。后來選用了個質(zhì)量好些的運放，解決了這個問題。經(jīng)過一個星期的實習(xí)，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我們也失落過，也曾一度熱情高漲。從開始時滿富盛激情到最后汗水背后的復(fù)雜心情，點點滴滴無不令我回味無長；生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，