方波――三角波――正弦波函数信号发生器

目录1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）1.2电路设计方案设计…………………………………………（1）2设计的目的及任务………………………………………………………（2）2.1课程设计的目的……………………………………………（2）2.2课程设计的任务与要求……………………………………（2）2.3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方波---三角波发生电路的仿真……………………………（11）4.2三角波---正弦波转换电路的仿真…………………………（12）5电路的安装与调试………………………………………………………（13）5.1方波---三角波发生电路的安装与调试……………………（13）5.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试…………………（13）5.3总电路的安装与调试………………………………………（13）5.4电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法…………（13）6电路的实验结果…………………………………………………………（14）6.1方波---三角波发生电路的实验结果………………………（14）6.2三角波---正弦波转换电路的实验结果……………………（14）6.3实测电路波形、误差分析及改进方法………………………（15）7实验总结………………………………………………………………（17）8仪器仪表明细清单………………………………………………………（18）9参考文献…………………………………………………………………（19）11．函数发生器总方案及原理框图1.1原理框图1.2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，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。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。22．课程设计的目的和设计的任务2.1设计目的1．掌握电子系统的一般设计方法2．掌握模拟IC器件的应用3．培养综合应用所学知识来指导实践的能力4．掌握常用元器件的识别和测试5．熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法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10－10000Hz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；33．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。3.2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5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1OCCUV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。63.3三角波---正弦波转换电路的工作原理三角波——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。7为使输出波形更接近正弦波，由图可见：（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。C4-12VVCCR5R6R7R8R9R11-12VVCCR1250%R13C5C2R14IO2三角波—正弦波变换电路83.4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。2.9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。103.5总电路图50%R10C3R112354U1R2R350%Rp1R450%Rp212354U2C1R17C412VVCCR5R6R7R8R9R11-12VVCC1R1250%R13C5C2R14三角波-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。114．电路仿真4.1方波---三角波发生电路的仿真124.2三角波---正弦波转换电路的仿真135电路的安装与调试5.1方波---三角波发生电路的安装与调试1.按装方波——三角波产生电路1.把两块741集成块插入面包板，注意布局；2.分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；3.按图接线，注意直流源的正负及接地端。2.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。5.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试1.安装三角波——正弦波变换电路1.在面包板上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线；2.搭生成直流源电路，注意R*的阻值选取；3.接入各电容及电位器，注意C6的选取；4.按图接线，注意直流源的正负及接地端。2.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；5.3总电路的安装与调试1