模電課設-函數(shù)發(fā)生器

課程設計任務書學生姓名：專業(yè)班級：指導教師：工作單位：信息工程學院題目:函數(shù)發(fā)生器設計初始條件：集成運放NE5532，NPN型三極管，電位器，電阻，電容假設干。設計任務:課程設計工作量：利用集成運算放大器和晶體管差分放大器等設計一個方波－三角波－正弦波函數(shù)發(fā)生器。技術要求：〔1〕頻率可調(diào)范圍：10Hz~10kHz；〔2〕輸出電壓：正弦波VPP=0~3V,三角波VPP=0~5V,方波VPP=0~15V；〔3〕輸出電壓幅度連續(xù)可調(diào)〔4〕方波上升時間小于2微秒，三角波線性失真小于1%，正弦發(fā)揮局部〔1〕矩形波占空比50%~95%連續(xù)可調(diào)；〔2〕鋸齒波斜率連續(xù)可調(diào)。時間安排：〔1〕第17課本知識學習?！?〕第18理論設計、實驗設計及安裝調(diào)試?！?〕第十九周買元件焊接電路。指導教師簽名：2011年1月7日系主任〔或責任教師〕簽名：2011年月日目錄TOC\o"1-3"\f\h\u19312課程設計任務書122908摘要I58191.緒論1298941.1課程設計的目的和意義1300731.2設計的任務及要求1200521.2.1設計任務1288251.2.2要求126202.方案認證2264142.1函數(shù)信號發(fā)生器電路設計參考方案24402方案一：221833方案二：2298342.2方案選擇3323613．硬件電路設計4274793.1方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理41553.2三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理631125圖3.2.2三角波正弦波轉(zhuǎn)換8157533.3正弦波變方波的工作原理8125464.1三角波發(fā)生電路圖1016464附錄單元器件明細清單3318628參考文獻34摘要 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。為進一步掌握電路的根本理論及實驗調(diào)試技術，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計方法。AbstractFunctiongeneratorisusuallyreferredtoascanautomaticallygeneratesinewave,square,trianglespreadsawtoothwave,theladderwaveetcofthevoltagewaveformcircuitordevice.Differaccordingtoutility,haveproducedthreeormorewavefunctiongenerator,thedeviceusedcanbedividedequipments(suchaslowfrequencysignalfunctiongeneratorS101alladoptthetransistor),alsocanuseintegratedcircuits(suchasmonolithicfunctiongeneratormodule8038).Forfurthergraspthebasictheoryandexperimentcircuitdebugtechnology,thissubjectadoptsbyintegratedoperationalamplifierandtransistordifferentialamplifierscomposedofsquarewave-trianglewave-sinefunctiongeneratordesignmethod.Producesinewaveandsquare-wave,trianglewavesolutionsarevarious,suchasfirstproducesinewave,thenthroughplasticcircuitwillsinewavetransformChengFangBo,againbyintegralcircuitwillsquare-waveintotrianglewave.Alsocanproducetrianglesquarewave-first,thenputthetrianglewaveintosinewaveorwillsquare-waveintosinewave,etc.Thissubjectadoptsfirstproducesquare-wave-trianglewave,thenputthetrianglewavelettransformintosinewavecircuitdesignmethod.1.緒論1.1課程設計的目的和意義通過設計環(huán)節(jié)的實際訓練，加深學生對該課程根底知識和根本理論的理解和掌握，穩(wěn)固課堂教學，培養(yǎng)學生綜合運用所學知識的能力、動手實踐能力以及獨立思考能力，使之在理論分析、設計、計算、制圖、運用標準和標準、查閱設計手冊與資料以及計算機應用能力等方面得到初步訓練，為以后的學習打下良好的根底，促進學生養(yǎng)成嚴謹求實的科學態(tài)度。1.2設計的任務及要求1.2.1設計任務利用集成運算放大器和晶體管差分放大器等設計一個方波－三角波－正弦波函數(shù)發(fā)生器。1.2.2要求〔1〕頻率可調(diào)范圍：10Hz~10kHz；〔2〕輸出電壓：正弦波VPP=0~3V,三角波VPP=0~5V,方波VPP=0~15V；〔3〕輸出電壓幅度連續(xù)可調(diào)；〔4〕方波上升時間小于2微秒，三角波線性失真小于1%，正弦波失真度小于3%；2.方案認證2.1函數(shù)信號發(fā)生器電路設計參考方案方案一：〔如圖2.1.1所示〕RC文氏電橋振蕩器產(chǎn)生正弦波，方波-三角波產(chǎn)生電路可正弦波振蕩器采用波形變換電路,通過遲滯比擬器變換為方波,經(jīng)積分器獲得三角波輸出。此電路的輸出頻率就是就是RC文氏電橋振蕩器的振蕩頻率.圖2.1.1方案一原理框圖方案二：〔如圖2.1.2所示〕用遲滯比擬器與反相積分器首尾相串聯(lián)構(gòu)成方波-三角波產(chǎn)生電路，然后，采用差分放大器，作為三角波—正弦波變換電路利用差分對管的飽和與截止特性進行變換，此電路的輸出頻率就是就是方波-三角波產(chǎn)生電路的頻率，將正弦波用比擬器進行比擬產(chǎn)生方波，調(diào)節(jié)比擬電位，使得方波的占空比可以改變。圖2.1.2方案二原理框圖2.2方案選擇 方案一中RC文氏電橋正弦波振蕩電路中負反應電路中的電位器RW的細心調(diào)節(jié)，RW過大：輸出方波！RW過?。弘娐凡黄鹫?！并且該電路中調(diào)節(jié)波形和穩(wěn)幅控制都不易實現(xiàn)；方案二中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。綜上所述，方案二要比方案一易于實現(xiàn)，并且輸出波形穩(wěn)定，易于控制，因此本次課程設計選擇方案二實現(xiàn)函數(shù)信號發(fā)生器的設計與制作。圖2.2.1所選方案原理方框圖及對應波形3．硬件電路設計3.1方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理〔如圖3.1.1所示〕此電路由反相輸入的滯回比擬器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反應網(wǎng)絡，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。設某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,那么同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當t趨于無窮時，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Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時間逐漸增長而減低，當t趨于無窮大時，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，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。圖3.1.1方波—三角波產(chǎn)生電路3.1.2輸出波形圖3.1.3傳輸特性工作原理如下：假設a點斷開，運算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比擬器，C1為加速電容，可加速比擬器的翻轉(zhuǎn)。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Uo1=+Vcc,那么將上式整理，得比擬器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia-為假設Uo1=-Vee,那么比擬器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為比擬器的門限寬度由以上公式可得比擬器的電壓傳輸特性，如圖3.1.3所示。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Uo2為時，時，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，其波形關系下列圖所示。a點閉合，既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，不會影響輸出波形的幅度。假設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)。方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+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。3.2三角波正弦波轉(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：式中——差分放大器的恒定電流；——溫度的電壓當量，當室溫為25oc時，UT≈26mV。如果Uid為三角波，設表達式為圖3.2.1三角波——正弦波的變換電路式中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：傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。圖為實現(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，C5為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。圖3.2.2三角波正弦波轉(zhuǎn)換3.3正弦波變方波的工作原理過零比擬器，顧名思義，其閾值電壓UT=0V。電路如圖(a)所示，集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為+UOM或-UOM。當輸入電壓uI<0V時，UO=+UOM；當輸入電壓uI>0V時，UO=-UOM。過壓比擬器就是在改變參考電位的根底上產(chǎn)生的。3.4元件的選擇及主要參數(shù)頻率調(diào)節(jié)局部設計時，可先按三個頻率段給定三個電容值：0.01μF、0.1μF、1μF然后再計算R的大小。手控與壓控局部線路要求更換方便。為滿足對方波前后沿時間的要求，以及正弦波最高工作頻率〔10kHz〕的要求，在積分器、比擬器、正弦波轉(zhuǎn)換器和輸出級中應選用Sr值較大的運放〔如NE5532〕。為保證正弦波有較小的失真度，應正確計算二極管網(wǎng)絡的電阻參數(shù)，并注意調(diào)節(jié)輸出三角波的幅度和對稱度。輸入波形中不能含有直流成分。隔直電容C要取得很大，因為輸出頻率較低，取470μF，濾波電容視輸出的波形而定，假設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。R16=100歐與R17=100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R174及電阻R18確定。4.電路仿真圖4.1三角波發(fā)生電路圖圖４.１三角波發(fā)生電路4.2正弦波發(fā)生電路圖圖4.2正弦波發(fā)生電路4.3方波發(fā)生電路圖4.3方波信號發(fā)生電路4.4方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路圖4.4方波-三角波-正弦波信號發(fā)生電路5仿真波形圖5.1方波圖5.1方波信號仿真波形圖5.2三角波圖5.2三角波信號仿真波形圖5.3正弦波圖5.3正弦波信號仿真波形圖5.4不同頻率不同幅值的波形圖圖5.4方波Vpp=15V三角波Vpp=3V圖5.510.58Hz下方波Vpp=15V三角波Vpp=5V圖5.610.579Hz下方波Vpp=２V三角波Vpp=２V圖5.７34.869Hz下方波Vpp=15V三角波Vpp=5V圖5.834.951Hz下方波Vpp=2V三角波Vpp=2V圖5.9347.34Hz下方波Vpp=15V三角波Vpp=5V圖5.101.46KHz下方波Vpp=15V三角波Vpp=5V圖5.1111.231Hz下正弦波Vpp=3V圖5.1282.464Hz下正弦波Vpp=3V圖5.13正弦波Vpp=2V圖5.14正弦波Vpp=1v圖5.157.744Hz下正弦波Vpp=3v圖5.167.685Hz下正弦波Vpp=2V5.5仿真結(jié)果分析信號頻率可通過電位器Ｒ5來改變，起調(diào)節(jié)頻率范圍滿足10Hz~10kHz的范圍要求。方波的幅值可通過電位器R23實現(xiàn)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍0V~15V，滿足要求；三角波信號的幅值可通過R25實現(xiàn)調(diào)節(jié)，也可通過R9調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍0V~7.2V；正弦波信號幅值可通過R22和R24實現(xiàn)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍0V~4.7V；方波三角波波形穩(wěn)定，不失真，正弦波波形易失真，需要耐心調(diào)節(jié)，主要有以下三種失真：a.鐘形失真：傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬。b.半波圓定或平頂失真：傳輸特性曲線對稱性差，工作點Q偏上或偏下，應調(diào)整電阻.c.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?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡改善輸出波形。圖5.17正弦波信號失真示意圖5.6實物圖圖5.18方波-三角波-正弦波信號發(fā)生器實物圖6.心得體會本次課設歷時三周多，剛開始夜郎自大，自以為學了課本上的知識就能輕易而舉的搞定，直到動手設計時才發(fā)現(xiàn)事情并沒有想象中那么簡單。由于沒有任何經(jīng)驗，設計電路圖時無從下手，只知道方案卻對細節(jié)一無所知。于是開始看書，上網(wǎng)去圖書館書城查資料。慢慢的思路就清晰起來，設計了幾個電路圖開始仿真，第一次使用Multisim又遇到了同樣的問題，面對界