函数信号发生器的设计与调测实验报告--北京邮电大学--2012(最新)

北京邮电大学电子电路综合设计实验报告：《函数信号发生器的设计与调测》第1页共18页北京邮电大学电子电路综合设计实验实验报告实验名称：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：***********姓名：****学号：********班内序号：**2012年3月25日北京邮电大学电子电路综合设计实验报告：《函数信号发生器的设计与调测》第2页共18页课题名称：函数信号发生器的设计与调测摘要：方波-三角波发生电路再用运放组成的，由自激的单限比较器产生方波，积分电路产生三角波，差分电路可实现三角波-正弦波变换。该电路振荡频率和幅度用电位器调节，输出方波幅度的大小由稳压管的稳压值决定；而正弦波幅度和电路的对成型也分别由两个电位器调节，以实现良好的正弦波输出波形。关键词：方波、三角波、正弦波、频率可调、占空比可调设计任务要求：基本要求：a)设计一个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10𝜇𝑠，占空比可调范围30%−70%；3)三角波𝑈𝑜𝑝𝑝=8𝑉；4)正弦波𝑈𝑜𝑝𝑝≥1𝑉。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）北京邮电大学电子电路综合设计实验报告：《函数信号发生器的设计与调测》第3页共18页设计思路：1.原理框图：2.系统的组成图：电源电路方波-三角波发生电路正弦波发生电路方波输出正弦波输出三角波输出方波输出方波输出方波输出北京邮电大学电子电路综合设计实验报告：《函数信号发生器的设计与调测》第4页共18页函数发生器的总方案：函数信号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如下所示：第一个电路是由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路。单限比较器输出的方波经积分器得到三角波；第二个电路是由差分放大器组成的三角波—正弦波变换电路。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。传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好；三角波的幅度𝑈id应正好使晶体接近饱和区域或者截止区域。北京邮电大学电子电路综合设计实验报告：《函数信号发生器的设计与调测》第5页共18页I.方波—三角波产生电路设计如上图所示为一方波—三角波产生电路，由于采用了运放组成的积分电路，可得到比较理想的方波和三角波。该电路振荡频率和幅度便于调节，输出方波幅度的大小由稳压管𝑉𝐷𝑊1、𝑉𝐷𝑊2的稳压值决定，即限制在±（𝑈𝑍+𝑈𝐷）之间。方波经积分得到三角波，幅度为𝑈𝑜2𝑚=±𝑅1𝑅𝑓（U𝑍+U𝐷）可见，改变𝑅1和𝑅𝑓比值可调节的大小𝑈𝑜2𝑚。方波和三角波的振荡频率相同，为𝑓=1𝑇=𝛼𝑅𝑓4𝑅1𝑅2𝐶,式中𝛼为电位𝑅𝑤的滑动比（即滑动头对地电阻与电位器总电阻之比）。可见调节𝑅𝑤可改变振荡频率。占空比可调电路由两个7𝑉的稳压管和一个10𝐾𝛺的电位器组成。为了改变输出方波的占空比，应改变电容𝐶的充电和放电时间常数。该电路的振荡周期为𝑇=𝑇1+𝑇2=4𝑅1(𝑅𝑤1′+𝑅𝑤2)𝑅𝑓。因此，可以通过调节𝑅𝑤2来调占空比。北京邮电大学电子电路综合设计实验报告：《函数信号发生器的设计与调测》第6页共18页电路元器件的确定：①根据所需振荡频率的高低和对方波前后沿陡度的要求，选择电压转换速率𝑆𝑅合适的运放。通过两个运放的电压转换速率𝑆𝑅的比较，在产生方波的时候选用转换速率快的𝐿𝑀318，产生三角波的时候选用𝑢𝐴741。②根据所需输出方波幅度的要求（𝑈𝑜𝑝𝑝=12𝑉），选择型号为2𝐷𝑊232的稳压管,选择限流电阻𝑅𝑜=2𝐾𝛺。③根据输出三角波的幅度要求（𝑈𝑜𝑝𝑝=8𝑉），由公式𝑅1=𝑈𝑜2𝑚（𝑈𝑍+𝑈𝐷）𝑅𝑓确定得𝑅1：𝑅𝑓=2:3，选择R1=20KΩ,𝑅𝑓=30𝐾𝛺。𝑅3为平衡电阻，根据计算应选择𝑅3=12𝐾𝛺的电阻。④根据所要求的振荡频率的要求，由公式𝑅2𝐶=𝛼𝑅𝑓4𝑓𝑅1确定的值为𝑅2=5𝐾𝛺，𝐶=0.01𝜇𝐹。⑤根据运放两端电阻平衡的要求（即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），选择𝑅4的阻值和𝑅2相等，即𝑅4=𝑅2=2𝐾𝛺。⑥为使𝛼的变化范围较大，信号的频率范围达到要求（1−10𝐾𝐻𝑧范围内可调），电位器𝑅𝑤选择为10𝐾𝛺范围内可调。⑦根据所需方波输出占空比的要求（30%−70%），电位器𝑅𝑤1选择为10𝐾𝛺范围内可调II.三角波—正弦波产生电路设计(一)差动放大器设计：差动放大器具有很高的共模抑制比，被广泛的应用于集成电路中，常作为输入级或中间级。北京邮电大学电子电路综合设计实验报告：《函数信号发生器的设计与调测》第7页共18页A.确定静态工作点电流𝑰𝒄𝟏、𝑰𝒄𝟐、𝑰𝒄𝟑静态时,差动放大器不加输入信号,对于电流镜𝑅𝐸3=𝑅𝐸4=𝑅𝐸𝐼𝑅=𝐼𝐶4+𝐼𝐵3+𝐼𝐵4=𝐼𝐶4+2𝐼𝐵4=𝐼𝐶4+2𝐼𝐶4𝛽≈𝐼𝐶4=𝐼𝐶3而𝐼𝑅=𝐼𝐶4=𝐼𝐶3=(𝑈𝐶𝐶+𝑈𝐸𝐸−𝑈𝐵𝐸)/(𝑅+𝑅𝐸4)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。但𝐼𝐶3取值也不能太小，一般为几个毫安。因此在实验中，取𝐼𝐶3=1𝑚𝐴。𝐼𝐶3确定后，有𝐼𝐶1=𝐼𝐶2=12𝐼𝐶3=0.5𝑚𝐴𝑟𝑏𝑒=𝑟𝑏𝑏′+26(1+𝛽)𝐼𝐸1=𝑟𝑏𝑏′+26(1+𝛽)12𝐼𝐶3B.恒流源电路中电阻𝐑𝐄𝟑、𝐑𝐄𝟒、𝐑的确定由𝑅+𝑅𝐸=𝑈𝐶𝐶+𝑈𝐸𝐸−𝑈𝐵𝐸𝐼𝑅其中𝑈𝐶𝐶=12𝑉=𝑈𝐸𝐸,𝑈𝐵𝐸的典型值为0.7𝑉（在本次取值中可以忽略）,𝐼𝑅=1𝑚𝐴,故取𝑅=20𝐾𝛺，𝑅𝐸4=2𝐾𝛺。由于镜像电流源要求电阻对称，故取𝑅𝐸3=𝑅𝐸4=2𝐾𝛺。C.差模特性差动放大器的输入和输出各含有单端和双端输入两种方式。因此，差动放大器的输入输出共有四种不同的连接方式。不同的连接方式，北京邮电大学电子电路综合设计实验报告：《函数信号发生器的设计与调测》第8页共18页电路的特性不同。𝑅𝑃的取值不能太大，否则反馈太强，实验中一般取100𝛺左右的电位器，用来调整差动放大器的对称性。(二)三角波—正弦波产生电路三角波—正弦波变换电路的种类很多，有二极管桥式电路、二极管可变分压器电路和差分放大器等。利用差分放大器传输特性曲线的非线性，实现三角波—正弦波的过程如上图所示。0𝒊𝑪𝟏𝒊𝑪𝒊𝑪𝟐𝑰𝑪𝒕𝑻𝒖𝒊𝒅𝒊𝑪𝟏(𝒕)𝑻𝒕𝒖𝒊(t)北京邮电大学电子电路综合设计实验报告：《函数信号发生器的设计与调测》第9页共18页图中𝑅𝑃1调节三角波的幅度，𝑅𝑃2调整电路的对称性，并联电阻𝑅𝐸用来减小差分放大器传输特性曲线的线性区。电容𝐶1、𝐶2、𝐶3为隔直流电容，𝐶4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出正弦波的波形。在实际实现的过程中，因为𝑅𝐸与电位器𝑅𝑃2并联，故要求其阻值相对较大，取其为100𝛺。电解电容𝐶1、𝐶2、𝐶3为隔直流电容，为达到良好的隔直流、通交流的目的，其容值应该取的相对较大，故取𝐶1=𝐶2=𝐶3=33𝜇𝐹。𝑅𝑃1调节三角波的幅度，为满足实验要求，其可调范围应该比较大，故取𝑅𝑃1=20𝐾𝛺。𝑅𝐵1与𝑅𝐵2为平衡电阻，取值为𝑅𝐵1=𝑅𝐵2=3.2𝐾𝛺。流进𝑇1，𝑇2集电极电流为0.5𝑚𝐴，为满足其正弦波的幅度大于1𝑚𝐴，取𝑅𝐶1=𝑅𝐶2=5.6𝐾𝛺，使得电流流经𝑅𝐶2的电压降不至于很大。𝐶4为滤波电容，其值应该满足要求的正弦电压幅度与频率，其值不能取太大，否则会是幅度太小无法达到要求，故取𝐶4=0.1𝜇𝐹。至此，电路的设计基本完成，需要在实验中进一步调试电路。III.总体电路图北京邮电大学电子电路综合设计实验报告：《函数信号发生器的设计与调测》第10页共18页功能实现A.电路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电路图再次检查一遍，防止电路接错将元器件烧坏。B.电路测试检查无误后接通电源，主意正负极的接法，用双踪示波器观察方波和三角波的输出，通过调节𝑅𝑃，调整波的频率；待各项指标达到标准后，用示波器观察三家波和正弦波的输出。调整电位器𝑅𝑃1、𝑅𝑃2得到峰峰值大于1𝑉的且不失真的正弦波。C.差动放大器静态的调整和测量(一)通过调节𝑅𝑃调节电路的对称性a)用万用表进行调零监测电路𝐴、𝐵两输入端接地，将万用表直流电压档接在𝐶、𝐷端之间，调节𝑅𝑃，使万用表指示为零。注意万用表先用大量程档，逐渐小量程，直到最小量程档指示为零。b)用示波器进行调零监测电路𝐴、𝐵两输入端接地，双踪示波器输入耦合方式设为𝐷𝐶，示波器第一路接在电路输出端𝐶端之间，第二路接电路另一个输出端𝐷端与地之间，将第二路反向按钮按下，再选择𝐴𝐷𝐷档，则可用示波器观察𝐶、𝐷端之间的电压，调节𝑅𝑃，使示波器显示的𝐶、𝐷端之北京邮电大学电子电路综合设计实验报告：《函数信号发生器的设计与调测》第11页共18页间的电压为零。(二)通过调节恒流源改变电路的静态工作电流差动电路的𝑇1与𝑇2的静态工作电流由恒流源偏置电路决定，可改变恒流源偏执电路中的电阻𝑅来改变各个晶体管的静态工作电流。差动放大电路静态的调零完成后，可以测各个晶体管的的静态工作点，测试方法可以参考晶体管单级放大电路电流静态工作点的测试方法。D.主要测试数据输出的方波：𝑈𝑜𝑝𝑝=12𝑉，上升、下降沿小于10𝜇𝑠，频率可以通过电位器调整，在1−10𝐾𝐻𝑧内稳定输出，占空比可调范围10%−90%；输出三角波：三角波𝑈𝑜𝑝𝑝=8𝑉；输出正弦波：正弦波𝑈𝑜𝑝𝑝=1.4𝑉；三种输出波形的输出频率均在1−10𝐾𝐻𝑧范围内连续可调，无明显失真。故障与问题分析(一)元器件安装时的问题将运放的接触端接错；插线与面包板插孔接触不好；电解电容正负极分不清楚；把晶体管的发射极和集电极弄反。北京邮电大学电子电路综合设计实验报告：《函数信号发生器的设计与调测》第12页共18页(二)电路调试时的问题