函数信号发生器实验报告

北京邮电大学电子电路实验报告实验一：函数信号发生器的设计与调测院系：信息与通信工程学院班级：2012211112姓名：卢跃凯班内序号：13学号：2012210344指导教师：廖老师课题名称：函数信号发生器的设计与调试摘要实验电路主要由两部分组成，方波—三角波发生电路和三角波—正弦波变换电路。方波由运算放大器加稳压管产生，后经积分电路形成三角波，最后通过差分放大电路，利用其传输特性曲线的非线性实现三角波——正弦波的转换。实验电路的频率，幅度可通过电位器调节，增加两个二极管，可以改变方波占空比，完成提高要求。关键词方波三角波正弦波幅频可调设计任务要求1、基本要求：a)设计制作一个可输出正弦波、三角波和方波信号的函数信号发生器。1）输出频率能在1-10KHz范围内连续可调，无明显失真；2）方波输出电压Uopp=12V，上升、下降沿小于10us；三角波Uopp=8V；3）正弦波Uopp1V。b)设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）2、提高要求：a)三种输出波形的峰峰值Uopp均可在1V-10V范围内连续可调。b)要求方波占空比在30%——70%连续可调。设计思路，总体结构框图1、设计思路：用运算放大器加反馈构成电压比较器来产生方波；方波经积分电路形成三角波；三角波输入到差分放大电路，利用其传输特性曲线的非线性输出正弦波，完成要求。2、原理框图：3、系统的组成框图：分块电路和总体电路的设计：（1）方波-三角波产生电路：方波输出幅度由稳压管的稳压值决定，限制在±（UZ+UD）之间。考虑到基本要求中的，方波的峰峰值为12V，故选用稳压值为6V的稳压管2DW232。方波经积分得到三角波，幅度为Uo2m=±RfR1(UZ+UD)，幅值由R1和Rf的比值及稳压管的稳压值决定，因为基本要求中三角波的峰峰值为8V，因此，R1与Rf的比值为2：3。在实际电路中，我采用的R1为20kΩ,Rf为30kΩ。R3为平衡电阻，经过计算与多次尝试，最终采用12kΩ。方波和三角波的振荡频率相同，为=1=āRfR1R,式中α为电位器Rp1的滑动比（即滑动头对地电阻与电位器总电阻之比）。即调节Rp1可改变振荡频率。最后，考虑到输出方波的上升、下降沿小于10us，因此第一级运放采用转换速度很快的LM318N，Ro为输出限流电阻，不宜太大，最后采用1kΩ的电阻。因为第二级运放对转换速度要求不是太高，所以采用μa741运算放大器。电容C为积分电容不宜过小，否则误差可能较大，故C=0.01uF。R4为直流平衡电阻，其作用是减小或消除静态时可能在运放输出端产生的附加差模输入电压，应与R2的阻值一样，为3.3K。最后考虑到电路的安全问题，在滑阻的接地端串接了一个200Ω的电阻。（2）正弦波产生电路：三角波—正弦波变换电路的种类很多，有二极管桥是电路，二极管可变分压器电路和差分放大器等。本实验利用镜像电流源做负载差分放大器传输特性曲线的非线性，实现了三角波—正弦波的变换。变换过程如下图：有上图可知，差分放大器传输特性曲线特性越对称，线性区越窄越好；三角波的幅度应正好使晶体管接近截止区。①差分放大器的设计：确定静态工作点电流Ic1、Ic2、Ic3静态时，差动放大器不加入输入信号，对于电流镜Re3=Re4=Re，Ir=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4=Ic4+2Icβ≈Ic4=Ic3而Ir=Ic4=Ic3=Ucc+Uee−UbeR+Re上式表明恒定电流Ic3主要由电源电压Ucc、Uee和电阻R、Re4决定，与晶体管的参数无关。由于差动放大器得静态工作点主要由恒流源决定，故一般先设定Ic3。Ic3取值越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大器的输入阻抗越高。因此在实验中，取Ic3为1mA。有Ic1=Ic3=1/2Ic3=0.5mA。由R+Re=Ucc+Uee−UbeIr,其中Ucc为12V，Uee也为12v，Ube的典型值为0.7V（在本次取值中可以忽略）Ir为1mA,故取R=20KΩ，Re4=2KΩ。由于镜像电流源要求电阻对称，故取Re3=2KΩ。②各元件的作用及参数确定图中RP2调节三角波的幅度，考虑到实验要求幅值在1V——10V内连续可调，因此采用100KΩ的电位器。RP3用来调整电路的对称性，增大差分放大电路的非线性区，采用100Ω的电位器，并联电阻RE用来减小差分放大器传输特性曲线的线性区，最后决定阻值为100KΩ。电容C1,C2,C4为隔直流电容，用单向的大电容不但很好的滤除直流分量，还能避免双向耦合，使输出地波形清晰稳定，故取C1=100uFC2=100uFC4=100uF。C3为滤波电容，以滤除高频信号干扰，改善输出正弦波的波形，减少不确定的信号干扰，且其值应该满足要求的正弦电压幅度与频率，不能取太大，否则会因此幅度太小无法达到要求，故取C3=0.01uF。至此，电路的设计基本完成，需要在实验中进一步调试电路。（3）提高要求——方波占空比在30%——70%可调要改变方波的占空比，只需改变正负积分电路的积分常数即可，由此联想到模电课本中锯齿波电压的产生电路，将R2替换为两条支路（如上图），用不同方向的二极管控制电路的通断。最后成功输出占空比可调的方波电压。（4）提高要求——方波、三角波、正弦波Uopp在1V——10V连续可调经过多次尝试，我发现改变输出限流电阻R0的阻值大小，会改变方波的峰峰值，因此在R0处串联了一个阻值为100KΩ的电位器，实现了方波峰峰值可调。三角波峰峰值通过改变R1与Rf比值及方波峰峰值的大小，亦达到了实验要求，最后正弦波峰峰值的改变可通过调节电位器RP3来改变。实现功能说明，调试、测试方法说明1．电路的安装首先将所需要的运放、电阻、电容等元器件选择出来，必要的时候用万用表测量一下元件的参数。然后根据电路图，一步一步将元器件安放在面包板上，注意整体布局。安装完毕后一定要对应电路图再次检查一遍，防止电路接错将元件烧坏。2、电路的调试检查无误后接通电源，注意正负极的接法，用双踪示波器观察方波与三角波的输出，通过调节Rp,调整波的频率；待各项指标达到标准后，用示波器观察三角波和正弦波的输出。调整电位器Rp1与Rp2得到峰峰值大于1V的，不失真的正弦波。实际测试数据如下见考核表故障和问题分析：1.在实际连接电路时，要特别注意运算放大器引脚的顺序，以及电解电容的正负极和2DW232稳压管，电位器的接入方式。开始时，我忽略了电解电容的正负，致使实验结果一直出不来，后来问了同学才改正过来。2.限流电阻R0的取值一定要适当，开始时我R0取值过大，未出现波形，之后改换小电阻，出现波形但幅值不满足要求，最终经过多次尝试发现R0在1KΩ左右，波形最完美。3.在由正弦波通过差分放大电路得到三角波时，三角波出现严重失真（左右严重不对称，峰值出现凹陷等等，甚至会重新得到三角波）。开始以为自己第二级电路搭错了，之后仔细检查电路但未发现错误，遂将重心放在电路的调试上。通过调节电位器RP3，调试电路的对称性，解决了波形的左右不对称，又通过更换滤波电容C4，将其增大，解决了波形峰值的凹陷，最终得到了完美的正弦波。至此，基本要求完成。4.在做提高要求时，要使用两个二极管并联且两二极管正负相反，此时应注意二极管的正负接入以及它们和电位器的连接（要从电位器两边接进去）。总结和结论本次电路综合设计共历时四周。从第一周的原理设计到第二、三周的功能实现，再到第四周的实验验收和准备答辩，我经历了很多，发现了自己的不足，也学会了很多，能力得到了大大的提高。第一周熟悉电路，理解电路的基本原理，了解一些特殊电路元件的用法，进而根据实验要求及元器件在电路中的作用计算出各个元件的参数，最后确定下了电路图。第二周预约实验室，在实验室用数字式万用表测试各元件的参数，并连接好电路调试电路。第三周完成了实验的基本要求，之后进行提高要求的设计，第四周验收。在这一个月的电路设计中，我对理论与实践有了更深的认识。从理论上看很简单的一个电路，在自己动手去把做出来时，总会困难重重。但在解决这些困难的过程中，又加深了我对理论的理解，对电路的总体掌控能力大大提高，收获颇丰。而且，通过对电路进行仿真，我又掌握了一款新的仿真软件——multisim13.0的用法，这对我以后电路的进一步学习将有很大帮助。仿真原理图和波形图仿真波形：实际波形图方波峰峰值：12V左右；三角波峰峰值：8V左右；正弦波峰峰值：大于1V所用仪表和元器件清单元器件R(Ω)个数12K120K230K11K1100K15.6K24.7K23.3K22K2C(F)个数6800pf1100uf30.01uf1Rw(Ω)个数100K2100180504个2DW2321个LM3181个UA7411个仪器函数信号发生器示波器晶体管毫伏表数字式万用表直流稳压电源参考文献《电子测量与电子电路实践》北京邮电大学电路实验中心《电子电路基础》刘宝玲主编高等教育出版社