电子技术课程设计-低频函数信号发生器

电子技术课程设计——低频函数信号发生器学而时習之，不亦悦乎？

——孔子《论语》道可道非常道。

——老子《道德经》教学安排：第一阶段（前5天）：玉泉教七-102上午上课（8:30-11:30）下午完成布置任务（阅读、设计、仿真）第5天：测试，完成预设计报告第二阶段（后5天）：东3实验室上午8:00发车（玉泉后校门内）；下午5:00发车。第6天上午:领电路板第6-9天焊接，实验调试第10天完成课程报告教学内容：第11章电子设计基础知识实验12.2低频函数信号发生器的设计实验12.3低频数字频率计的设计所涉及技能：元器件仪器仿真焊接调试报告设计课件下载地址ftp:8:8021匿名登陆目录：预设计报告上传地址ftp:同上匿名登陆目录：要求：文件名统一“学号姓名预设计报告”成绩评定：平时成绩10分测试成绩20分实验结果40分实验报告20分其他(创新性)10分电子系统设计概论常用电子系统：测控系统：航天飞机的飞行控制系统、工业生产控制系统测量系统：电能质量监测系统、多路数据采集系统、各种电量和非电量的测量仪器通信系统：数字通信系统、MODEM家电系统：调频收音机、VCD、照相机汽车电子：汽车防盗器

、电动汽车电子系统组成框图：核心完成一个特定功能的完整的电子装置称为电子系统。电子系统设计基本方法：系统元器件功能模块功能模块功能模块功能模块……单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路单元电路…………子系统子系统…电子系统设计过程：方案论证总体设计软硬件设计组装调试产品定型确定系统功能：“做什么？”确定性能指标：“做到什么程度？”确定组成方案：“怎么做？”系统软硬件划分系统功能划分及子系统框图选择硬件类型：通用IC、PLD、MCU、

DSP、ASIC、SOC设计单元电路，确定元器件设计程序流程，编写源程序制作印刷板（或画出电路图）装配调试测试系统指标写出产品技术报告和说明书总结设计报告组装正式样机现代电子设计方法：画电路图：protel电路板布局：protel电气制图：Autocad电路仿真：pSpice(Orcad),ewb(multisim)其他：vhdl,keilc51,ads,sdt衰减器开关频率档级函数选择函数/计数直流偏置占空比频率调节频率显示窗口幅度调节压控振荡输入

同步信号输出信号输出端频率计数输入设计任务1.同时输出三种波形：方波、三角波、正弦波一、设计内容：设计一个低频函数信号发生器二、性能与技术指标2.频率范围：10Hz～10kHz3.频率稳定度:4.频率控制方式：

(1)通过改变RC时间常数控制频率（手控方式）；设计任务书：(2)通过改变控制电压V1实现压控频率（即VCF），常用于自控方式。即:

（V1=1～10V）为确保良好的控制特性，可分三段控制：①10Hz～100Hz②100Hz～1kHz③1kHz～10kHz5.波形精度：(1)方波：上升沿和下降沿时间均应小于2µs(2)三角波：线性度(3)正弦波：谐波失真度（V1为基波有效值，Vi为各次谐波有效值)trtf0.1Vom0.9VomVom

Vom6.输出方式：(1)作电压源输出时，要求：①输出电压幅度连续可调，最大输出电压（峰峰值）不小于20V；(2)作电流源输出时，要求：①输出电流连续可调，最大输出电流（峰峰值）不小于200mA；②当RL=100Ω～1kΩ时，输出电压相对变化率(即要求Ro<1.1Ω);7.具有输出过载保护功能当因RL过小而使Iopp>400mA时，输出晶体管自动限流，以免进一步损坏电路元器件。8.采用数字频率显示方式。②当RL=0～90Ω时，输出电流相对变化率

(即要求Ro>9kΩ)。(3)作功率输出时，要求最大输出功率Pomax≥1W（RL=50Ω时）。低频函数信号发生器的设计一、总体方案讨论振荡部分输出电路输出频率调节幅度调节频率指示幅度指示函数信号发生器的原理框图信号产生部分的多种实现方案模拟电路实现方案数字电路实现方案模数结合的实现方案数字电路的实现方案，一般可事先在存储器里存储好函数信号波形，再用D/A转换器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储点数、D/A转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。其信号频率的高低，是通过改变D/A转换器输入数字量的速率来实现的。这种方案在信号频率较低时，具有较好的波形质量。随着信号频率的提高，需要提高数字量输入的速率，或减少波形点数。波形点数的减少，将直接影响函数信号波形的质量，而数字量输入速率的提高也是有限的。因此，该方案比较适合低频信号，而较难产生高频信号（如>1MHz）。模数结合的实现方案，一般是用模拟电路产生函数信号波形，而用数字方式改变信号的频率和幅度。如采用D/A转换器与压控电路改变信号的频率，用数控放大器或数控衰减器改变信号的幅度等，是一种常见的电路方式。模拟电路的实现方案，是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。由于教学安排及课程进度的限制，本实验的信号产生电路，推荐采用全模拟电路的实现方案。对于信号产生电路的模拟电路实现方案，也有几种电路方式可供选择。如用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，电路框图如图所示。模拟电路实现信号产生电路的多种方式方案1正弦波发生器过零比较器积分器正弦波方波三角波这种电路结构简单，并具有良好的正弦波和方波信号。但要通过积分器电路产生同步的三角波信号，存在较大的难度。原因是积分电路的积分时间常数通常是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度将同时改变。若要保持三角波输出幅度不变，则必须同时改变积分时间常数的大小，要实现这种同时改变电路参数的要求，实际上是非常困难的。方案2正弦函数转换电路比较器积分器正弦波方波三角波另一种电路方式是，由三角波、方波发生器产生三角波和方波信号，然后通过函数转换电路，将三角波信号转换成正弦波信号，电路框图如图所示。正弦函数转换电路比较器积分器正弦波方波三角波这种电路在一定的频率范围内，具有良好的三角波和方波信号。而正弦波信号的波形质量，与函数转换电路的形式有关，这将在后面的单元电路分析中详细介绍。该电路方式是本实验信号产生部分的推荐方案。根据实验任务中对输出电压、输出电流及输出功率的要求，原则上在输出级只需采用不同的负反馈方式便可。即要求电压输出时，采用电压负反馈；要求电流输出时，采用电流负反馈。这将在单元电路分析中进行详细介绍。由所选方案及组成电路的形式，可以初步分析该实验在实现上述技术指标时的关键和困难之处。由于三角波的线性度、正弦波信号的谐波失真度都需要专用测试设备进行检测，在学生实验室一般不具备这样的条件。因此，在实验的设计、制作及测试过程中，应该重视对它们的分析和理解，以便了解影响这些技术指标参数的电路形式、组成电路的元器件、改善和提高这些技术指标的方法和措施。对于方波信号的上升沿和下降沿时间，则可用实验室中的示波器进行检测，该项技术指标也是本实验的一项重要和关键的参数。因此，在设计三角波，方波发生器和输出放大电路时，要特别注意与该指标有关参数的选取，如运算放大器的转换速率（SR）等。1.三角波方波发生器(1)比较器＋RC电路二、单元电路分析R两端的电压逐渐下降，充电电流也将不断减小。线性度非常差，显然不能当作三角波使用。使iC恒定的办法有多种，其实质都是利用恒流源电路取代图中的R，便可获得较为理想的三角波波形。三种形式的恒流源电路三极管构成场效应管构成1个恒流源+桥式整流第一种形式：三极管构成第二种形式：场效应管构成第三种形式：1个恒流源+桥式整流(2)比较器＋积分器在一般使用情况下，V

1和VΘ2都接地。只有在方波的占空比不为50%，或三角波的正负幅度不对称时，可通过改变V

1和VΘ2的大小和方向加以调整。V

1和VΘ2都接地时的波形：(1)对称调节点V

1

V

1>0时：当vO2=+VZ时，当vO2=-VZ时，当V

1>0时，T1>T2；V

1<0时，T1<T2。所以，由于失调等原因引起波形不对称时，可通过改变V

1的大小进行调整。(2)零位调节点VΘ2当v2(t)=VΘ2时，A2翻转。故A2翻转时vO1的电压为：若VΘ2>0，则三角波上移；若VΘ2<0，则三角波下移。其上幅度为：其下幅度为：而三角波的峰峰值为：由上可知，当R2/R3的比值调好后，三角波的峰峰值已经确定，调节VΘ2的大小可使三角波上下平移。因此，当由于失调等原因引起三角波零位偏移（上下不对称）时，可通过改变VΘ2的大小进行调整。一号任务书根据给出的参考电路，估算频率范围和三角波、方波幅值。比照原理电路和参考电路，说明两者之间的区别。若要求三角波幅度范围为1～8V，试重新设计电路。电路中R2有何作用，估算R2阻值。若要求能调节占空比，试设计电路。运放的SR参数是什么意思？若已知运放LF353的SR＝13V/µs，试分析能否满足电路的设计要求。电路设计：若方波和三角波的波形时间轴上不对称，则可能是什么原因？若方波和三角波的波形幅度不对称，则可能是什么原因？怎么办？若方波三角波出不来，但线路经检查正确。怎么办？测量频率范围时，能否通过调Rp2来改变频率？仿真分析方波三角波发生电路（PSpice或MultiSim或……），运放可选择LM324。仿真和EDA：调试：拓展题（选做）：自学protel软件中的画图和布线功能，画出整个实验电路的布线图。阅读相关资料，论述函数信号发生器有哪些方案。查找函数信号发生器的专用集成电路型号及特点。阅读相关资料，论述直接数字合成(DDS)的概念及优点。在6个拓展题中选择一个,做成ppt,上台报告。函数转换是指：把某种函数关系转换成另一种函数关系，能完成这种转换功能的电子电路就称为函数转换电路。常用的函数转换电路，如半波、全波整流电路，就是把正弦波形转换成半波和全波波形的函数转换电路。本实验需要讨论的是，把三角电压波形转换成正弦电压波形的正弦函数转换电路。2.正弦函数转换电路从转换原理分析，有多种方法能完成这一转换功能，常用的有：滤波法的转换原理是，把峰值为Vm的三角波用傅里叶级数展开：滤波法运算法折线法由上式可以看出，若三角波的频率变化范围不大，则可用低通滤波器滤去高次谐波，保留基波成份，正弦波与三角波之间具有固定的幅度关系。但若三角波的频率变化范围较大（如本实验的频率变化范围是1000倍），要设计一个对截止频率具有跟踪功能的低通滤波器就相当困难、不易实现。因此，滤波法只适用于频率变化范围很小，最好是固定频率的应用场合。

运算法的转换原理是，把展开成幂级数形式：由上述关系容易看出，取幂级数的前几项（根据转换精度的要求），可以通过对线性（三角波）变化量x的运算来近似表示成sinx，但要求三角波的幅度<π/2。运算转换法由于运算复杂，用电子电路较难实现。折线法是一种使用最为普遍、实现也较简单的正弦函数转换方法。折线法的转换原理是，根据输入三角波的电压幅度，不断改变函数转换电路的传输比率，也就是用多段折线组成的电压传输特性，实现三角函数到正弦函数的逐段校正，输出近似的正弦电压波形。由于电子器件（如半导体二极管等）特性的非线性，使各段折线的交界处产生了钝化效果。因此，用折线法实现的正弦函数转换电路，实际效果往往要优于理论分析结果。用折线法实现正弦函数的转换，可采用无源和有源转换电路形式。无源正弦函数转换电路，是指仅使用二极管和电阻等组成的转换电路。有源正弦函数转换电路，转换电路除二极管、电阻网络外，还包括放大环节。无论是无源还是有源转换电路，其转换原理都是雷同的。根据输入三角波电压的幅度，不断增加（或减少）网络通路以改变转换网络的系数，输出近似的正弦电压波形。有源正弦函数转换电路的转换原理如图所示。若设正弦波在过零点处的斜率与三角波斜率相同，即0T/14T/7T/23T/144T/145T/146T/14T/4VImVOmvI,vO(V)t5.001.382.493.093.18VO1VO2VO3则有

（设VIm=5V）0T/14T/7T/23T/144T/145T/146T/14T/4VImVOmvI,vO(V)t5.001.382.493.093.18VO1VO2VO3由此可推出各断点上应校正到的电平值：不同区段内的比例系数：在0~T/14区段内在T/14~T/7区段内在T/7~3T/14区段内在3T/14~T/4区段内0T/14T/7T/23T/144T/145T/146T/14T/4VImVOmvI,vO(V)t5.001.382.493.093.18VO1VO2VO3

正弦函数转换方案1vivo基本结构是比例放大器。只是使运放在不同的时间区段（或输出电平区段）内，具有不同的比例系数。对不同区段内比例系数的切换，是通过二极管网络来实现的。在0~T/14区段内要求D1~D6均不导通。vivo即书上的式子：若取Ri=10kΩ，则Rf=9.7kΩ(可选10kΩ)。要求D1导通，D2~D6均截止。此时，在T/14~T/7区段内vivo由此可计算出Ra1=35.5kΩ（可选35kΩ）。为了控制D1的动作电平，要求1点上的电平满足下列关系：vivo或设计时，为避免Rb1对放大器比例关系的影响，要求Rb1>>Ra1，所以，上式又可简化为：取VD=0.6V，则（选670kΩ）。对于其它区段内各电阻参数的计算，同理可以进行计算和选取。vivoRa2=9.13kΩ(选9.1kΩ),Rb2=72.22kΩ(选75kΩ);Ra3=1.88kΩ(选1.8kΩ),Rb3=10.97kΩ(选10kΩ).二极管网络：逐段校正。运放：电压跟随器，作为隔离，称为缓冲级。三极管：电压跟随器，提供参考电平。

正弦函数转换方案2在输入信号的正半周内，应由D1~D3实现逐段校正；在输入信号的负半周内，应由D4~D6实现逐段校正。设硅二极管的开启电压为0.5V，所以各二极管的动作电平V1~V3应设置为：vivovivo在0~T/14区段内D1~D6均不导通，所以vo=vi。在T/14~T/7区段内仅有D1导通，D2~D6均截止。此时，即书上的式子：若选R4=2.2kΩ，则R5=7.8kΩ。vivo在T/7~3T/14区段内D1、D2均导通，所以有即代入已知数据后得R6=2.01kΩ，取R6=2kΩ。vivoD1~D3

均导通，输出电压被二极管D3嵌位，所以vO=V3+0.5V=3.1V。（对这一段的校正与方案1不同）。在3T/14~4T/14区段内图中的V1~V3

，是通过由跟随器组成的电压源，再经分压后得到的。因此，为使电压源内阻不影响各个转折电压，分压器的阻值应选得远小于R5

和R6

。分析和实验结果表明，当输入三角波在T/2内设置六个断点，以进行七段校正后，可得到正弦波的非线性失真度大致在1.8%以内，若将断点数增加到12个时，正弦波的非线性失真度可在0.8%以内(实测值为0.42%)。vivo这里介绍的两种有源正弦函数转换网络，基本设计思想都是将三角波进行逐段校正，使之输出逼近正弦波。二号任务书针对正弦函数转换电路方案2（教材图12.17），估算基准电压V1、V2、V3数值，估算R1～R3阻值。比照课件电路（即教材图12.17）和参考电路，说明两者之间的区别及优缺点。参考电路中，电位器Rp3有何作用？运放U2A有何作用？能否将运放U2A组成的比例电路改为电压跟随器？为何？设计参考电路中基极分压电阻R14～R17的阻值。电路设计：列出正弦转换电路的调试要点。基准电压无法调整到所需值，什么原因？怎么办？能输出正弦波，但形状不正确。什么原因？怎么办？仿真分析正弦函数转换电路（参考电路），记录基准电压（静态电压）、运放同相输入端电压(峰值)、运放输出端电压(峰值)。仿真和EDA：调试：拓展题（选做）：若采用五段逼近，试计算各电阻阻值，并仿真验证。对于正弦函数转换电路方案1（教材图12.16），计算Ra2、Rb2和Ra3、Rb3阻值。根据不同负载的要求，输出级电路可能有三种不同的方式：3.输出级电路电压源输出方式电流源输出方式功率输出方式电压源输出方式电压源输出方式下，负载电阻RL

通常较大，即负载对输出电流往往不提出什么要求，仅要求有一定的输出电压。同时，当负载变动时，还要求输出电压的变化要小，即要求输出级电路的输出电阻Ro足够小。例如，当RL=100Ω~1kΩ时，若要求

，即意味着要求：为此，必须引入电压负反馈。运算放大器的输出电阻通常为1kΩ以下，当引入电压负反馈后，如希望Ro=1Ω，则要求：图示电路的最大输出电压受到运放供电电压值的限制，如运放的VCC

和VEE分别为±15V时，则VOPP=±(12~14)V。若要求有更大的输出电压幅度，必须采用电压扩展电路。设运放的Aod=104，则F应大于0.1，这是容易满足的。故要求Avf≤10。对运放而言，其供电电压（VCC–VEE）仍接近30V，只是二者随vO而浮动。如考虑到R2、R3上的电压至少为4V，则Vopp可达：±（45–15–4）=26V。当vO=+26V时，vB1=15+26=41V，vB2=26–15=11V；而当vO=-26V时，vB1=11V，vB2=-41V。电流源输出方式在电流源输出方式下，负载希望得到一定的信号电流，而往往并不提出对输出信号电压的要求。同时，当负载变动时，还要求输出电流基本恒定，即要求有足够大的输出电阻Ro

。例如，当RL=0~90Ω时，若要求，即意味着要求：为此，需引入电流负反馈。设运放Aod=104，即当Vop=10V时，要求VId=1mV。若Ro=1kΩ，则输出短路电流Ios=10V/1kΩ=10mA。由此可以估计出若运放的输出电阻Ro=1kΩ，则要求：所以要求：所示电路中，运放的最大输出电流通常在10~20mA，如负载要求有更大的输出电流，则必须进行扩流。一次扩流电路T1

和T2

组成互补对称输出。运放的输出电流IA中的大部分将作为T1

、T2

的基极电流，所以IO=βIA

。值得注意的是，晶体管β值应在额定电流下测得，它通常要小于小电流条件下的β值。并且，当运放输出电流增大时，运放的最大输出电压幅度也随着减小，不再能达到±(12~14)V。二次扩流电路用于要求负载电流IO较大的场合。复合管T1、T3和T2、T4

组成准互补对称输出电路。输出晶体管发射极上的电阻R用来稳定晶体管的工作电流，但它们与输出负载RL相串联，应尽可能减小其上的压降。通常取R=(0.05~0.1)RL

。R1和R3的数值应远大于T3、T4级的输入电阻Ri3和Ri4，以尽可能减少信号分流。大功率管T3、T4的rbe较小，通常为几十欧。所以常取R1=R3=几百欧。R2为平衡电阻，它用来提高复合管T2、T4

的输入电阻，以期和复合管T1、T3的输入电阻对称，所以取R2=R1//Ri3(约几十欧)。在调试时，通常还可以进行调整，以使最大输出电流在正、负向对称。功率输出方式在功率输出方式下，负载要求得到一定的信号功率。由于晶体管放大电路电源电压较低，为得到一定的信号功率，通常需配接阻值较小的负载。电路通常接成电压负反馈形式。如用运放作为前置放大级，还必须进行扩流。当RL较大时，为满足所要求的输出功率，有时还必须进行输出电压扩展。功率放大电路示例(1)功率管T4、T5的选用③T4、T5可能承受的最大功耗，按教材中对乙类功率放大器的分析，应为功率管的选用主要考虑三个极限参数：即VBR(CEO)、ICM和PCM。①T4、T5在电路中可能承受的反向电压最大值：VCE(max)=VCC+Vom≈2VCC=40V（截止时）；②流过T4、T5的最大集电极电流为：

IC(max)≈VCC/(RL+R5)（接近饱和时）；例图实际上，静态时，T4、T5中通常还有几十mA的静态工作电流ICQ将产生管耗(ICQ·VCC)，选管时应予考虑，所以另外，在选用管子时还要求二管的β值应尽量对称（特别是在最大电流时）。例图②考虑到T2、T3管集电极电流在R2、R3上的分流作用，它们的最大值可近似估计为：③T2、T3的最大功耗通常也按下列公式估计：(2)互补对称晶体管T2、T3的选用①T2、T3的耐压仍应按VCE(max)>2VCC选择；例图

T1为小功率管，但其耐压也应按2VCC选用，R3为集电极负载，最好用一恒流源取代。C5

为消振电容，其电容值通常为100pF左右。调节电位器Rw可改变输出晶体管T2~T5的静态工作电流，以克服交越失真。T1管的静态工作电流通常设置在5mA左右，以适应T2级拉电流负载（vC1升高时，T2、T4工作）和T3级灌电流负载（vC1降低时，T3、T5工作）的需要，由