项目三信号发生器设计与制作

模拟电子技术与应用常州机电技术学院电气工程系钱金法常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用项目一电子工艺基础训练项目二放大电路的装配与调试项目三信号发生器设计与制作项目四直流稳压电源装配与调试附录一半导体器件命名附录二ＥＷＢ仿真软件的使用项目三信号发生器设计与制作常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用模块一RC震荡器的装配与调试模块二LC振荡骑的装配与调试模块三集成函数发生器的应用常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用项目三信号发生器设计与制作一、学习目标终极目标：能够根据要求利用分立元件或集成芯片完成一个简单的信号发生器设计与制作促成目标：1．掌握波形发生器的电路组成及性能分析2．能运用分立元件及集成芯片设计简单的信号发生器3．会根据原理图安装调试信号发生器常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用二、工作任务1．完成利用分立元件组装RC振荡器并进行调试2．完成利用分立元件组装LC振荡器并进行调试3．利用ICL8038组装简易信号发生器并进行调试常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用模块一RC震荡器的装配与调试一、学习目标终极目标：能完成RC振荡电路设计与制作。促成目标：1．掌握RC振荡电路的选频特性。2．能根据RC振荡电路原理图进行安装调试。3．能对RC振荡电路进行分析和故障诊断。常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用二、工作任务1．根据图3-1-1组装RC振荡器。2．调节RF，使电路起振，测试电路的振荡频率。3．分析电路的工作原理。常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:10-Apr-2008SheetofFile:E:\ly\MyDesign1.ddbDrawnBy:0.01uF+12v0.01uF1.2k16KΩA'+16KΩ100kB'15kUoB82ΩT2A430Ω10uF10uF5.1KΩ50uFT1Rf*10KΩ10K1M10uF图3-1-1常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用三、理论知识信号产生电路分为正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路，正弦波振荡器是一种不需外加信号作用，能够输出正弦信号的自激振荡电路。正弦波振荡电路又分为RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器等。1．正弦波振荡器的基本知识（1）自激振荡:一个放大电路通常在输入端接上信号源的情况下才有信号输出。如果输入端不外接信号，电路仍有某一频率的信号输出，这种现象就是放大电路的自激振荡。常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用如左图所示的框图与我们前面所讲的负反馈有点类似，不过其反馈变成了正反馈。图中输入信号为Xi，输出信号为Xo，输出信号通过反馈电路F馈送回输入端的信号为Xf，设法使，即它们大小相等、相位相同，则反馈信号就可以完全代替外加输入信号。这时，去掉输入信号，用反馈信号替代输入信号，输出信号的幅度仍保持不变，放大器就变成自激振荡器。常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用（2）振荡条件:建立：必须具有选频特性的正反馈放大器。稳定：靠非线性条件限制振荡幅度。实际上，当幅度足够后，再增大Uo，将出现非线性失真(截止或饱和)，此时Au↓限制幅度继续增长，直至AF=1最终达到平衡，获得稳幅振荡。即，振荡条件为：1）振幅平衡条件:公式1即反馈信号等于输入信号1FA1FAfiuu常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用2）相位平衡条件:（n=0,1,2,）公式2即反馈信号与输入信号同相，电路为正反馈。当电路电源启动瞬间和或有扰动或噪声使电路输入端有微小的增量，相当于一个初始信号，经过放大→反馈→再放大→再反馈循环，振荡由小→大建立起来，尤其是其中特定ωo(由选频网络而定)的信号幅度最大。其它频率被衰减。而从微弱信号逐渐增大，电路处于增幅。nfi2常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用公式1所表示的振幅平衡条件，是指振荡电路已进入稳态振荡而言的，欲使振荡电路能自行建立振荡，就必须满足的条件，故也称为起振条件。这样，在接通电源后，振荡电路就有可能自行起振，或者自激，最后趋于稳态平衡（见下图所示）。常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用2．RC正弦振荡器典型的RC振荡器有文氏桥振荡器和移相振荡器。它们适于产生1Hz～1MHz的低频振荡，频率稳定度约在10-2～10-3量级之间。（1）RC移相式振荡器1)RC移相选频原理RC电路具有超前移相或滞后移相两种（a）RC超前移相电路（b）RC滞后移相电路RRCCuiuouiuo常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用在移相电路中，若用其中一种移相电路作为反馈网络，至少需三节RC超前或滞后电路串接，才能相移180°，因为一节RC电路最大相移不超过90°。2)RC移相式振荡电路RC移相式振荡电路分为相位超前的RC移相式正弦波振荡电路和相位滞后的RC移相式正弦波振荡电路.图3-1-2RC移相式正弦波振荡电路123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:25-May-2008SheetofFile:E:\ly\MyDesign1.ddbDrawnBy:CCCRRRRF+_Uo∞_++常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用因为基本放大电路在很宽的频率范围内其度若要求满足振荡相位条件，必须在RC移相网络中也移相，故图1的RC移相式正弦波振荡电路是采用三级RC超前移相电路组成的RC移相振荡器。振荡频率起振条件：放大器A的电压放大倍数：频率范围：几赫～数十千赫。RC移相式振荡电路具有结构简单、经济方便等优点。其缺点是选频性能较差，频率调节不方便，由于输出幅度不够稳定，输出波形较差，一般只用于振荡频率固定，稳定性要求不高的场合。180RCfπ26029A常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用（2）RC串并联式正弦波振荡器(文氏桥振荡器)RC串并联式正弦波振荡电路又称为文氏桥正弦波振荡电路。1）RC串并联网络的选频特性图3-1-3串并联网络及其高低频等效电路（a）RC串并联电路（b）低频等效电路（c）高频等效电路123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:10-Apr-2008SheetofFile:E:\ly\MyDesign1.ddbDrawnBy:C2C1R1R2+_+_U1U2C1R2+_+_U1U2C1R2+_+_U1U2)j1//(j1Cj1//12ωCRωCRωRUUFu•••)1(j31ωRCωRC)(j3100ωωωω0Fu.310f90903//arctan00ωωωωF200)//(91uF•RC串并联选频网络式中:0=1/RC当=0时Fu=1/3.=0º常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用2）文氏桥正弦波振荡电路组成：文氏桥正弦波振荡电路，其放大电路为同相比例电路反馈网络和选频网络由串并联电路组成如图3-1-4所示A=2nF=0º同相放大器常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用电路：如图3-1-5常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用振荡频率：振荡条件：应用：Rf不应当太大，否则方波会变成方波nAF2RCf2101uuFA••31F•3A•21fRR1f2RR常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用稳幅措施：因为振荡以后，振荡器的振幅会不断增加，由于受放大环节非线性区的限制，当输出电压的幅值增大到一定程度后，随之减小(反之增大)，最终使=1，这就可以维持Uo的幅值基本不变。为使电Au为非线性，起振时，应使Au3，稳幅后Au=3。常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用二极管稳幅：如图3-1-6所示8R1R2oUV1V2R38.2k6.2k22k4.3k0.01F8.2k12.4kR28.1k起振时信号小，二极管电阻大Au1+(R2+R3)/R13R22R1R3起振后二极管电阻逐渐减小，Au1+R2/R1=3为使失真小：R22R1f0=1.94kHzRCf210常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用四、技能训练1．RC桥式振荡器的仿真测试（1）由运放代替图1的两级放大器（如图3-1-7所示），通过调节电位器2，使电路起振，并形成正弦波输出；（2）调节电位器1，观察输出频率的变化。常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用图3-1-7RC振荡器仿真测试U1LM741CN3247651BAL1BAL2VS+VS-R12kR210kC2100nFC1100nF30%100kKey=a137%22kKey=b2V112VV212VXSC1ABExtTrig++__+_常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用2．RC振荡器的组装与调试以图1为操作对象(1)．RC振荡器的组装检测发放的所有元器件参数，作好记录。利用多孔板安装RC振荡器电路。(2)．电路参数调试与调整1）RC串并联网络的幅频特性测量将A和A’，B和B’断开，在RC串并联网络的Ａ点加上有效值UA为３Ｖ（用交流毫伏表测量）的正弦信号，改变信号频率，在RC串并联网络的Ｂ点处用毫伏表逐点测出相应的电压ＵB。将测量结果填入表1中。（注意，在测量过程中，要保持UA=３Ｖ不变）。常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用表3-1-1f(kHz)0.010.11.0010.0100.0UA（v）3333ＵB（v）lg(f)常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用2）振荡器振荡频率fo的计算与测量接通RC串并联网络，并使电路起振，用示波器观测输出电压uo波形，调节Rf使振荡器的输出波形为最大且不失真的正弦波，用示波器测出振荡频率。将测量结果填入表3-1-2中，计算出理论值并与实验值相比较。改变RC的值，测量器振荡频率，将测量结果填入表2中。常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用表3-1-2Uo波形(V)元件值C(uF)元件值R（Ω）计算值fo（Hz）测量值f（Hz）相对误差Δf╱fo常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用五、练习设计一文氏桥正弦波振荡电路，要求电路输出频率为1000HZ。常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用模块二LC振荡骑的装配与调试一、学习目标终极目标：利用分立元件完成振荡电路设计与制作。促成目标：1．掌握RC、LC振荡电路的选频特性。2．能根据原理图设计出相应PCB。3．能正确运用电子仪器对函数发生器进行性能指标调试。常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用二、工作任务1．设计一电容三点式正弦信号发生器，输出信号频率为1MHz。2．对所设计的电路进行安装调试。常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用三、理论知识用LC并联谐振回路作为选频网络的振荡器称为LC振荡器，LC振荡器根据反馈电压取出的方式不同，分为变压反馈式、电感和电容三点式三种。类型：变压器反馈式、电感三点式、电容三点式1、变压器反馈式LC振荡电路LrC)j(j1)j(j1ωLrωCωLrωCZ)1(j1/CrrLrCL(1)LC并联回路的特性Is.L的等效损耗电阻Z常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用1）.谐振频率f010，LCωLCfπ2102）.谐振阻抗Z0rCLZ03）.回路品质因数QCLrCrωrLωQ1100CωQLQωZ000常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用4）.频率特性)1(j1/ωrCωrLrCLZ)//(j1000ffffQZ0ZZ0Q大Q小0f90º90ºQ增大幅频特性相频特性常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用5）.并联谐振的本质—电流谐振LuCr–+iiLiC1)Z=Z0呈纯阻2)形成环流，大小是总电流的Q倍IQILωLQωIZZIILLC000CLII••IC•IL•U•I•常州机电职业技术学院模拟电子技术与应用常州机电职业技术学院模拟