模电课设-函数发生器

课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：信息工程学院题目:函数发生器设计初始条件：集成运放NE5532，NPN型三极管，电位器，电阻，电容假设干。设计任务:课程设计工作量：利用集成运算放大器和晶体管差分放大器等设计一个方波－三角波－正弦波函数发生器。技术要求：〔1〕频率可调范围：10Hz~10kHz；〔2〕输出电压：正弦波VPP=0~3V,三角波VPP=0~5V,方波VPP=0~15V；〔3〕输出电压幅度连续可调〔4〕方波上升时间小于2微秒，三角波线性失真小于1%，正弦发挥局部〔1〕矩形波占空比50%~95%连续可调；〔2〕锯齿波斜率连续可调。时间安排：〔1〕第17课本知识学习。〔2〕第18理论设计、实验设计及安装调试。〔3〕第十九周买元件焊接电路。指导教师签名：2011年1月7日系主任〔或责任教师〕签名：2011年月日目录TOC\o"1-3"\f\h\u19312课程设计任务书122908摘要I58191.绪论1298941.1课程设计的目的和意义1300731.2设计的任务及要求1200521.2.1设计任务1288251.2.2要求126202.方案认证2264142.1函数信号发生器电路设计参考方案24402方案一：221833方案二：2298342.2方案选择3323613．硬件电路设计4274793.1方波三角波转换电路的工作原理41553.2三角波正弦波转换电路的工作原理631125图3.2.2三角波正弦波转换8157533.3正弦波变方波的工作原理8125464.1三角波发生电路图1016464附录单元器件明细清单3318628参考文献34摘要 函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方涉及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。为进一步掌握电路的根本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。AbstractFunctiongeneratorisusuallyreferredtoascanautomaticallygeneratesinewave,square,trianglespreadsawtoothwave,theladderwaveetcofthevoltagewaveformcircuitordevice.Differaccordingtoutility,haveproducedthreeormorewavefunctiongenerator,thedeviceusedcanbedividedequipments(suchaslowfrequencysignalfunctiongeneratorS101alladoptthetransistor),alsocanuseintegratedcircuits(suchasmonolithicfunctiongeneratormodule8038).Forfurthergraspthebasictheoryandexperimentcircuitdebugtechnology,thissubjectadoptsbyintegratedoperationalamplifierandtransistordifferentialamplifierscomposedofsquarewave-trianglewave-sinefunctiongeneratordesignmethod.Producesinewaveandsquare-wave,trianglewavesolutionsarevarious,suchasfirstproducesinewave,thenthroughplasticcircuitwillsinewavetransformChengFangBo,againbyintegralcircuitwillsquare-waveintotrianglewave.Alsocanproducetrianglesquarewave-first,thenputthetrianglewaveintosinewaveorwillsquare-waveintosinewave,etc.Thissubjectadoptsfirstproducesquare-wave-trianglewave,thenputthetrianglewavelettransformintosinewavecircuitdesignmethod.1.绪论1.1课程设计的目的和意义通过设计环节的实际训练，加深学生对该课程根底知识和根本理论的理解和掌握，稳固课堂教学，培养学生综合运用所学知识的能力、动手实践能力以及独立思考能力，使之在理论分析、设计、计算、制图、运用标准和标准、查阅设计手册与资料以及计算机应用能力等方面得到初步训练，为以后的学习打下良好的根底，促进学生养成严谨求实的科学态度。1.2设计的任务及要求1.2.1设计任务利用集成运算放大器和晶体管差分放大器等设计一个方波－三角波－正弦波函数发生器。1.2.2要求〔1〕频率可调范围：10Hz~10kHz；〔2〕输出电压：正弦波VPP=0~3V,三角波VPP=0~5V,方波VPP=0~15V；〔3〕输出电压幅度连续可调；〔4〕方波上升时间小于2微秒，三角波线性失真小于1%，正弦波失真度小于3%；2.方案认证2.1函数信号发生器电路设计参考方案方案一：〔如图2.1.1所示〕RC文氏电桥振荡器产生正弦波，方波-三角波产生电路可正弦波振荡器采用波形变换电路,通过迟滞比拟器变换为方波,经积分器获得三角波输出。此电路的输出频率就是就是RC文氏电桥振荡器的振荡频率.图2.1.1方案一原理框图方案二：〔如图2.1.2所示〕用迟滞比拟器与反相积分器首尾相串联构成方波-三角波产生电路，然后，采用差分放大器，作为三角波—正弦波变换电路利用差分对管的饱和与截止特性进行变换，此电路的输出频率就是就是方波-三角波产生电路的频率，将正弦波用比拟器进行比拟产生方波，调节比拟电位，使得方波的占空比可以改变。图2.1.2方案二原理框图2.2方案选择 方案一中RC文氏电桥正弦波振荡电路中负反应电路中的电位器RW的细心调节，RW过大：输出方波！RW过小：电路不起振！并且该电路中调节波形和稳幅控制都不易实现；方案二中三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成，差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波，波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。综上所述，方案二要比方案一易于实现，并且输出波形稳定，易于控制，因此本次课程设计选择方案二实现函数信号发生器的设计与制作。图2.2.1所选方案原理方框图及对应波形3．硬件电路设计3.1方波三角波转换电路的工作原理〔如图3.1.1所示〕此电路由反相输入的滞回比拟器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反应网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,那么同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。图3.1.1方波—三角波产生电路3.1.2输出波形图3.1.3传输特性工作原理如下：假设a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比拟器，C1为加速电容，可加速比拟器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。比拟器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee〔|+Vcc|=|-Vee|〕,当比拟器的U+=U-=0时，比拟器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+Vcc,那么将上式整理，得比拟器翻转的下门限单位Uia-为假设Uo1=-Vee,那么比拟器翻转的上门限电位Uia+为比拟器的门限宽度由以上公式可得比拟器的电压传输特性，如图3.1.3所示。a点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，那么积分器的输出Uo2为时，时，可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下列图所示。a点闭合，既比拟器与积分器首尾相连，形成闭环电路，那么自动产生方波-三角波。三角波的幅度为方波-三角波的频率f为由以上两式可以得到以下结论：电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。假设要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。3.2三角波正弦波转换电路的工作原理三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。分析说明，传输特性曲线的表达式为：式中——差分放大器的恒定电流；——温度的电压当量，当室温为25oc时，UT≈26mV。如果Uid为三角波，设表达式为图3.2.1三角波——正弦波的变换电路式中Um——三角波的幅度；T——三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，由图可见：传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。图为实现三角波——正弦波变换的电路。其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C1,C2,C3为隔直电容，C5为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。图3.2.2三角波正弦波转换3.3正弦波变方波的工作原理过零比拟器，顾名思义，其阈值电压UT=0V。电路如图(a)所示，集成运放工作在开环状态，其输出电压为+UOM或-UOM。当输入电压uI<0V时，UO=+UOM；当输入电压uI>0V时，UO=-UOM。过压比拟器就是在改变参考电位的根底上产生的。3.4元件的选择及主要参数频率调节局部设计时，可先按三个频率段给定三个电容值：0.01μF、0.1μF、1μF然后再计算R的大小。手控与压控局部线路要求更换方便。为满足对方波前后沿时间的要求，以及正弦波最高工作频率〔10kHz〕的要求，在积分器、比拟器、正弦波转换器和输出级中应选用Sr值较大的运放〔如NE5532〕。为保证正弦波有较小的失真度，应正确计算二极管网络的电阻参数，并注意调节输出三角波的幅度和对称度。输入波形中不能含有直流成分。隔直电容C要取得很大，因为输出频率较低，取470μF，滤波电容视输出的波形而定，假设含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。R16=100欧与R17=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整R174及电阻R18确定。4.电路仿真图4.1三角波发生电路图图４.１三角波发生电路4.2正弦波发生电路图图4.2正弦波发生电路4.3方波发生电路图4.3方波信号发生电路4.4方波-三角波-正弦波函数发生器电路图4.4方波-三角波-正弦波信号发生电路5仿真波形图5.1方波图5.1方波信号仿真波形图5.2三角波图5.2三角波信号仿真波形图5.3正弦波图5.3正弦波信号仿真波形图5.4不同频率不同幅值的波形图图5.4方波Vpp=15V三角波Vpp=3V图5.510.58Hz下方波Vpp=15V三角波Vpp=5V图5.610.579Hz下方波Vpp=２V三角波Vpp=２V图5.７34.869Hz下方波Vpp=15V三角波Vpp=5V图5.834.951Hz下方波Vpp=2V三角波Vpp=2V图5.9347.34Hz下方波Vpp=15V三角波Vpp=5V图5.101.46KHz下方波Vpp=15V三角波Vpp=5V图5.1111.231Hz下正弦波Vpp=3V图5.1282.464Hz下正弦波Vpp=3V图5.13正弦波Vpp=2V图5.14正弦波Vpp=1v图5.157.744Hz下正弦波Vpp=3v图5.167.685Hz下正弦波Vpp=2V5.5仿真结果分析信号频率可通过电位器Ｒ5来改变，起调节频率范围满足10Hz~10kHz的范围要求。方波的幅值可通过电位器R23实现调节，调节范围0V~15V，满足要求；三角波信号的幅值可通过R25实现调节，也可通过R9调节，调节范围0V~7.2V；正弦波信号幅值可通过R22和R24实现调节，调节范围0V~4.7V；方波三角波波形稳定，不失真，正弦波波形易失真，需要耐心调节，主要有以下三种失真：a.钟形失真：传输特性曲线的线性区太宽。b.半波圆定或平顶失真：传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻.c.非线性失真：三角波传输特性区线性度差引起的失真，主要是受到运放的影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形。图5.17正弦波信号失真示意图5.6实物图图5.18方波-三角波-正弦波信号发生器实物图6.心得体会本次课设历时三周多，刚开始夜郎自大，自以为学了课本上的知识就能轻易而举的搞定，直到动手设计时才发现事情并没有想象中那么简单。由于没有任何经验，设计电路图时无从下手，只知道方案却对细节一无所知。于是开始看书，上网去图书馆书城查资料。慢慢的思路就清晰起来，设计了几个电路图开始仿真，第一次使用Multisim又遇到了同样的问题，面对界