函數(shù)信號發(fā)生器

1、.函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計一、 函數(shù)發(fā)生器的基本原理函數(shù)發(fā)生器是能產(chǎn)生多種波形的信號發(fā)生器如產(chǎn)生正弦波三角波方波鋸齒波階梯波和調(diào)頻調(diào)幅等調(diào)制波形一般至少要求產(chǎn)生三角波方波和正弦波產(chǎn)生各種信號波形的方法很多,其電路主要由振蕩器波形變換器和輸出電路三個部分組成如下圖振蕩電路主要產(chǎn)生具有一定頻率要求的信號它決定了函數(shù)發(fā)生器的輸出信號的頻率調(diào)節(jié)范圍調(diào)節(jié)方式和頻率的穩(wěn)定度;在要求不高的場合,電路往往以需要產(chǎn)生的波形中的一種信號作為振蕩信號常用的振蕩器有脈沖振蕩器和正弦波振蕩器該部分主要考慮信號頻率調(diào)節(jié)范圍和頻率的穩(wěn)定度波形變換器功能是對振蕩源產(chǎn)生的信號進行變換和處理,形成各種所需的信號波形重點考慮波形的失真問

2、題,通過采取各種措施盡可能使波形失真減少輸出電路是對各路波形信號進行幅度均衡和切換,并完成信號幅度的調(diào)節(jié)功能;重點考慮輸出端的特性,如輸出波形的最大幅值輸出功率和輸出阻抗等二、 單元電路設(shè)計1振蕩電路振蕩器形式很多,主要有正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩類;正弦波振蕩器的電路形式較多,有LC振蕩器橋式振蕩器RC移相振蕩器等LC振蕩器一般用于高頻電路,而橋式振蕩器和RC移相振蕩器通常用于低頻電路其特點是產(chǎn)生的正弦波的波形一般比較好,但頻率調(diào)節(jié)范圍比較小,幅度受頻率變化的影響較大非正弦波振蕩器產(chǎn)生的是脈沖波,電路形式更多,簡單容易實現(xiàn),一般用RC充放電特性形成振蕩;往往同時能產(chǎn)生鋸齒波或三角波,頻率

3、調(diào)節(jié)范圍寬,幅度較穩(wěn)定1)方案選擇方案一:利用集成運算放大電路也可實現(xiàn)產(chǎn)生方波和三角波的信號發(fā)生器,電路主要由比較器和積分器構(gòu)成下圖是由RC無源積分器和比較器所組成的三角波方波產(chǎn)生電路,它的特點是線路簡單,但性能較差,尤其是三角波的線性度和負(fù)載能力差所以這種電路一般用于要求不高的場合三角波方波產(chǎn)生電路之一電路中,集成運算放大器由電阻R1R2連接構(gòu)成遲滯比較器,它形成的兩個門限比較電壓為:上限電壓:下限電壓:其中,Vz=VWZ+VDVWZ和VD分別為穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值和正向?qū)妷悍e分器和遲滯比較器構(gòu)成振蕩電路設(shè)開始時Vo=+Vz,此時,集成運算放大器正輸入端的電壓為VT+;Vo電壓通過R對C充

4、電,Vc上升直到VT+,比較器翻轉(zhuǎn),Vo變?yōu)?Vz,集成運算放大器正輸入端的電壓也變?yōu)閂T-,C通過R放電至VT-后比較器又翻轉(zhuǎn),如此往復(fù)振蕩下去這樣VO輸出為方波,VC輸出為近似三角波波形如圖由RC無源積分器振蕩電路的信號波形由于三角波是電容C的充放電形成,電容的充放電是按指數(shù)規(guī)律變化的,并不是線性,所以三角波的線形不好要獲得比較好的三角波,時間常數(shù)RC必須取得很大,這樣振蕩頻率將變得很低,如果要保證信號的頻率,必須增大R1減少R2,三角波的峰值將變得比較小,一般取VOM0.2VZ方案二:如下圖所示,電路采用有源積分器可有效解決三角波形線性不好的問題,故設(shè)計時選用該方案三角波方波產(chǎn)生電路之二

5、電路中,有源積分器由運算放大器2A及其外圍電路積分電容C和電阻R5R7組成有源積分器的輸出通過R1接至比較器1A的正輸入端,積分器的輸入電壓由電位器分壓取出,設(shè)RW與R6形成的分壓系數(shù)為aw,則積分器的輸入電壓為Vi=±awVz分壓系數(shù)aw為: 即積分器的輸入電壓Vi的峰值電壓通過調(diào)節(jié)電位器RW,可從到VZ可調(diào)設(shè)某時刻比較器輸出VOZ=VZ,積分器的輸入電壓為+awVz通過積分器積分使得VOS下降,比較器的正端輸入電壓Vi+跟隨下降當(dāng)Vi+電壓下降超過0V時,比較器將翻轉(zhuǎn)VOZ=-VZ,Vi+突然變?yōu)樨?fù)電壓,此時為VOS的負(fù)峰電壓-VOSMVOSM的值為:比較器輸出電壓VOZ=-VZ

6、又通過積分器使得VOS上升,當(dāng)Vi+電壓上升超過0V時,比較器又將翻轉(zhuǎn)為VOZ=VZ,重復(fù)下一次的振蕩此時VOS為正峰電壓+VOSM振蕩器輸出VOZ為方波,峰值為穩(wěn)壓二極管所限定的電壓VZ,VOS為三角波的輸出電壓,VOSM為三角波的峰值振蕩器的波形如圖RC有源積分器振蕩電路的信號波形在VOZ=-VZ期間(為振蕩半周期T/2),積分器的積分時間常數(shù)約為,輸出電壓VOS:可見,VOS對時間為線性當(dāng)VOZ由-VZ變?yōu)閂Z時,VOS=VOSM,則振蕩頻率f為:代入,并整理得頻率為:可見改變aWw可改變頻率,RW為頻率調(diào)節(jié)電位器改變電容C也可調(diào)節(jié)頻率,通過開關(guān),以10倍地切換容量可獲得10倍的頻率檔位

7、擴展2)電路設(shè)計及參數(shù)估算根據(jù)輸出口的信號幅度要求,可得最大的信號幅度輸出為:VM=5/2+3=5.5V采用對稱雙電源工作(±VCC),電源電壓選擇為:VCCVM+2V=7.5V 取VCC=9V選取3.3V的穩(wěn)壓二極管,工作電流取5mA,則: VZ=VDZ+VD=3.3+0.7=4V 為方波輸出的峰值電壓 取680 取8.2KR1=R2/3=8.2/1.5=5.47(K) 取5.1K三角波輸出的電壓峰值為:VOSM=VZR1/R2=4×5.1/8.2=2.489(V)R4=R1R2=3.14 K取3K取10KR6=RW/9=10/9=1.11(K) 取1K積分時間常數(shù):取C

8、=0.1uF,則:R5=4.019/0.1=40.19K取39K取R7=R5= 39K轉(zhuǎn)換速率一般的集成運算放大電路都能滿足要求3)電路調(diào)試1. 接入電源后,用示波器進行雙蹤觀察;2. 調(diào)節(jié)RP1,使三角波的幅值滿足指標(biāo)要求;3. 調(diào)節(jié)RP2,微調(diào)波形的頻率;4. 觀察示波器,各指標(biāo)達到要求后進行下一部按裝 1. 把兩塊741集成塊插入面包板,注意布局;2. 分別把各電阻放入適當(dāng)位置,尤其注意電位器的接法; 3. 按圖接線,注意直流源的正負(fù)及接地端2波形變換電路利用二極管將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波上圖是利用二極管的非線性將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波的一種簡單方案圖中采用兩級二極管轉(zhuǎn)換,構(gòu)成兩個轉(zhuǎn)折點的三段折

9、線逼近正弦波電路隨著三角波輸入電壓增大,二極管逐級導(dǎo)通,等效的負(fù)反饋電阻逐級變小,放大倍數(shù)變小調(diào)節(jié)三角波的輸入幅度,使輸出正弦波的失真最小即可三角波的輸入幅度約為2 V,輸出正弦波的幅度約為1.5 V3輸出電路1)電路原理正弦波三角波方波三路信號經(jīng)過開關(guān)切換到放大電路的輸入端選擇其中一路信號進行輸出由于三路信號的幅度不一致,開關(guān)切換波形時會產(chǎn)生幅度跳變,且進行幅度調(diào)節(jié)時,幅度的變化不同步必須對三路信號幅度進行平衡以其中一路信號(幅度最小的一路)作為基準(zhǔn),利用電位器RW1RW2調(diào)節(jié)另外兩路信號的幅度,使三路信號在幅度調(diào)節(jié)電位器RW3上產(chǎn)生的幅度相等R2R3和集成運算放大器U形成信號的放大電路,對

10、信號進行放大,電位器RW3用于調(diào)節(jié)信號的輸出幅度 RW4R4R5用于調(diào)節(jié)輸出的直流電平大小,直流電平由R6疊加到運算放大電路的輸入端經(jīng)放大后輸出R8形成所要求的輸出電阻,同時保護輸出端短路損壞集成電路2)電路設(shè)計及參數(shù)估算(1)輸入回路元件參數(shù)各個波形信號統(tǒng)一的最大輸入電壓:電阻R1電位器RW3的取值不能太大,也不能太小取值太大,由于各種雜散因素的影響,會使信號的質(zhì)量下降取值太小又可能使輸入信號過載,信號幅度下降,嚴(yán)重時會使信號失真電位器的取值范圍一般在1K10K之間R1的取值由輸入信號的負(fù)載特性決定,當(dāng)輸入信號的內(nèi)阻較小時可取得較小,也可以短路一般情況下在幾百歐姆到幾千歐姆之間取值電路中,選

11、取R1=X K電位器RW3取X K選取RW1RW2的標(biāo)稱值為使用值的兩倍左右即可(2)放大電路元件參數(shù)輸入電阻R2=(310)RW3則由放大倍數(shù)得R3為:R8根據(jù)輸出電阻要求來選取(3)直流調(diào)節(jié)電路參數(shù)取電路的直流放大倍數(shù)為1,有R6=R3,采用正負(fù)對稱電源時R4=R5設(shè)輸出直流電壓最大調(diào)節(jié)范圍是-V-+V-,則要求RW4的電壓調(diào)節(jié)范圍:若R6=R3,有-V-+V-取分壓電路的工作電流為I,I同時要滿足: 否則,輸入回路將對分壓電路產(chǎn)生影響R4R5RW4的取值由下式確定R7為平衡電阻,其值為:R7R2R3R6,考慮電位器RW3RW4的影響,取值稍大一些3)電路調(diào)試1. 接入直流源后,把C4接地,利用萬用表測試差分放大電路的靜態(tài)工作點;2. 測試V1V2的電容值,當(dāng)不相等時調(diào)節(jié)RP4使其相等;3. 測試V3V4的電容值,使其滿足實驗要求;4. 在C4端接入信號源,利用示波器觀察,逐漸增大輸入電壓,當(dāng)輸出波形剛好不失真時記入其最大不失真電壓;三、 整機電路調(diào)試1. 把兩部分的電路接好,進行整體測試觀察2. 針對各階段出現(xiàn)的問題,逐各排查校驗,使其滿足實驗要求,即使正弦波的峰峰值大于1V儀器儀表清單設(shè)計所用儀器及器件1.直流穩(wěn)壓電源 1臺2.雙蹤示波器 1臺3.