4函数信号发生器的制作

项目四函数信号发生器的制作4.1■项目描述函数信号发生器能够输出正弦波、方波、三角波等波形的常用电子仪器。本项目主要选用运算放大器LM324制作一个简易函数信号发生器。4.2■项目资讯信号发生器由“RC文氏桥式振荡器”、“过零电压比较器”及“反相积分电路”几部分构成。过零电压比较器反相积分电路RC文氏桥式振荡器集成运算放大器■实例引入——心率测量4.2.1集成运放的非线性应用upuNouuuoAod+Uom－Uom0uouiUO只有两种可能，+Uom或者-Uom非线性区(开环、正反馈)u+u-uo=+Uomu+u-uo=-Uom1.电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：模数转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。运放工作在非线性区（开环状态或引入正反馈）电压传输特性–Uom+Uom运放处于开环状态(1)单值电压比较器阈值电压(门限电平)Uth：输出跃变所对应的输入电压uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––当u+u–时，uo=+Uomu+u–时，uo=–Uom即uiUR时，uo=+UomuiUR时，uo=–Uom参考电压UthuitOUROuot+Uom–Uomt1t21）单限电压比较器：当ui单方向变化时，uo只变化一次。URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uom+UomuiuoOURuiUR，uo=+UomuiUR，uo=–UomURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++–––Uom+UomuiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uom+UomuiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+Uom–Uomuo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot+Uom–Uomt1t2静电指示器2）输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则uiUR，uo=UZuiUR，uo=–UZUZ–UZuo'RDZURuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uom+UomuiuoOURuiUR时，uo'=+UomuiUR时，uo'=–Uom3）过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uom+UomuiuoOUR=0tuiOtuo+Uom–UomO单限电压比较器电路结构简单、灵敏度高，但抗干扰能力较差。优点缺点0tuo干扰引起系统误动作解决措施采用迟滞比较器比较器对输入电压的分辨能力（2）迟滞比较器上门限电压下门限电压电路中引入正反馈RFUU当uo=+Uom，则当uo=–Uom，则iuu门限电压受输出电压的控制R2uoui++–R1+–+–oFuRRRu22)(om22URRRUuF)(22omFURRRUuUUuU+'上门限电压U+''下门限电压U+''-U+'称为回差omF22URRRU+''om2F2URRR-U+'传输特性uiuoO–Uom+Uom两次跳变之间具有迟滞特性——迟滞比较器上门限电压U'+：ui逐渐增加时的门限电压下门限电压U+：ui逐渐减小时的门限电压uitOuoOt+Uom–UomUURFR2uoui++–R1+–+–uoui0+Uom-UomU+HU+L)(omF22URRRu改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。可见：传输特性不再对称于纵轴，UU+UR–RFR2uoui++–R1+–+–uiuoO–Uom+Uom电压传输特性当参考电压UR不等于零时uRF2FURRR0tuo回差电压越大，比较器抗干扰能力越强。Uth1Uth2+UOM-UOM只要干扰大小在回差以内，电路不受影响解：对图（1）上门限电压V2om22）（URRRUF下门限电压V2V22omFURRRU例：电路如图所示，Uom=±6V，UR=5V，RF=20k，R2=10k，求上、下门限电压。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）解：对图（2）例：电路如图所示，Uom=±6V，UR=5V，RF=20k，R2=10k，求上、下门限电压。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）V33.5V22RFFURRRUV33.1V22RFFURRRU（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）uiuoO-6-226图(1)的电压传输特性图(2)的电压传输特性uouiO-661.335.33■实例解读——沐浴限时器1设计原理2淋浴限时器电路迟滞比较器单限比较器+-uiuORRUR1-+RRUR2RLuO1uO2（3）窗口比较器21RRUU要求或门电路输入信号uO1uO2uOuiUR1UR2uiUR2UR1UR2uiUR1电压传输特性：0uiuOUOHUR2UR1UOHUOLUOHUOLUOHUOHUOLUOL0+-uiuORRUR1-+RRUR2RLuO1uO221RRUU如果输入信号uO1uO2uOuiUR2UR1UOHUOLUOHuiUR1UR2UOLUOHUOHUR1uiUR2UOHUOHUOH电压传输特性：0uiuOUOHUR1UR221RRUU要求运放在波形产生方面的应用波形发生器的作用：产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。特点：不用外接输入信号，即有输出信号。2.方波发生器矩形波发生器uc+–UR+–uo△＋＋RoUzDZR2R1RFC过零迟滞电压比较器RC充放电电路输入电压参考电压设电源接通时，uo=+UZ，uc(0)=0。uo通过RF对电容C充电。1.设uo=+UZ,uC=0此时，输出给C充电!则：u+=Uth1tuoUZ-UZUth1uct一旦uc=Uth1,在ucUth1时，u-u+；uo保持+UZ不变；uo立即由＋UZ变成－UZ。++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-工作原理此时，C经输出端放电。2.当uo=-UZ时，u+=Uth2当uc=Uth2时，uo=UZ。Uth1uctUth2当uo重新回到＋UZ以后，电路又进入另一个周期性的变化。++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-工作原理0Uth1uctUth2UZuo0t-UZT输出波形：++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-工作波形Z212URRR－UztOuo,uCZ212URRR－UZ+UZ+UzA1：过零迟滞比较器因u–=0，所以当u+=0时，A1状态改变3.三角波发生器A2：反相积分电路Cuo1R3VSR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1RF工作原理A1：滞回比较器因u-=0，所以当u+=0时，A1状态改变输出uo1改变(+UZ跃变到–UZ或–UZ跃变到+UZ)，0o2111o2121uRRRuRRRu当时，即当ZooURRuRRu12112同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。Cuo1R3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R1回顾:反相积分器dtuCR1ui2oui-++R2R’Cuoui=-UZui=+UZtuo0+Uom-Uom2th1Zo1Z1RU=U,=-URu2th2Zo1Z1RUU,uUR00uo1t＋UZ－UZuo2tUth1Uth22121oouudtRCCuo1R3DZR2++–R6uoR5R4+–++–A2A1R1振荡器：信号产生电路分类：正弦波振荡非正弦波振荡：RC振荡器(1kHz~数百kHz)LC振荡器(几百kHz以上)石英晶体振荡器(频率稳定度高)方波、三角波、锯齿波等主要性能要求：输出信号的幅度准确稳定输出信号的频率准确稳定正弦波振荡电路自激振荡现象当扩音器的音量开得太大时，会引起一阵刺耳的哨叫声。放大电路在没有输入信号的情况下有输出信号，即产生了自激振荡。声波感应电压电压放大正反馈（1）振荡条件微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐放大，则产生正弦振荡。;ioUUAu•••;ofUUFu•••1uuFA••—振幅平衡条件π2FAAFn—相位平衡条件n=0,1,2,1uuFA••合闸瞬间电流突变在电路处在稳定工作状态，没有输入情况下，维持不变，就必须：ifUU0U放大电路A反馈电路F+-uo+-1+-uf2ui1)(AF)(FAFAfafa1)()(FA幅值平衡条件n2)()(fa相位平衡条件（n为整数）相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。（1）振荡条件（2）起振条件起振条件π2AFn1AF••iouuAuofuuFu放大器Au反馈网络FuUoUfUiuf起振稳幅起振时反馈信号比输入信号幅值要大（3）稳幅条件π2AFn1AF••稳幅时反馈信号与输入信号幅值相等RC选频网络正反馈网络同相比例电路放大信号用正反馈信号uf作为输入信号选出单一频率的信号1.电路结构uf–+R1++∞RFR3C1R2C2–uO–+4.2.2RC正弦波振荡电路传输系数：C//RCRC//RUUFj1j1j1121U2U。。RCRC。+–+–。)j(31oo式中：RC1o分析上式可知：仅当=o时，达最大值，且u2与u1同相，即网络具有选频特性，fo决3112UU定于RC。2.工作原理输出电压uo经正反馈（兼选频）网络分压后，取uf作为同相比例电路的输入信号ui。(1)起振过程31VF1FAV3VA起振条件：1f1RRAV即Rf2R1（略大于）(1)起振过程A=0，仅在f0处F=0满足相位平衡条件，所以振荡频率f0=12RC。(3)稳定振荡改变R、C可改变振荡频率(2)振荡频率振荡频率由相位平衡条件决定。RCff210振荡频率的调整++∞RFRCC–uO–+SSR1R2R3R3R2R1改变开关S的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调；改变电容C的大小可实现频率的细调。RCfπ21o振荡频率RF=RF1+RF2=RF1+2R1uo较小二极管正向死区，近于开路uo较大二极管正向导通，近于短路R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1此时，RF2R1。此时，RF=2R1。带稳幅环节的电路稳幅环节RF=RF1+RF2RF2R1起振：令RF2=2R1稳幅：RF=2R14.3■项目实施集成运放按技术指标分为：通用型和特殊型。通用型开环增益可达100dB，基本能兼顾各方面的要求，在实际应用时优先选用。如uA741、LM324、5G24等。1.运放的选择：通常根据设计要求选择具有相应指标的芯片,包括信号源的性质、负载的性质、精度要求、环境条件四方面要求。使用运算放大器应注意的几个问题（1）集成运放的管脚：常见封装形式多为双列直插式封装：8、10、12、14、16管脚等。使用注意查阅手册、辨认管脚，以便正确连线。（2）粗测运放好坏：用万用表电阻中间档（100）测量有无短路和断路现象。接成电压跟随器形式进行器件检查。（3）调零或调整偏置电压消除失调电压：2.使用注意事项：1．输入保护（防差模输入电压过大）输入电压将限制在二极管的正向压降以下R2R1RFuiuo（4）保护措施2．输出端保护将两个稳压管反向串联,将输出电压