低频函数信号发生器

浙江大学蔡忠法电子系统综合设计电子技术课程设计——低频函数信号发生器蔡忠法浙江大学电工电子基础中心浙江大学蔡忠法电子系统综合设计学而时習之，不亦悦乎？——孔子《论语》道可道非常道。——老子《道德经》浙江大学蔡忠法电子系统综合设计教学安排：第一阶段（前5天）：玉泉教七-102上午上课（8:30-11:30）下午完成布置任务（阅读、设计、仿真）第5天：测试，完成预设计报告第二阶段（后5天）：东3实验室上午8:00发车（玉泉后校门内）；下午5:00发车。第6天上午:领电路板第6-9天焊接，实验调试第10天完成课程报告浙江大学蔡忠法电子系统综合设计教学内容：第11章电子设计基础知识实验12.2低频函数信号发生器的设计实验12.3低频数字频率计的设计所涉及技能：元器件仪器仿真焊接调试报告设计浙江大学蔡忠法电子系统综合设计课件下载地址ftp:10.71.21.98:8021匿名登陆目录：预设计报告上传地址ftp:同上匿名登陆目录：要求：文件名统一“学号姓名预设计报告”浙江大学蔡忠法电子系统综合设计成绩评定：平时成绩10分测试成绩20分实验结果40分实验报告20分其他(创新性)10分浙江大学蔡忠法电子系统综合设计电子系统设计概论常用电子系统：测控系统：航天飞机的飞行控制系统、工业生产控制系统测量系统：电能质量监测系统、多路数据采集系统、各种电量和非电量的测量仪器通信系统：数字通信系统、MODEM家电系统：调频收音机、VCD、照相机汽车电子：汽车防盗器、电动汽车浙江大学蔡忠法电子系统综合设计电子系统组成框图：核心完成一个特定功能的完整的电子装置称为电子系统。浙江大学蔡忠法电子系统综合设计电子系统设计基本方法：系统元器件功能模块功能模块功能模块功能模块……单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路…………子系统子系统…浙江大学蔡忠法电子系统综合设计电子系统设计过程：方案论证总体设计软硬件设计组装调试产品定型•确定系统功能：“做什么？”•确定性能指标：“做到什么程度？”•确定组成方案：“怎么做？”•系统软硬件划分•系统功能划分及子系统框图•选择硬件类型：通用IC、PLD、MCU、DSP、ASIC、SOC•设计单元电路，确定元器件•设计程序流程，编写源程序•制作印刷板（或画出电路图）•装配调试•测试系统指标•写出产品技术报告和说明书•总结设计报告•组装正式样机浙江大学蔡忠法电子系统综合设计现代电子设计方法：画电路图：protel电路板布局：protel电气制图：Autocad电路仿真：pSpice(Orcad),ewb(multisim)其他：vhdl,keilc51,ads,sdt浙江大学蔡忠法电子系统综合设计衰减器开关频率档级函数选择函数/计数直流偏置占空比频率调节频率显示窗口幅度调节压控振荡输入同步信号输出信号输出端频率计数输入设计任务浙江大学蔡忠法电子系统综合设计1.同时输出三种波形：方波、三角波、正弦波一、设计内容：设计一个低频函数信号发生器二、性能与技术指标2.频率范围：10Hz～10kHz3.频率稳定度:日3010ff4.频率控制方式：(1)通过改变RC时间常数控制频率（手控方式）；设计任务书：浙江大学蔡忠法电子系统综合设计(2)通过改变控制电压V1实现压控频率（即VCF），常用于自控方式。即:（V1=1～10V）)(1Vff为确保良好的控制特性，可分三段控制：①10Hz～100Hz②100Hz～1kHz③1kHz～10kHz5.波形精度：浙江大学蔡忠法电子系统综合设计(1)方波：上升沿和下降沿时间均应小于2µs(2)三角波：线性度%1omV(3)正弦波：谐波失真度%2122VVNii（V1为基波有效值，Vi为各次谐波有效值)trtf0.1Vom0.9VomVomVom浙江大学蔡忠法电子系统综合设计6.输出方式：(1)作电压源输出时，要求：①输出电压幅度连续可调，最大输出电压（峰峰值）不小于20V；(2)作电流源输出时，要求：①输出电流连续可调，最大输出电流（峰峰值）不小于200mA；②当RL=100Ω～1kΩ时，输出电压相对变化率(即要求Ro1.1Ω);%1ooVV浙江大学蔡忠法电子系统综合设计7.具有输出过载保护功能当因RL过小而使Iopp400mA时，输出晶体管自动限流，以免进一步损坏电路元器件。8.采用数字频率显示方式。②当RL=0～90Ω时，输出电流相对变化率%1ooII(即要求Ro9kΩ)。(3)作功率输出时，要求最大输出功率Pomax≥1W（RL=50Ω时）。浙江大学蔡忠法电子系统综合设计低频函数信号发生器的设计一、总体方案讨论振荡部分输出电路输出频率调节幅度调节频率指示幅度指示函数信号发生器的原理框图浙江大学蔡忠法电子系统综合设计信号产生部分的多种实现方案模拟电路实现方案数字电路实现方案模数结合的实现方案数字电路的实现方案，一般可事先在存储器里存储好函数信号波形，再用D/A转换器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储点数、D/A转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。其信号频率的高低，是通过改变D/A转换器输入数字量的速率来实现的。这种方案在信号频率较低时，具有较浙江大学蔡忠法电子系统综合设计好的波形质量。随着信号频率的提高，需要提高数字量输入的速率，或减少波形点数。波形点数的减少，将直接影响函数信号波形的质量，而数字量输入速率的提高也是有限的。因此，该方案比较适合低频信号，而较难产生高频信号（如1MHz）。模数结合的实现方案，一般是用模拟电路产生函数信号波形，而用数字方式改变信号的频率和幅度。如采用D/A转换器与压控电路改变信号的频率，用数控放大器或数控衰减器改变信号的幅度等，是一种常见的电路方式。浙江大学蔡忠法电子系统综合设计模拟电路的实现方案，是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。由于教学安排及课程进度的限制，本实验的信号产生电路，推荐采用全模拟电路的实现方案。对于信号产生电路的模拟电路实现方案，也有几种电路方式可供选择。如用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，电路框图如图所示。模拟电路实现信号产生电路的多种方式浙江大学蔡忠法电子系统综合设计方案1正弦波发生器过零比较器积分器正弦波方波三角波这种电路结构简单，并具有良好的正弦波和方波信号。但要通过积分器电路产生同步的三角波信号，存在较大的难度。原因是积分电路的积分时间常数通常是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度将同时改变。若要保持三角波输出幅度不变，则必须同时改变积分时间常数的大小，要实现这种同时改变电路参数的要求，实际上是非常困难的。浙江大学蔡忠法电子系统综合设计方案2正弦函数转换电路比较器积分器正弦波方波三角波另一种电路方式是，由三角波、方波发生器产生三角波和方波信号，然后通过函数转换电路，将三角波信号转换成正弦波信号，电路框图如图所示。浙江大学蔡忠法电子系统综合设计正弦函数转换电路比较器积分器正弦波方波三角波这种电路在一定的频率范围内，具有良好的三角波和方波信号。而正弦波信号的波形质量，与函数转换电路的形式有关，这将在后面的单元电路分析中详细介绍。该电路方式是本实验信号产生部分的推荐方案。浙江大学蔡忠法电子系统综合设计根据实验任务中对输出电压、输出电流及输出功率的要求，原则上在输出级只需采用不同的负反馈方式便可。即要求电压输出时，采用电压负反馈；要求电流输出时，采用电流负反馈。这将在单元电路分析中进行详细介绍。由所选方案及组成电路的形式，可以初步分析该实验在实现上述技术指标时的关键和困难之处。由于三角波的线性度、正弦波信号的谐波失真度都需要专用测试设备进行检测，在学生实验室一般不具备这样的条件。浙江大学蔡忠法电子系统综合设计因此，在实验的设计、制作及测试过程中，应该重视对它们的分析和理解，以便了解影响这些技术指标参数的电路形式、组成电路的元器件、改善和提高这些技术指标的方法和措施。对于方波信号的上升沿和下降沿时间，则可用实验室中的示波器进行检测，该项技术指标也是本实验的一项重要和关键的参数。因此，在设计三角波，方波发生器和输出放大电路时，要特别注意与该指标有关参数的选取，如运算放大器的转换速率（SR）等。浙江大学蔡忠法电子系统综合设计1.三角波方波发生器(1)比较器＋RC电路二、单元电路分析R两端的电压逐渐下降，充电电流也将不断减小。浙江大学蔡忠法电子系统综合设计线性度非常差，显然不能当作三角波使用。使iC恒定的办法有多种，其实质都是利用恒流源电路取代图中的R，便可获得较为理想的三角波波形。三种形式的恒流源电路三极管构成场效应管构成1个恒流源+桥式整流浙江大学蔡忠法电子系统综合设计第一种形式：三极管构成浙江大学蔡忠法电子系统综合设计第二种形式：场效应管构成浙江大学蔡忠法电子系统综合设计第三种形式：1个恒流源+桥式整流浙江大学蔡忠法电子系统综合设计(2)比较器＋积分器在一般使用情况下，V1和VΘ2都接地。只有在方波的占空比不为50%，或三角波的正负幅度不对称时，可通过改变V1和VΘ2的大小和方向加以调整。浙江大学蔡忠法电子系统综合设计V1和VΘ2都接地时的波形：324RRRCT浙江大学蔡忠法电子系统综合设计(1)对称调节点V1V10时：tRCVvvtvOOO1211)0()(当vO2=+VZ时，ZOVRRv321)0(ZOVRRTv3211)(浙江大学蔡忠法电子系统综合设计ZZVRRVVRCT32112ZOVRRv321)0(ZOVRRTv3221)(ZZVRRVVRCT32122当vO2=-VZ时，当V10时，T1T2；V10时，T1T2。所以，由于失调等原因引起波形不对称时，可通过改变V1的大小进行调整。浙江大学蔡忠法电子系统综合设计(2)零位调节点VΘ2)()()(232213232tvRRRtvRRRtvOO当v2(t)=VΘ2时，A2翻转。故A2翻转时vO1的电压为：ZOVRRVRRv3223211浙江大学蔡忠法电子系统综合设计若VΘ20，则三角波上移；若VΘ20，则三角波下移。其上幅度为：ZVRRVRR322321其下幅度为：ZVRRVRR322321而三角波的峰峰值为：ZPPOVRRV32)(12浙江大学蔡忠法电子系统综合设计由上可知，当R2/R3的比值调好后，三角波的峰峰值已经确定，调节VΘ2的大小可使三角波上下平移。因此，当由于失调等原因引起三角波零位偏移（上下不对称）时，可通过改变VΘ2的大小进行调整。浙江大学蔡忠法电子系统综合设计一号任务书根据给出的参考电路，估算频率范围和三角波、方波幅值。比照原理电路和参考电路，说明两者之间的区别。若要求三角波幅度范围为1～8V，试重新设计电路。电路中R2有何作用，估算R2阻值。若要求能调节占空比，试设计电路。运放的SR参数是什么意思？若已知运放LF353的SR＝13V/µs，试分析能否满足电路的设计要求。电路设计：浙江大学蔡忠法电子系统综合设计若方波和三角波的波形时间轴上不对称，则可能是什么原因？若方波和三角波的波形幅度不对称，则可能是什么原因？怎么办？若方波三角波出不来，但线路经检查正确。怎么办？测量频率范围时，能否通过调Rp2来改变频率？仿真分析方波三角波发生电路（PSpice或MultiSim或……），运放可选择LM324。仿真和EDA：调试：浙江大学蔡忠法电子系统综合设计拓展题（选做）：自学protel软件中的画图和布线功能，画出整个实验电路的布线图。阅读相关资料，论述函数信号发生器有哪些方案。查找函数信号发生器的专用集成电路型号及特点。阅读相关资料，论述直接数字合成(DDS)的概念及优点。在6个拓展题中选择一个,做成ppt,上台报告。浙江大学蔡忠法电子系统综合设计