功率函数信号发生器的设计.

沈阳航空航天大学课程设计(说明书)功率函数信号发生器的设计班级/学号4020201-2020学生姓名李平樱指导教师于春和沈阳航空航天大学课程设计任务书课程名称电子线路课程设计院（系）电子信息工程学院专业通信工程班级4020201学号2010040202020姓名李平樱课程设计题目功率函数信号发生器的设计课程设计时间:2012年12月31日至2013年01月13日课程设计的内容及要求：一、设计说明函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波等函数信号波形的电路或仪器。为了得到如上波形信号，可以首先采用RC文氏振荡电路产生一定频率的正弦波信号，然后再由其生成方波、三角波信号，最后对信号进行功率放大输出。信号频率可通过数字电路进行显示。二、技术指标1.频率范围：1Hz~2kHz；2.输出电压：方波Vpp=5V，三角波Vpp=5V，正弦波Vpp=5V；3.最大不失真输出功率：Pomax≧2W。三、设计要求1.在选择器件时，应考虑成本。2.根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。3.画出电路原理图。四、实验要求1．根据技术指标制定实验方案，验证所设计的电路；2．进行实验数据处理和分析。五、推荐参考资料1.李万臣，谢红编著.模拟电子技术基础实验与课程设计.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，20012.沈明发等编著.低频电子线路实验.广州：暨南大学出版社，20013.张咏梅，陈凌霄编著.电子测量与电子电路实验.北京：北京邮电大学出版社，20004.张毅刚等编著.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003六、按照要求撰写课程设计报告指导教师年月日负责教师年月日学生签字年月日成绩评定表功率函数信号发生器的设计摘要：功率函数信号发生器的结构由函数发生部分、功率放大部分和数码计数部分等三部分组成。函数发生部分能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波等函数信号波形。波形的产生可采用RC文氏振荡电路产生一定频率的正弦波信号，然后对输出正弦波信号进行处理生成方波、三角波或直接用ICL8038/MAX038直接产生种波形。功率放大部分实现的方法很多，其中尤以OCL/OTL应用较广。数码显示部分可由数字频率计或8位单片机实现。本设计电路采用4组RC文氏振荡电路产生频率在1~2kHz连续可调的正弦波信号，将正弦波信号输入到电压比较电路得到一定频率的方波，将方波信号输入发到积分电路得到相应频率的三角波信号，利用一个三闸门开关将输出的三种波形连接到OCL电路进行功率放大。为简便实现数字频率显示，将数字频率显示部分连接到方波输出端，数字频率显示电路对输出方波的频率进行数字显示。本设计中很好的实现了频率范围在1~2kHz连续可调输出并达到正弦波VPP≤5V，方波VPP≤5V，三角波VPP=5V的输出电压幅值要求。功率放大部分达到最大不失真输出功率Pomax≥2W的要求范围。数字的频率显示部分很好实现1~2kHz频率显示。关键字：RC文氏振荡电路；电压比较器；积分电路；OCL功率放大电路；数码管；数码显示电路一、概述功率函数信号发生器是工业生产、产品开发、科学研究等领域必备的工具，它产生的正弦波、矩形波和三角波是常用的基本测试信号。功率函数信号发生器正是能自动产生这三种波并且能进行功率放大以完成对输入信号放大频率的要求，建议开发一种能产生方波、正弦波、三角波并能进行功率放大并进行数码显示频率的功率函数信号发生器。函数信号发生器根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。随着电子技术的快速发展，新材料新器件层出不穷，开发新款式功率函数信号发生器本文要求实现频率范围在1~2kHz连续可调输出并达到正弦波VPP≤5V，方波VPP≤5V，三角波VPP=5V输出电压幅值要求。功率放大部分达到最大不失真输出功率Pomax≥2W的要求范围。用数字频率显示实现1~2kHz频率连续显示。二、工作原理说明设计功率函数信号发生器的原理框图如图1所示。图1功率函数信号发生器原理框图功率函数信号发生器电路分为三部分：函数发生部分、功率放大部分、数字显示部分组成。RC文氏振荡电路产生正弦波，经过电压比较器得到方波，积分电路将得到的方波进行积分得到三角波。功率放大器对三组波形分别进行放大得到需要的放大倍数。数字显示部分由电压比较器产生的方波与基准时钟电路产生的波形在测频控制信号电路中进行处理。经由计数电路、锁存显示电路进行数码显示。电路的4组RC文氏振荡电路产生频率在1~2kHz连续可调的正弦波信号，利用电压比较电路对输出的正弦波信号进行处理得到一定频率的方波，利用积分电路对输出的方波信号进行积分变换得到相应频率的三角波信号，利用一个三闸门开关将输出的三种波形连接到OCL电路进行功率放大。为简便实现数字频率显示，将数字频率显示部分连接到方波输出端，数字频率显示电路对输出方波的频率进行数字显示。三、电路设计1函数发生部分功率函数信号发生器的函数发生部分的设计思想如图2，图中第一部分单元电路为RC文氏电桥正弦波振荡电路。利用RC文氏电桥正弦波振荡电路产生的正弦波进行处理得出相应的波形。RC文氏电桥正弦波振荡电路输出的正弦波通过第二部分单元电路电压比较器变换输出方波。在输出方波的基础上，第三部分单元电路积分电路，将方波积分变换为三角波进行输出。图2函数发生1.1RC文氏电桥正弦波振荡电路RC文氏电桥桥式正弦波振荡电路的主要特点是采用RC串并联网络作为选频和反馈网络的特点进行函数发生。1）定性分析由图3RC串并联电路可得，，，令，则得和。设（1）当上式分母中虚部系数为零时，RC串并联网络的相角为零。满足这个条件的频率可由式（1）求出：（2）代入方程（1）有因此有（3）和（4）由式（4）及式（5）可知，当（5）（6）建立振荡，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡。由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中一定包括有一个频率成分。这种微弱的信号，经过放大器和正反馈网络形成闭环。由于放大电路的开始时略大于3，反馈系数，因而使输出幅度愈来愈大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡幅度自动地稳定下来，达到3）稳幅措施实现稳幅的方法是使电路的Rf/R1值随输出电压幅度增大而减小。例如Rf用一个具有负温度系数的热敏电阻代替，当输出电压增加使Rf的功耗增大振幅平衡条件。时，热敏电阻Rf减小，放大器的增益下降，使的幅值下降。如果参数选择合适，可使输出电压幅值基本恒定，且波形失真较小。同理，R1用一具有正温度系数的电阻代替，也可实现稳幅。4）具体参数计算由于频率要求范围为1~2kHz连续可调，实现方法为将RC振荡频率范围分1~10Hz、10~100Hz、100~2000Hz三个频率段进行。利用公式得到RC的参数为R选定0~100K变化范围的滑动变阻器，四个档位的C选定为uf以实现1~2kHz频率连续可调。同时选定适合的3uf、0.3uf、0.03uf、0.0015Rf=1.8k.R1=1.0k完成正弦波的发生。利用稳压管将电压稳定在VPP≤5V，调节RC范围以实现VPP≤5V范围内连续可调。电路如图4所示图4频率连续正弦波发生电路1.2方波、三角波输出部分在RC振荡频率产生正弦波的基础上对正弦波进行变化可以得到方波，实现8方法快捷，电路连接简便易行。直接利用电压比较器将正弦波转化为方波。具体电路如图5.图6三角波（积分）电路其中输出端电阻与反馈电阻相等，用以完成电压比较功能。同样利用稳压管实现利用稳压管将电压稳定在VPP≤5V，调节输出波形电压范围以实现在完成方波的基础上利用积分电路实现方波到正弦波VPP≤5V范围内连续可调。的转换。其中R=10kC=1uf实现积分作用。利用稳压管实现利用稳压管将电压稳定在VPP=5V。2功率放大部分根据功率放大的特点特性，选定OCL/OTL实现功率在小范围内放大比较理想，很好的实现Pomax≥2W的要求。2.1定性分析静态分析如图7所示：静态时，Ui=0T1、T2均不工作，U0=0UCE1=+Vcc,UCE2=-Vcc动态分析Ui0,T1导通T2截止，iL=iC1,Rl上得到上正下负压；Ui0,T1截止T2导通，iL=iC2,Rl上得到上负下正的电压。优点：电路省掉大电容，改善了低频响应，又有利于实现集成化。缺点：三极管发射极直接连到负载电阻上，若静态工作点失调或电路内元器件损坏，将造成一个较大的电流长时间流过负载，造成电路损坏。实际使用的电路中常常在负载回路接入熔断丝作为保护措施。由于功率放大部分的负载电阻Rl不确定，故放大功率POM不能直接利用公式POM1Vcc，应利用公式≈2Rl2POM=U0iC1=(VCC-UCES)iC1进行计算，得出POMAX的值。R2=300ΩR3=8ΩR4=300ΩR5=0~3kΩQ1为NPN型选用TN2219A，Q3为PNP型选用TN2905A4）二极管D1为IN4001，二极管D2为IN4001。2.2．电路设计具体电路设计如下图2-2所示图8OCL仿真电路3数字频率显示部分数字频率显示部分原理框图如图9图9数字频率显示原理框图所谓频率，就是周期性信号在单位时间内变化次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N,则其频率可表示为Nf=T被测信号UX经放大整形变成计数器所要求的脉冲信号,其频率与被测信号的频率fx相同。时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间t=1s，当1s信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到信号结束时闸门开关关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器的脉冲个数为N,则被测信号频率fx=N(Hz)。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，使显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲，使计数器每次测量从0开始计数。3.1时基电路时基电路的作用是产生一个标准时间信号，由定时器555构成的多谐振荡器产生。若振荡器的频率f0=1=0.8Hz，其中t1=1s,t2=0.25s。由公式t1+t2t1=0.7(R1+R2)C和t2=0.7R2C，可计算出电阻R1R2及电容C的值。取电容C=10uf，则R2=t2=35.7KΩ取标准值36kΩ0.7C⎛t⎫R1=1⎪-R2=107KΩ⎝0.7C⎭R1=47kΩ,RP=100KΩ图10时基电路3.2逻辑控制电路在时基电路信号结束时产生的负跳变用来产生锁存信号，锁存信号的负跳变又用来产生清零信号。脉冲信号和两个单稳态触发器产生，它们的脉冲宽度由电路的时间常数决定。设锁存信号和清零信号的脉冲宽度相同tw，如果要求tw=0.02s，则有tw=0.45RextCext=0.02sCext=tw/0.45Rext=4.4uf取标准值4.7uf图11逻辑控制电路3.3锁存器锁存器的作用是将计数器在1s结束时所记得的树进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值。四、性能的测试1函数发生部分测试结果正弦波测试结果如图12图12正弦波测试结果图其中正弦波幅值为3.68v，频率显示为1KHz,达到VPP≤5V，频率1~2kHz连续可调要求。方波测试结果如图图13方波测试结果图其中方波幅值为1.06v，频率显示1KHz，达到VPP≤5V，频率1~2kHz连续可调要求。三角波测试结果如图14图14三角波测试结果图其中三角波幅值为3.66v，未达到VPP5V要求，频率显示频率1~2kHz连续可调要求。2功率放大部分结果显示1）输入频率100Hz振幅500mv2）当输入为正弦信号时输入输出波形如图2-3所示：图15正弦波功率放大测试波形仿真测得输入功率为6.008mW，输出功率为2.06W，波形没有失真。达到要求3）当输入为三角波信号时输入输出波形如图15所示：图16三角波功率放大测试波形仿真测得输入功率为4.882mW，输出功率为2.086