函数发生器设计

课程设计任务书学院：电气工程及其自动化学院专业班级：学生姓名：学号：指导教师：闫晓梅时间：2014年12题目:函数发生器设计课程设计目的：1）掌握电子系统的一般设计方法；2）培养综合应用所学知识来指导实践的能力；3）掌握常用元器件的识别和测试；4）熟悉常用仪表并且了解电路调试的基本办法。课程设计内容和要求：1）输出波形：正弦波、方波、三角波等；2）频率范围：10Hz～10kHz；3)输出电压：方波Up-p=15V，三角波Up-p=5V，正弦波Up-p=3V；4)波形特征：方波的上升时间T2ms，三角波失真系数THD1%，正弦波失真系数THD3%；5）单元电路设计，进行必要的计算；初始条件：恒压源，运算放大器，万用电路板，电容，三极管，开关，导线。时间安排：第17周：理论讲解；第18周：理论设计及实验室安装调试；第19周：撰写设计报告及答辩。指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日摘要函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、含方波、正弦波的电路。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法，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。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。经过仿真得出了方波、三角波、正弦波、方波。1.方案的论证与比较1．1方案一采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率相信都很难控制。1.2方案二采用传统的直接频率合成器。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。1．3方案三由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。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时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。本电路可以很好的结合已学的知识与实践，且输出波形幅度及频率均可通过改变元件参数进行调整，方便且成本较低。综合以上对各个方案优劣势的分析，最终选择了方案三做为本次模拟电子技术课程设计的总设计方案。2．课程设计的目的和任务2.1设计目的1）掌握电子系统的一般设计方法；2）培养综合应用所学知识来指导实践的能力；3）掌握常用元器件的识别和测试；4）熟悉常用仪表并且了解电路调试的基本办法。2.2设计任务设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器2.3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10Hz－10kHz范围内连续可调；4）输出电压：方波Up-p≤15V，三角波Up－p≤5V，正弦波Up－p≤3V。3．单元电路原理及设计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。3.2方波---三角波转换电路的工作原理3.2方波---三角波转换电路的工作原理图1方波—三角波产生电路…………………………………………………公式（1）…………………………………………………公式（2）图2迟滞电压传输特性mopURRRU2132T131242)(4ppRRCRRRT图3三角波发生器工作波形工作原理：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…………………………公式（3）将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为223131()CCCCiaRRUVVRRPRRP……………………………公式（4）若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为223131()EECCiaRRUVVRRPRRP……………………………………公式（5）比较器的门限宽度2312HCCiaiaRUUUIRRP………………………公式（6）由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图所示。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………………………………………………公式（7）1OCCUV时，2422422()()()CCCCOVVUttRRPCRRPC…………………公式（8）1OEEUV时，2422422()()()CCEEOVVUttRRPCRRPC…………………公式（9）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………………………………………………………公式（10）方波-三角波的频率f为3124224()RRPfRRRPC…………………………………………………公式（11）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图4三角波产生电路三角波——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………………………………………………公式（12）011/1idTCEUUaIIaIe………………………………………………公式（13）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……………………公式（14）式中Um——三角波的幅度；T——三角波的周期。1）为使输出波形更接近正弦波，由图可见：2）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；3）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。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。C4-12VVCCR5R6R7R8R9R11-12VVCCR1250%R13C5C2R14IO2图5三角波—正弦波变换电路图6正弦波分析图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-正弦波部分比较器A1与积分器A2的元件计算如下。由式（3-61）得2231OmCCRUVRRP…………………………………………（15）即223141123OmCCURRRPV……………………………………………………（16）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……………………………………………(17）即3141224RRPRRPRC…………………………………………………………（18）当110ZHf时，取210CF，则42(75~7.5)RRPk，取45.1Rk，为100KΩ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50%R10C3R112354U1R2R350%Rp1R450%Rp212354U2C1R17C412VVCCR5R6R7R8R9R11-12VVCC1R1250%R13C5C2R14图7函数发生器总图4．函数发生器总方案及原理框图4.1原理框图图8函数信号发生器框图4.2函数发生器的总方案函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件(如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定