功率函数信号发生器的设计

1功率函数信号发生器的设计一、概述函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。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，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。本实验要求实现频率范围在1~10kHz连续可调输出并达到正弦波VVPP5，方波VVPP5，三角波VVPP5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WPo2max的要求范围，用数字频率显示实现1~10kHz频率连续显示。二、方案论证设计一个功率函数信号发生器，使其能产生正弦波、三角波、方波，并能够对信号进行功率放大输出，且要求通过数字频率显示电路实时显示出信号频率。方案一：采用RC桥式文氏振荡电路产生正弦波，利用电压比较器将正弦波转化为方波，然后通过积分电路将方波转化为三角波，通过OCL电路对其进行功率放大输出，最后通过数字频率显示电路实现波形频率实时显示。方案二：首先产生三角波-方波，再通过电路将三角波变成正弦波或者将方波变成正弦波，然后对信号进行功率放大输出，最后通过8位单片机（如AT89S51）及其外围电路进行信号频率显示。本实验采用的是方案一，通过RC桥式文氏振荡电路产生正弦波的方案易于实现，性价比较高，且通过数字电路显示信号频率可以增加对已学数电知识的掌握,故本实验选择方案一。三、电路设计1.总体电路组成部分2本实验首先利用RC桥式文氏振荡电路产生正弦波，然后利用电压比较器电路把正弦波转化为方波，再利用积分电路把方波转化为三角波，利用波形变换电路调节波形幅度的大小，最后信号频率可通过数字频率显示电路进行显示，原理框图如图1所示。图1总体电路原理框图2.函数发生部分电路函数发生部分电路主要由RC桥式文氏正弦波发生电路、电压比较器电路、积分器电路和OCL功率放大部分电路组成。1）RC桥式文氏正弦波发生电路由于频率要求范围为1~10kHz连续可调，实现方法为将RC振荡频率范围分为Hz10~1、Hz100~10、Hz1000~100、Hz10000~1000四个频率段进行，通过计算分别确定电容和滑动变阻器的数值，由公式f=1/2πC(R4+R3)和f=1/2πCR3得,当滑动变阻器R的值选定为9K时，四个档位电容的值分别选定为16uF、1.6uF、0.16uF、0.016uF,具体计算过程如下：当C1=C8=16uF，R3=R6=9，R4=R5=1时，振荡频率f=1Hz；当C1=C8=16uF，R3=R6=0，R4=R5=1时，振荡频率f=10Hz；当C2=C5=1.6uF，R3=R6=9，R4=R5=1时，振荡频率f=10Hz；当C2=C5=1.6uF，R3=R6=0，R4=R5=1时，振荡频率f=100Hz；3当C3=C6=0.16uF，R3=R6=9，R4=R5=1时，振荡频率f=100Hz；当C3=C6=0.16uF，R3=R6=0，R4=R5=1时，振荡频率f=1000Hz；当C4=C7=0.016uF，R3=R6=9，R4=R5=1时，振荡频率f=1000Hz；当C4=C7=0.016uF，R3=R6=0，R4=R5=1时，振荡频率f=10000Hz；由电路的起振条件A=1+Rf/R13得，Rf=2.2,R1=1,并通过在Rf回路串联两个并联的二极管，利用电流增大时二极管动态电阻减小，电流减小时二级管电流动态电阻增大的特点，加入非线性环节，从而使输出电压稳定，具体电路如图2所示图2频率连续正弦波发生电路2）方波、三角波输出部分电路在RC振荡电路产生正弦波的基础上对正弦波使用电压比较器电路可以得到方波，实现方法简单，电路连接易于理解，具体电路如图3。直接利用积分电路将方波转化为三角波，当输入为方波时，输出电压ttt1-uuu0-111110t1t212CR，通常在电容上并联一个电阻KR6014Ω加以限制，用以防止低频信号增益过大，具体电路如图4。4图3方波（电压比较器）电路图4三角波（积分）电路3)OCL功率放大部分电路根据功率放大的特点特性，选定OTLOCL/实现功率在小范围内放大比较理想，OCL电路是用两个2N1711和2N1132A三极管进行互补输出，此时RL两端的最大不失真电压2VVUCESCCom,RL的最大输出功率为5RVVPLCESCC22om，当VCES可以忽略不计时，WP5.25252om，可以基本实现最大不失真输出功率WPo2max的要求范围，具体设计电路如图5所示。图5OCL信号功率放大电路3.数字频率显示部分数字频率显示部分由时基电路、逻辑控制信号电路、锁存器组成。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TNf/，数码显示部分由74LS47N译码器和数码管构成，其中译码器的功能是输入的4位2进制数通过译码器在数码管以10进制的形式输出，具体显示部分电路如图6所示图6显示电路61）脉冲产生电路555定时器电路的功能是为后续的电路提供一个可靠地脉冲信号，由公式CRRt2117.0和CRt227.0，可计算出电阻1R2R及电容C的值。当脉冲信号的振荡周期s1T时，取电容ufC10时，由s127.07.07.02122121ttRRRRRCCCT则经计算可得1Rk482R，此时占空比3222121RRRRQ,可通过两个47K的电阻与一个2K的滑动变阻器串联得到，具体设计电路如下图7所示。图7时基电路2）逻辑控制信号电路逻辑控制电路是通过555定时器产生的一个标准时间信号的高电平期间有多少个周期的RC桥式文氏振荡电路产生的波形，然后令555多谐电路产生的高电平时间是1秒，故振荡电路在基准电路高电平期间的个数就是振荡电路产生的频率，只要多谐电路的标准时间信号下降沿到来，锁存电路就会把数出的个数锁存起来，然后通过译码器经数码管显示出振荡电路产生波形的频率。3）计数器和锁存器电路计数器电路是对在一个脉冲周期内高电平状态下RC桥式文氏振荡电路产生的波形的个数进行计数，本实验是使用芯片74LS90N，其功能是74LS90N是二－五－十进制异步计数器，R0(1),R0(2)是清零端，R9（1），R9(2)是置9端，CPA7和QA可组成一个二进制计数器，CPB和QBQCQD组成五进制计数器；若把QA和CPB相连，脉冲从CPA输入，则构成8421BCD码十进制计数器。锁存器的作用是将计数器在s1结束时所记得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值，本实验使用的是74LS273N芯片，74LS273N功能如下：74LS273N是一种带清除功能的8D触发器，1D～8D为数据输入端，1Q～8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器，故CLR要接清5V电源以保证不被零，计数器和锁存器具体电路如下图8所示。图8计数器和锁存器电路四、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9、10、11所示图9正弦波测试结果图8其中正弦波幅值为1.68v，频率显示为135Hz,达到VVPP5。图10正弦波测试结果图其中正弦波幅值为4.872v，频率显示为3.72KHz,达到VVPP5图11正弦波测试结果图其中正弦波幅值为1.967v，频率显示为7.83KHz,达到VVPP5。方波测试结果如图129图12方波测试结果图其中方波幅值为4.876v，频率显示2.033KHz，达到VVPP5，频率kHz10~1连续可调要求。三角波测试结果如图13图15三角波测试结果图其中三角波幅值为4.8v，频率显示为132Hz，未达到VVPP5要求，频率kHz10~1连续可调要求。2.数字显示部分1）脉冲产生电路性能测试，如图14所示10图14数字频率显示结果以函数信号发生器代替方波输出信号，输入频率为2Hz,显示结果如图15图15数字频率显示结果频率输出基本达到要求，但存在误差。五、结论经过测试，可以看到电路能够正常工作，该电路基本完成了课程设计的要求。本电路实现了频率范围在kHz10~1连续可调输出并达到正弦波VVPP5，方波VVPP5，三角波VVPP5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WPo2max的要求范围，数字的频率显示部分也可以实现kHz10~1频率显示。性价比：整个电路用的芯片和电阻电容都是用了一些在平时做实验中用过的，通过将555定时器设计多谐振荡器、译码器的利用、与非门、非门、或非门的合理连接，完成了基本电路的连接，电路所用器件价格都比较便宜，性能基本符合技术要求，性价比较高，可以验证，我们的设计还是有一定的合理性。参考文献[1]沈明发等编著.低频电子线路实验.广州：暨南大学出版社.[2]张咏梅编著.电子测量与电子电路实验.北京：北京邮电大学出版社.[3]葛汝明主编.电子技术实验与课程设计山东：山东大学出版社.[4]华成英童诗白主编.模拟电子技术基础北京：高等教育出版社.[5]任元吴勇主编.常用电子元器件简明手册北京：工业出版社.[6]谢自美主编电子线路设计实验测试湖北：华中科技大学出版社.11附录I总电路图12附表2元器件清单序号编号名称型号数量1U1集成运放LM741CN12C1C2C3C10C8电容0.01µF13C4电容0.1µF14C5电容100µF15C6C7C9电容10nF16D1D2稳压管1BH6217D3D4稳压管1N400128Q1BTN2219A19Q2BTN2905A110R1电阻1.8kΩ111R2电阻47kΩ212R3电阻18kΩ113R4电阻51kΩ114R7滑动电阻3kΩKey=A115R8电阻300Ω116R9滑动电阻2kΩKey=A217R10电阻300Ω218R11电阻0.01Ω119R12电阻10.7kΩ120R13电阻10kΩ221R14R15电阻2.5kΩ122U1U2OPAMPLM324AJ323U3~U874LS74LS47N5