壓控階梯波發(fā)生器基于運(yùn)放的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、北京工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 學(xué)院電子信息與控制工程 專業(yè)通信工程 班級(jí) 120241 組號(hào) 14 題目1、壓控階梯波發(fā)生器 2、 基于運(yùn)放的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 姓名周文晨 學(xué)號(hào) 12024128 指導(dǎo)老師 張國(guó)英 成績(jī) 2014 年 05 月 29 日壓控階梯波發(fā)生器【實(shí)驗(yàn)名稱】壓控階梯波發(fā)生器【設(shè)計(jì)任務(wù)】在規(guī)定時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)并調(diào)試一個(gè)由電壓控制的階梯波發(fā)生器。【設(shè)計(jì)要求】1、輸出階梯波的頻率能被輸入的直流電壓所控制，頻率控制范圍為600Hz-1000Hz。2、輸出階梯波的臺(tái)階數(shù)為10級(jí)，且比例相等。3、輸出階梯波的電壓為1V/級(jí)。4、輸入控制電壓的范圍為0.5V至6V。5、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用原器件盡量

2、少，成本低?！菊{(diào)試要求】利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和指定器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，組裝和調(diào)試，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，寫出總結(jié)報(bào)告 仿真圖，草圖，電路圖附本實(shí)驗(yàn)的報(bào)告后【參考元器件】1、 運(yùn)算放大器uA741,LM324，LM358.2、TTL電路74LS20，74LS161 ，74LS175。3、CMOS緩沖器CD40104、穩(wěn)壓管 二極管5、電阻 電容 電位器設(shè)計(jì)思路一：輸出階梯波的臺(tái)階數(shù)為十階想法：采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，確保每十個(gè)時(shí)鐘信號(hào)后清零。選取74LS161芯片二：輸出階梯波每階比例相等，電壓為1V/階想法：采用權(quán)組網(wǎng)路，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào) 運(yùn)用放大器，將輸出信號(hào)放大以滿足要求。選取運(yùn)算放大器LM358芯片另外

3、，74LS161是單純的計(jì)數(shù)功能芯片，帶負(fù)載能力很弱。對(duì)于后面串上的幾十千歐級(jí)的電阻顯得力不從心。用萬(wàn)用表實(shí)測(cè)74LS161輸出管腳的電壓值，也確實(shí)發(fā)現(xiàn)高電平對(duì)應(yīng)的實(shí)際電壓值并不恒定。為改善這樣的情況，需把74LS161輸出加到74LS175上，再把74LS175的輸出加到CD4010上CD4010是緩沖器，可以把不穩(wěn)的輸入電壓緩沖為穩(wěn)定的輸出電壓，而且電流加大，大大加強(qiáng)了帶負(fù)載的能力。74LS175和CD4010共同組成了緩沖器，雖然對(duì)電路的邏輯功能沒有影響，但卻是實(shí)現(xiàn)電路功能不可或缺的一部分。綜上所述，電路應(yīng)分為壓頻轉(zhuǎn)換波分、計(jì)數(shù)部分、全電阻網(wǎng)絡(luò)部分和信號(hào)放大部分。我們選取的芯片為：LM3

4、58、74LS161、74LS175、CD4010元器件清單元件名稱元件標(biāo)稱值或型號(hào)電阻100k×3、1k×5、8k×1、5k×1、4 k×1、2 k×2、680×1電位器2k×4、100 k×1電容1nF×1運(yùn)算放大器LM358P×3二極管雙向開關(guān)二極管IN5760×1、通用開關(guān)二極管 IN4148×1、穩(wěn)壓二極管IN5340B×1芯片74LS161×1、74LS175×1、CD4010×1、74LS20×1其他面

5、包板×1 仿真設(shè)計(jì)與驗(yàn)證仿真電路圖為：首先對(duì)壓控振蕩器進(jìn)行測(cè)試。用示波器觀察CLK信號(hào)，發(fā)現(xiàn)電源V1確實(shí)能對(duì)CLK進(jìn)行頻率控制，仿真成功。在仿真中，為方便起見，計(jì)數(shù)器直接采用74LS161，74LS161送出的結(jié)果直接加到權(quán)電阻上，經(jīng)倒相后，得到了階梯波形。直流電源用來(lái)提供穩(wěn)定的電流；壓控振蕩器產(chǎn)生方波，其頻率主要由輸入電壓決定；十進(jìn)制計(jì)數(shù)器作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的開關(guān)，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器送出反向的階梯波；通過反相器，最終得到正向的十階波形。實(shí)驗(yàn)過程我們首先用萬(wàn)用表對(duì)元器件進(jìn)行測(cè)試，確定元器件完好。然后測(cè)試面包板，確定面包板的橫向、縱向?qū)顟B(tài)，然后按照所設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行布線，我們?yōu)榱瞬榫€簡(jiǎn)單，

6、保證插線時(shí)不繞線，不搭橋。然后按照電路原理圖連線。對(duì)每個(gè)模塊可以分別連線然后分別檢查。確定各個(gè)模塊功能無(wú)誤之后再對(duì)各模塊連接以檢查模塊間的匹配問題。 在這個(gè)思路下，我們首先對(duì)壓控振蕩模塊進(jìn)行了調(diào)試。由于壓控振蕩模塊是按照標(biāo)準(zhǔn)圖連線的，所以其調(diào)試比較簡(jiǎn)單，主要集中在輸入電壓與輸出頻率的匹配上。最終我們把電容選擇為1nf，再對(duì)滑動(dòng)變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到了題目要求的電壓頻率關(guān)系。對(duì)計(jì)數(shù)器的調(diào)試。為體現(xiàn)分模塊化的設(shè)計(jì)思想。調(diào)試計(jì)數(shù)器部分時(shí)輸入脈沖選擇的是實(shí)驗(yàn)板上的單步脈沖，然后將四個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)接到實(shí)驗(yàn)板的數(shù)碼管上。顯示十進(jìn)制計(jì)數(shù)。然后是對(duì)DA轉(zhuǎn)換的調(diào)試。過對(duì)權(quán)電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的分析。經(jīng)過上面的調(diào)試，各塊

7、都已經(jīng)工作正常了，壓控振蕩模塊的輸出上加了一個(gè)CD40106集成施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器能夠把不標(biāo)準(zhǔn)的脈沖整形，成為標(biāo)準(zhǔn)的矩形波，從而可以被74LS161識(shí)別出來(lái)。波形終于正常了。我們通過這一系列的實(shí)驗(yàn)過程，最終達(dá)到要求，出現(xiàn)可愛的階梯波。數(shù)據(jù)記錄輸入輸出數(shù)據(jù) 電壓(v)12345678910壓控頻率(Hz)739112816262049249532043546400242714701階梯波頻(Hz)138.9213.5320.8403.6494.1632.2721.3798.3864.6997.2 整體電路和部分波形圖 課設(shè)感悟 這是第一次老師讓自己動(dòng)手給定一個(gè)課題，讓我們自己完

8、成設(shè)計(jì)，仿真到接電路，出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)我和搭檔來(lái)說都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。首先，我先查閱了相關(guān)期刊，看看別人是如何實(shí)現(xiàn)的，通過期刊的學(xué)習(xí)，我初步了解了階梯波的實(shí)現(xiàn)可以分成幾個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行研究，其實(shí)階梯波實(shí)驗(yàn)中計(jì)數(shù)器部分和壓頻轉(zhuǎn)換，運(yùn)放放大部分在咱們上學(xué)期的電子技術(shù)試驗(yàn)課上，張老師都有教授，我們做的是需要把每個(gè)部分整合聯(lián)系在一起，同時(shí)將以前的模電數(shù)電知識(shí)重新?lián)炱饋?lái)對(duì)自己是一個(gè)溫故而知新的過程。在電路圖畫好之后，我們開始連線。我們連了兩遍板子，因?yàn)槲覀兊牟季€雜亂無(wú)章，導(dǎo)致第一部分壓頻轉(zhuǎn)換的波形就沒有出來(lái)，一氣之下，我把所有的線都拔了，重新開始連，我本著不交叉，不重疊，盡量走直線，電源和地線

9、都另外接到小長(zhǎng)版上，結(jié)果第一二部分很快就出結(jié)果了。我們?cè)诘谌糠钟?jì)數(shù)器波形出不來(lái)，我又查了一下線，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)線和電源線查到一塊了，還導(dǎo)致了我們的一個(gè)二極管燒了。還好發(fā)現(xiàn)及時(shí)，我們趕緊改線。后面的一系列在短短一個(gè)小時(shí)就出來(lái)了，當(dāng)波形出來(lái)那一刻，真的特別自豪，開心，覺得自己每天往實(shí)驗(yàn)室跑都是有意義的。當(dāng)我們的波形出來(lái)后，請(qǐng)張老師來(lái)看我們的波形結(jié)果，張老師說我們的階梯波不滿足電壓為1V/級(jí)，讓我們?cè)僬{(diào)調(diào)。于是，我思考了一下，覺得需要把正反饋倍數(shù)用電位器調(diào)節(jié)，結(jié)果就滿足了老師的要求。這次試驗(yàn)讓我系統(tǒng)的了解了階梯波的設(shè)計(jì)原理，同時(shí)也增加了我接下來(lái)模電課設(shè)的信心！基于運(yùn)放的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)【實(shí)驗(yàn)名稱】基于

10、運(yùn)放的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)仿真圖，電路圖，草圖附在本試驗(yàn)的報(bào)告后【設(shè)計(jì)任務(wù)】本課題要求使用集成運(yùn)算放大器制作正弦波發(fā)生器，在沒有外加輸入信號(hào)的情況下，依靠電路自激振蕩而產(chǎn)生正弦波輸出電路。經(jīng)過波形轉(zhuǎn)換可以產(chǎn)生同頻三角波，方波信號(hào)。【設(shè)計(jì)要求】使用一片LM324，采用經(jīng)典振蕩電路，產(chǎn)生正弦信號(hào)，頻率范圍360HZ100KHZ。輸出信號(hào)幅度可調(diào)，使用單電源供電以及增加輸出功率。【擴(kuò)展要求】1. 擴(kuò)大信號(hào)頻率的范圍2.增加輸出功率3.具有輸出頻率的顯示功能【參考元器件和芯片】LM324，電位器，電阻，電容若干?！菊n題說明】LM324芯片中包含四個(gè)運(yùn)算放大器，其中一個(gè)運(yùn)算放大器用于振蕩電路，兩個(gè)運(yùn)算放大器用

11、于電路放大，一個(gè)運(yùn)算放大器用于功率輸出。設(shè)計(jì)思路整體設(shè)計(jì)思路：振蕩電路部分兩級(jí)放大部分功率輸出部分=>符合要求的正弦波使用運(yùn)算放大器LM324，組成由基本放大電路，選頻網(wǎng)絡(luò)，正反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的經(jīng)典振蕩電路，產(chǎn)生自激振蕩的正弦波。使用同軸電位器，對(duì)信號(hào)的頻率范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其在360Hz100kHz時(shí)可產(chǎn)生輸出信號(hào)幅值基本穩(wěn)定的正弦波。盡量使用單電源供電以及增加輸出功率等要求。元器件清單元件名稱元件標(biāo)稱值或型號(hào)電阻10k×3、180 k×1、300 k×1、6.2 k×2、51 k×2、2 k×3、3 k×1、1 k

12、15;2電位器10k×2、20 k×2、1k×2 電容22nF×2、100uF×4二極管穩(wěn)壓二極管IN4001×2芯片LM324×1LM324的介紹：2-kV ESD Protection for: LM224K, LM224KA LM324K, LM324KALM2902K, LM2902KV, LM2902KAV Wide Supply Ranges Single Supply . . . 3 V to 32 V(26 V for LM2902) Dual Supplies . . .1.5 V to16 V(13 V

13、for LM2902)Low Supply-Current Drain Independent ofSupply Voltage . . . 0.8 mA TypCommon-Mode Input Voltage RangeIncludes Ground, Allowing Direct SensingNear GroundLow Input Bias and Offset Parameters Input Offset Voltage . . . 3 mV TypA Versions . . . 2 mV Typ Input Offset Current . . . 2 nA Typ Inp

14、ut Bias Current . . . 20 nA TypA Versions . . . 15 nA TypDifferential Input Voltage Range Equal toMaximum-Rated Supply Voltage . . . 32 V(26 V for LM2902)Open-Loop Differential VoltageAmplification . . . 100 V/mV TypInternal Frequency CompensatiLm324管腳圖：詳細(xì)設(shè)計(jì)過程正弦波發(fā)生部分：經(jīng)典振蕩器部分由基本放大電路，選頻網(wǎng)絡(luò)，正反饋網(wǎng)絡(luò)組成。其中，基

15、本放大電路作用：使電路獲得一定幅值的輸出量；選頻網(wǎng)絡(luò)作用：確定電路的振蕩頻率，保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩；正反饋網(wǎng)絡(luò)作用：在振蕩電路中,當(dāng)沒有輸入信號(hào)的情況下,輸入正反饋信號(hào)作為輸入信號(hào)。RC橋式正弦波振蕩電路原理兩級(jí)放大電路：由于LM324的增益帶寬為一定值, 查使用手冊(cè)知約為1.5MHZ。因此, 如果要提高增益則帶寬將減小。所以為了達(dá)到較高放大倍數(shù)又要有足夠的寬頻帶，我們可以采用了二級(jí)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn), 兩級(jí)均采用反相放大器。第一級(jí)級(jí)放大器的放大倍數(shù)小于第二級(jí)的放大倍數(shù),我們的兩級(jí)放大倍數(shù)設(shè)計(jì)的總放大倍數(shù)約為800倍，但是我們?cè)诤笃谶B接與調(diào)試過程中，調(diào)整了第一級(jí)的放大倍數(shù)，最終確定的總的放大倍數(shù)大

16、約為600多倍。、單電源部分：正常一般采用雙電源供電, 這時(shí)它的4腳接正電源這里正電源電壓為+12V, 11腳接負(fù)電源-12V。我們根據(jù)題目要求改用單電源,將電路原來(lái)接正電源的地方仍舊接正電源, 原來(lái)接地的地方改接1/2(VCC),通過+12V利用吊電阻分壓得到。最終實(shí)現(xiàn)了單電源供電。仿真設(shè)計(jì)與驗(yàn)證仿真電路圖為：Oscilloscope data: SCP Time base: 0.004036 seconds per divisionTime offset: 0.000000 secondsChannel A sensitivity : 1.000000 volts per division

17、Channel A offset: -5.400000 voltsChannel A color: 255Channel B sensitivity : 0.500000 volts per divisionChannel B offset: 0.000000 voltsChannel B color: 6604900Channel A connected: yesChannel B connected: noColumn 1 Time (S)Column 2 Channel_A Voltage(V)Column 3 Channel_B Voltage(V)Time Channel A- 0.

18、000000000000e+000 6.0000e+000 1.000000000000e-007 6.0000e+000 2.000000000000e-007 6.0000e+000 4.000000000000e-007 6.0000e+000波形參數(shù)：實(shí)驗(yàn)過程我們首先用萬(wàn)用表對(duì)元器件進(jìn)行測(cè)試，確定元器件完好。然后測(cè)試面包板，確定面包板的橫向、縱向?qū)顟B(tài)，然后按照所設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行布線，我們?yōu)榱瞬榫€簡(jiǎn)單，保證插線時(shí)不繞線，不搭橋。然后按照電路原理圖連線。實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生多種失真現(xiàn)象，“刺突狀” 失真尤為突出，示意如下：具體波形：實(shí)際的波形實(shí)踐起來(lái)效果并不理想，振蕩頻率不高及停振，尤其是在使

19、用LM324制作振蕩器時(shí)波形出現(xiàn)嚴(yán)重失真。我們組查閱資料，整理出了常見的正弦波失真問題及解決方法： 削波失真： 該種失真的明顯特點(diǎn)是波形頂部變得平直。波形的幅度很大，接近電源電壓。造成這種失真的原因，大多是反饋電阻值過大，使電路的增益過大，致使輸出電壓峰值太大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)隨著反饋電阻值的增大，輸出波形將變得極像方波。解決這種失真的方法：減小反饋網(wǎng)絡(luò)的總電阻 而過分地減小又將使電路不能起振，因此它的大小非常關(guān)鍵，在不確定電阻值大小的情況下，可先使用電位器代替，通過細(xì)調(diào)電位器，將波形調(diào)到一個(gè)最好效果即可。停振現(xiàn)象： 在實(shí)際制作中，由于元器件本身的質(zhì)量和精度問題，也會(huì)使振蕩器的制作效果大打折扣在電路中，我們需要調(diào)節(jié)同軸雙聯(lián)電位器來(lái)改變輸出正弦波的頻率。顧名思義，雙聯(lián)同軸電位器是由兩個(gè)電位器組成，通過調(diào)節(jié)同一個(gè)軸達(dá)到同步調(diào)節(jié)兩個(gè)電阻值的目的器件。但在實(shí)際中，我們發(fā)現(xiàn)，雙聯(lián)同軸電位器的兩個(gè)電阻值并不能時(shí)刻保持相等，而是有一個(gè)差值，有時(shí)候這個(gè)差值很大，可達(dá)數(shù)干歐姆。差值的存在造成了振蕩器在高頻時(shí)出現(xiàn)停振現(xiàn)象，也就是說。振蕩器的輸出信號(hào)不能達(dá)到較高的頻率。在這種情況下，我們當(dāng)然可以更換精度和質(zhì)量更好的雙聯(lián)同軸電位器來(lái)解決。但為節(jié)省成本，我們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn)，如果用兩個(gè)小、電阻分別與雙聯(lián)同軸電位器的兩個(gè)可變電阻串聯(lián)，