模電多種波形發(fā)生器

.PAGE.專業(yè)資料整理分享完美WORD格式編輯遼寧工業(yè)大學模擬電子技術(shù)基礎課程設計〔論文題目：函數(shù)信號發(fā)生器的設計與制作院〔系：工程技術(shù)學院專業(yè)班級：電氣工程及自動化學號：11學生姓名：吳小強指導教師：〔簽字起止時間：2013.06.24—2013.07.5..課程設計〔論文任務及評語院〔系：工程技術(shù)學院教研室：電子信息工程學號111902011學生姓名吳小強專業(yè)班級電氣工程及自動化課程設計題目函數(shù)信號發(fā)生器的設計與制作課程設計〔論文任務設計任務：波形的產(chǎn)生及變換電路是應用極為廣泛的電子電路,現(xiàn)設計并制作能產(chǎn)生方波、三角波及正弦波等多種波形信號輸出的函數(shù)發(fā)生器。設計電路所需的直流穩(wěn)壓電源。功能要求：輸出的各種波形工作頻率范圍0.02Hz～1kHz連續(xù)可調(diào)。正弦波幅值±18V,失真度小于3％。方波幅值±18V。三角波幅值18V；各種輸出波形幅值均連續(xù)可調(diào)。設計要求：1.分析設計要求,明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標及應用環(huán)境等,廣開思路,構(gòu)思出各種總體方案,繪制結(jié)構(gòu)框圖。2.確定合理的總體方案。對各種方案進行比較,以電路的先進性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較,并考慮器件的來源,敲定可行方案。3.設計各單元電路?？傮w方案化整為零,分解成若干子系統(tǒng)或單元電路,逐個設計。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局,通常是按信號的流向,采用左進右出的規(guī)律擺放各電路,并標出必要的說明。指導教師評語及成績成績：指導教師簽字：年月日摘要在電子工程、通信工程、自動控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計算機等技術(shù)領(lǐng)域,經(jīng)常需要用到各種各樣的信號波形發(fā)生器。隨著集成電路的迅速發(fā)展,用集成電路可很方便地構(gòu)成各種信號波形發(fā)生器。用集成電路實現(xiàn)的信號波形發(fā)生器與其它信號波形發(fā)生器相比,其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標,都有了很大的提高。信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器,在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形,如三角波、鋸齒波、矩形波〔含方波、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中,都需要射頻〔高頻發(fā)射,這里的射頻波就是載波,把音頻〔低頻、視頻信號或脈沖信號運載出去,就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學等領(lǐng)域內(nèi),如高頻感應加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等,都需要功或大或小、頻率或高或低的振蕩器。函數(shù)信號發(fā)生器的實現(xiàn)方法通常有以下幾種:〔1用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器：通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高,其工作不很穩(wěn)定,不易調(diào)試?！?可以由晶體管、運放IC等通用器件制作,更多的則是用專門的函數(shù)信號發(fā)生器IC產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號發(fā)生器IC,如L8038、BA205、XR2207/2209等,它們的功能較少,精度不高,頻率上限只有300kHz,無法產(chǎn)生更高頻率的信號,調(diào)節(jié)方式也不夠靈活,頻率和占空比不能獨立調(diào)節(jié),二者互相影響?！?利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生多種波形,達到較高的頻率,且易于調(diào)試.〔4利用專用直接數(shù)字合成ＤＤＳ芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達到很高的頻率。但成本較高。目錄一、設計要求2二、設計的作用、目的2三、性能指標2四、設計方案的選擇及論證3五、函數(shù)發(fā)生器的具體方案31.總的原理框圖及總方案32.各組成部分的工作原理32.1方波發(fā)生電路32.2角波發(fā)生電路32.3正弦波發(fā)生電路32.4直流穩(wěn)壓電源的設計………………32.5方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理32.6三角波—正弦波轉(zhuǎn)換電路工作原理33.總電路圖3六、實驗結(jié)果分析3七、實驗總結(jié)3八、參考資料3函數(shù)信號發(fā)生器設計報告一、設計要求1.用集成運放組成正弦波、方波和三角波發(fā)生器。2.幅值和頻率自定義。3.正弦波、方波和三角波的幅值、頻率可調(diào)。二、設計的作用、目的1.掌握函數(shù)信號發(fā)生器工作原理。2.熟悉集成運放的使用。3.熟悉Multisim軟件。三、性能指標四、設計方案的選擇及論證函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同,有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器,使用的器件可以是分立器件<如低頻信號函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管>,也可以采用集成電路<如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038>。產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種,如首先產(chǎn)生正弦波,然后通過整形電路將正弦波變換成方波,再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波—方波,再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊?。方案一：由比較器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路,比較器輸出的方波經(jīng)過積分器得到三角波,三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。方案二：文氏橋振蕩器產(chǎn)生正弦波輸出,用集成運放構(gòu)成電壓比較器,將正弦波信號變換成方波信號輸出。用運放構(gòu)成積分電路,將方波信號變換成三角波信號輸出。方案二同方案一比較,對于三角波的產(chǎn)生有一定的麻煩,因為題目需要頻率為連續(xù)可調(diào),但幅度穩(wěn)定性難以達到要求；方案一由于采用運算放大器組成積分電路,因此可實現(xiàn)恒流充電,使三角波線性大為改善。由此,本設計采用方案一五、函數(shù)發(fā)生器的具體方案總體設計方案及框圖方波方波三角波正弦波比較器積分器差分放大器圖1.1總體設計方案框圖直流電源多波形信號發(fā)生器方框圖如圖1.1所示。本課題采用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器的設計方法。并采用先產(chǎn)生方波—三角波,再將三角波變換成正弦波的電路設計方法：由比較器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路,比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波,三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。設計差分放大器時,傳輸特性曲線要對稱、線性區(qū)要窄,輸入的三角波的的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。2.各組成部分的工作原理2.1方波發(fā)生電路從一般原理來分析,可以在滯回比較器電路的基礎上,靠正反饋和RC充放電回路組成矩形波發(fā)生電路,由于滯回比較器的輸出只有兩種可能的狀態(tài),高電平或低電平,兩種不同的輸出電平式RC電路進行充電和放電,于是電容上的電壓降升高或降低,而電容的電壓又作為滯回比較器的輸入電壓,控制其輸出端狀態(tài)發(fā)生跳變,從而使RC電路由充電過程變成放電過程或相反,如此循環(huán)往復,周而復始,最后在滯回比較器的輸出端即可得到一個高低電平變化周期性交替的方波信號．方波發(fā)生電路仿真電路模型如圖5-1和5-2所示圖5-1圖5-1圖5-1方波發(fā)生電路仿真模擬2.2三角波發(fā)生電路在產(chǎn)生方波之后,利用此波形輸入到一個積分電路便可輸出一個三角波。由于三角波信號是電容的充放電過程形成的指數(shù)形式,所以線性度較差,為了能得到線性度較好的三角波,可以將運放和幾個電阻,電容構(gòu)成積分電路。三角波發(fā)生電路仿真電路模型如圖5-2所示：圖5-2圖5-2圖5-2三角波發(fā)生電路仿真模擬2.3正弦波發(fā)生電路利用差分放大器傳輸特曲線的非線性,將三角波信號轉(zhuǎn)化成正弦波信號。其傳輸特性曲線越對稱,線性區(qū)越窄越好,三角波的幅值Ｕpp應正好使晶體管接近飽和區(qū)和截止去。正弦波發(fā)生電路仿真電路模型如圖5-3所示：圖5-3圖5-3方波仿真圖如下三角波仿真圖如下正弦波仿真圖如下2.4直流穩(wěn)壓電源設計電源電壓由220v交流電源組成外加3個三極管2個9013一個8050組成的輸出串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的實驗電路圖。其中整流部分采用了4個二極管組成的橋式整流器,型號為1N4007,。濾波電容C1、C2一般選取幾百至幾千微法。當穩(wěn)壓器距離蒸餾濾波電路較遠時,在輸入端必須接入電容器C3,以抵消線路的電感效應,防止產(chǎn)生自激振蕩。輸出端電容C4用以濾除輸出端的高頻信號,改善電路的暫態(tài)響應。2.5方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理圖5-7為方波-三角波轉(zhuǎn)換電路,其中運算放大器用雙運放器741－DIV圖5-7參數(shù)選擇：在電容C1、C2處放置了選擇開關(guān),可以滿足課設要求的兩個頻率范圍1～10Hz、10～100Hz：當需要1～10Hz時,開關(guān)選擇C2=1μF,取,RP2為100Ω電位器；當需要10～100Hz時,取C2=100nF,以實現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換,R4及RP2的取值不變。平衡電阻。工作原理如下：若a點斷開,運算發(fā)大器A1〔左與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器,C1為加速電容,可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。運放A2〔右與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器,其輸入信號為方波Uo1,則積分器的輸出電壓Uo2為當時,當時,若a點閉合,即比較器與積分器首尾相連,形成閉環(huán)電路,則自動產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為：方波-三角波的頻率f為：由此可見積分器在輸入為方波時,輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波,其波形關(guān)系如下圖５－８所示方波-三角波的頻率f為：由以上兩式可以得到以下結(jié)論：電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時,不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬,可用C2改變頻率的范圍,PR2實現(xiàn)頻率微調(diào)。方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可實現(xiàn)幅度微調(diào),但會影響方波-三角波的頻率。2.6三角波—正弦波轉(zhuǎn)換電路工作原理圖5-9參數(shù)選擇：隔直電容C3、C4、C5要取得較大,因為輸出頻率很低,取,濾波電容視輸出的波形而定,若含高次斜波成分較多,可取得較小,一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián),以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線,調(diào)整RP4及電阻R6確定。圖5-10分析表明,傳輸特性曲線的表達式為：上式中：；—差分放大器的恒定電流；—溫度的電壓當量,當室溫為25℃時,UT≈26mV。如果Uid為三角波,設表達式為式中：Um—三角波的幅度；T—三角波的周期。為使輸出波形更接近正弦波,由圖5-10可知：傳輸特性曲線越對稱,線性區(qū)越窄越好；三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。3.總電路圖圖5-11六、實驗結(jié)果分析比較器與積分器組成正反饋閉環(huán)電路,方波、三角波同時輸出。電位器Rp1與Rp2要事先調(diào)整到設定值,否則電路可能會不起振。只要接線正確,接通電源后便可輸出方波、三角波。微調(diào)Rp1,使三角波的輸出幅度滿足設計要求,調(diào)節(jié)Rp2,則輸出頻率在對應波段內(nèi)連續(xù)可變。調(diào)整RP4及電阻R7,可以使傳輸特性曲線對稱。調(diào)節(jié)Rp3使三角波的輸出幅度經(jīng)Rp3輸出等于Uidm值,這時輸出波形應接近正弦波,調(diào)節(jié)C6的大小可改善波形。因為運放輸出級由PNP型與NPN型兩種晶體管組成復合互補對稱電路,輸出方波時,兩管輪流截止與飽和導通,導通時受輸出電阻的影響,使方波輸出值小于電源電壓值,故方