方波、三角波、正弦波函数信号发生器

信号发生器电路队员：指导教师：二〇一六年一月目录11函数发生器的总方案及原理框图……………………………………………（1）1.1电路设计原理框图………………………………………（1）2设计的目的及任务………………………………………………………（2）2.1课程设计的任务与要求……………………………………（2）2.2课程设计的技术指标………………………………………（2）3各部分电路设计…………………………………………………………（3）3.1方波发生电路的工作原理…………………………………（3）3.2方波---三角波转换电路的工作原理……………………（3）3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理…………………（6）3.4电路的参数选择及计算……………………………………（8）3.5总电路图……………………………………………………（10）4电路仿真…………………………………………………………………（11）4.1仿真电路图……………………………（11）4.2方波---三角波发生电路的仿真……………………………（11）4.3三角波---正弦波转换电路的仿真…………………………（12）5电路的焊接与调试………………………………………………………（13）5.1焊接实物图……………………（13）5.2方波---三角波发生电路的调试……………………（13）5.3三角波---正弦波转换电路的调试…………………（13）21．函数发生器总方案及原理框图1.1原理框图2．课程设计的目的和设计的任务2.1设计任务设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器2.2课程设计的要求及技术指标1．设计、组装、调试函数发生器2．输出波形：正弦波、方波、三角波；3．频率范围：在1－10Hz,10－100Hz范围内可调；4．输出电压：方波UＰ－Ｐ≤24V，三角波UＰ－Ｐ＝8V，正弦波UＰ－Ｐ1V；5.波形特性：方波tr30um,三角波r△2%，正弦波r△5%3．各组成部分的工作原理3.1方波发生电路的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回路既作为延迟环节，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的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。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-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。33.2方波---三角波转换电路的工作原理R112354U1R2R350%Rp1R450%Rp212354U2C1R17方波—三角波产生电路mopURRRU2132T131242)(4ppRRCRRRT4工作原理如下：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312231231()0CCiaRRPRUVURRRPRRRP将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为223131()CCCCiaRRUVVRRPRRP若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为223131()EECCiaRRUVVRRPRRP比较器的门限宽度2312HCCiaiaRUUUIRRP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214221()OOUUdtRRPC51OCCUV时，2422422()()()CCCCOVVUttRRPCRRPC1OEEUV时，2422422()()()CCEEOVVUttRRPCRRPC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2231OmCCRUVRRP方波-三角波的频率f为3124224()RRPfRRRPC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。3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理6三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。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：022/1idTCEUUaIIaIe011/1idTCEUUaIIaIe式中/1CEaII0I——差分放大器的恒定电流；TU——温度的电压当量，当室温为25oc时，UT≈26mV。如果Uid为三角波，设表达式为44434midmUTtTUUTtT022TtTtT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：7（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。3.4电路的参数选择及计算1.方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一）实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。2.三角波——正玄波部分比较器A1与积分器A2的元件计算如下。由式（3-61）得2231OmCCRUVRRP即223141123OmCCURRRPV取210RK，则3130RRPK，取320RK，RP1为47KΩ的点位器。区平衡电阻1231//()10RRRRPK由式（3-62）3124224()RRPfRRRPC即3141224RRPRRPRC当110ZHf时，取210CF，则42(75~7.5)RRPk，取45.1Rk，为8100KΩ电位器。当10100ZHf时，取21CF以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻510Rk。三角波—正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取345470CCCF，滤波电容6C视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，6C可取得较小，6C一般为几十皮法至0.1微法。RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R*确定。3.5总电路图三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路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。94．电路仿真4.1仿真电路4.2方波---三角波发生电路的仿真104.3三角波---正弦波转换电路的仿真11125电路的焊接与调试5.1焊接实物图135.2方波---三角波发生电路的调试1.调试方波——三角波产生电路1.接入电源后，用示波器进行双踪观察；2.调节RP1，使三角波的幅值满足指标要求；3.调节RP2，微调波形的频率；4.观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装。2.1~10Hz电路的调试143.10~100Hz电路的调试155.2三角波---正弦波转换电路的调试1.调试三角波——正弦波变换电路1.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；2.测试V1、V2的电容值，当不相等时调节RP4使其相等；3.测试V3、V4的电容值，使其满足实验要求；4.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；2.1~10Hz电路的调试163.10~100Hz电路的调试17187．实验总结为期一个星期的课程设计已经结束，在这一星期的学习、设计、焊接过程中我感触颇深。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、焊接方法；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的团队合作水平，使我们配合更加默契，体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦。在实验过程中，我们遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。在老师和同学的帮助下，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啊。实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，老师们不厌其烦地为我们调整波形，讲解知识点，实在令我感动。还有就是在实验中，好多同学被电烙铁烫伤了，这不得不让我想起安全问题，所以在以后的实验中我们应该注意安全，让不必要的伤害减至最少。还有值得我们自豪的一点就是我们的线路连得横竖分明，简直就是艺术啊，最后用一句话来结束吧。“实践是检验真理的唯一标准”。与君共勉。198．仪器仪表清单设计所用仪器及器件1．直流稳压电源1台2．双踪示波器1台3．万用表1只4．运放7412片5．电位器50K2只100K1只100Ω1只6．电容470μF3只10μF1只1μF1只0.1μF2只0.01μF1只7．三极管90134只8．面包板1块9．剪刀１把10．仪器探头线2根11．电源线4根209．参考文献童诗白主编．模拟电子技术基础（第三版）．北京：高教出版社，2001李万臣主编．模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，2001.3胡宴如主编.模拟电子技术.北京.高等教育出版社，2000