函数信号发生器报告原理部份.doc

函数信号发生器一、 设计要求和指标1、连续可调频率范围为10Hz100Hz。2、可输出三角波、方波、正弦波。3、三角波、方波、正弦波信号输出的峰-峰值05V连续可调。4、三角波、方波、正弦波信号输出的直流电平-3V3V连续可调。5、输出阻抗约600。二、 函数发生器的基本原理函数发生器是能产生多种波形的信号发生器。如产生正弦波、三角波、方波、锯齿波、阶梯波和调频、调幅等调制波形。一般至少要求产生三角波、方波和正弦波。产生各种信号波形的方法很多，其电路主要由振荡器、波形变换器和输出电路三个部分组成。如图1.1.1。图1.1.1 函数发生器框图振荡电路主要产生具有一定频率要求的信号。它决定了函数发生器的输出信号的频率调节范围、调节方式和频率的稳定度；在要求不高的场合，电路往往以需要产生的波形中的一种信号作为振荡信号。常用的振荡器有脉冲振荡器和正弦波振荡器。该部分主要考虑信号频率调节范围和频率的稳定度。波形变换器功能是对振荡源产生的信号进行变换和处理，形成各种所需的信号波形。重点考虑波形的失真问题，通过采取各种措施尽可能使波形失真减少。输出电路是对各路波形信号进行幅度均衡和切换，并完成信号幅度的调节、功能；重点考虑输出端的特性，如输出波形的最大幅值、输出功率和输出阻抗等。三、 单元电路设计1、振荡电路振荡器形式很多，主要有正弦波振荡器和非正弦波振荡器两类；正弦波振荡器的电路形式较多，有LC振荡器、桥式振荡器、RC移相振荡器等。LC振荡器一般用于高频电路，而桥式振荡器和RC移相振荡器通常用于低频电路。其特点是产生的正弦波的波形一般比较好，但频率调节范围比较小，幅度受频率变化的影响较大。非正弦波振荡器产生的是脉冲波，电路形式更多，简单、容易实现，一般用RC充放电特性形成振荡；往往同时能产生锯齿波或三角波，频率调节范围宽，幅度较稳定。1）方案选择方案一：利用集成运算放大电路也可实现产生方波和三角波的信号发生器，电路主要由比较器和积分器构成。图1.2.1是由RC无源积分器和比较器所组成的三角波、方波产生电路，它的特点是线路简单，但性能较差，尤其是三角波的线性度和负载能力差。所以这种电路一般用于要求不高的场合。图1.2.1 三角波、方波产生电路之一电路中，集成运算放大器由电阻R1、R2连接构成迟滞比较器，它形成的两个门限比较电压为：上限电压：下限电压：其中，Vz=VWZ+VD。VWZ和VD分别为稳压二极管的稳压值和正向导通电压。积分器和迟滞比较器构成振荡电路。设开始时Vo=+Vz，此时，集成运算放大器正输入端的电压为VT+；Vo电压通过R对C充电，Vc上升直到VT+，比较器翻转，Vo变为-Vz，集成运算放大器正输入端的电压也变为VT-，C通过R放电至VT-后比较器又翻转，如此往复振荡下去。这样VO输出为方波，VC输出为近似三角波。波形如图1.2.2所示。图1.2.2 由RC无源积分器振荡电路的信号波形由于三角波是电容C的充放电形成，电容的充放电是按指数规律变化的，并不是线性，所以三角波的线形不好。要获得比较好的三角波，时间常数RC必须取得很大，这样振荡频率将变得很低，如果要保证信号的频率，必须增大R1减少R2，三角波的峰值将变得比较小，一般取VOM0.2VZ。方案二：如图1.2.3电路采用有源积分器可有效解决三角波形线性不好的问题，故设计时选用该方案。图1.2.3 三角波、方波产生电路之二电路中，有源积分器由运算放大器2A及其外围电路积分电容C和电阻R5、R7组成。有源积分器的输出通过R1接至比较器1A的正输入端，积分器的输入电压由电位器分压取出，设RW与R6形成的分压系数为aw，则积分器的输入电压为Vi=awVz。分压系数aw为： 即积分器的输入电压Vi的峰值电压通过调节电位器RW，可从到VZ可调。设某时刻比较器输出VOZ=VZ，积分器的输入电压为+awVz。通过积分器积分使得VOS下降，比较器的正端输入电压Vi+跟随下降。当Vi+电压下降超过0V时，比较器将翻转VOZ=-VZ，Vi+突然变为负电压，此时为VOS的负峰电压-VOSM。VOSM的值为：比较器输出电压VOZ=-VZ又通过积分器使得VOS上升，当Vi+电压上升超过0V时，比较器又将翻转为VOZ=VZ，重复下一次的振荡。此时VOS为正峰电压+VOSM。振荡器输出VOZ为方波，峰值为稳压二极管所限定的电压VZ，VOS为三角波的输出电压，VOSM为三角波的峰值。振荡器的波形如图1.2.4。图1.2.4 RC有源积分器振荡电路的信号波形在VOZ=-VZ期间（为振荡半周期T/2），积分器的积分时间常数约为，输出电压VOS：可见，VOS对时间为线性。当VOZ由-VZ变为VZ时，VOS=VOSM，则振荡频率f为：代入，并整理得频率为：可见改变aWw可改变频率，RW为频率调节电位器。改变电容C也可调节频率，通过开关，以10倍地切换容量可获得10倍的频率档位扩展。2）电路设计及参数估算根据输出口的信号幅度要求，可得最大的信号幅度输出为：VM=5/2+3=5.5V采用对称双电源工作（VCC），电源电压选择为：VCCVM+2V=7.5V 取VCC=9V选取3.3V的稳压二极管，工作电流取5mA，则： VZ=VDZ+VD=3.3+0.7=4V 为方波输出的峰值电压。 取680。 取8.2K。R1=R2/3=8.2/1.5=5.47（K） 取5.1K。三角波输出的电压峰值为：VOSM=VZR1/R2=45.1/8.2=2.489（V）R4=R1R2=3.14 K取3K。取10K。R6=RW/9=10/9=1.11（K） 取1K。积分时间常数：取C=0.1uF，则：R5=4.019/0.1=40.19K取39K。取R7=R5= 39K。转换速率一般的集成运算放大电路都能满足要求。3）电路调试1. 接入电源后，用示波器进行双踪观察；2. 调节RP1，使三角波的幅值满足指标要求；3. 调节RP2，微调波形的频率；4. 观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装 1. 把两块741集成块插入面包板，注意布局；2. 分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法； 3. 按图接线，注意直流源的正负及接地端2、波形变换电路图1.3.3 利用二极管将三角波转换成正弦波图1.3.3是利用二极管的非线性将三角波转换成正弦波的一种简单方案。图中采用两级二极管转换，构成两个转折点的三段折线逼近正弦波电路。随着三角波输入电压增大，二极管逐级导通，等效的负反馈电阻逐级变小，放大倍数变小。调节三角波的输入幅度，使输出正弦波的失真最小即可。三角波的输入幅度约为2 V，输出正弦波的幅度约为1.5 V。3、输出电路1）电路原理正弦波、三角波、方波三路信号经过开关切换到放大电路的输入端。选择其中一路信号进行输出。由于三路信号的幅度不一致，开关切换波形时会产生幅度跳变，且进行幅度调节时，幅度的变化不同步。必须对三路信号幅度进行平衡。以其中一路信号（幅度最小的一路）作为基准，利用电位器RW1、RW2调节另外两路信号的幅度，使三路信号在幅度调节电位器RW3上产生的幅度相等。R2、R3和集成运算放大器U形成信号的放大电路，对信号进行放大，电位器RW3用于调节信号的输出幅度。 RW4、R4、R5用于调节输出的直流电平大小，直流电平由R6叠加到运算放大电路的输入端经放大后输出。R8形成所要求的输出电阻，同时保护输出端短路损坏集成电路。2）电路设计及参数估算（1）输入回路元件参数各个波形信号统一的最大输入电压：电阻R1电位器RW3的取值不能太大，也不能太小。取值太大，由于各种杂散因素的影响，会使信号的质量下降。取值太小又可能使输入信号过载，信号幅度下降，严重时会使信号失真。电位器的取值范围一般在1K10K之间。R1的取值由输入信号的负载特性决定，当输入信号的内阻较小时可取得较小，也可以短路。一般情况下在几百欧姆到几千欧姆之间取值。电路中，选取R1=X K。电位器RW3取X K选取RW1、RW2的标称值为使用值的两倍左右即可。（2）放大电路元件参数输入电阻R2（310）RW3则由放大倍数得R3为：R8根据输出电阻要求来选取。（3）直流调节电路参数取电路的直流放大倍数为1，有R6=R3，采用正负对称电源时R4=R5。设输出直流电压最大调节范围是-V-+V-，则要求RW4的电压调节范围：若R6=R3，有-V-+V-。取分压电路的工作电流为I，I同时要满足： 否则，输入回路将对分压电路产生影响。R4、R5、RW4的取值由下式确定。R7为平衡电阻，其值为：R7R2R3R6，考虑电位器RW3、RW4的影响，取值稍大一些。3）电路调试1. 接入直流源后，把C4接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点；2. 测试V1、V2的电容值，当不相等时调节RP4使其相等；3. 测试V3、V4的电容值，使其满足实验要求；4. 在C4端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压；四、 整机电路调试1. 把两部分的电路接好，进行整体测试、观察2. 针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。五仪器仪表清单设计所用仪器及器件1直流稳压电源 1台2双踪示波器 1台3万 用 表 1只4运 放741 2片5电位器50K 2只 100K 1只 100 1只6电 容470F 4只 0.05F 2只 7三极管9013 4只8面包板 1块9剪刀把10仪器探头线 2根11电 源 线 4根 12 20K欧电阻 4个 30K欧电阻 2个 7.5K 欧 1个 100欧 1个 2K欧 2个 6.7K欧 1个 9K欧 2个六实验总结 康华光老师编写的模拟电路课本，重点讲了三极管，反馈和放大器，书中多提到的正弦波，方波，三角波的实现重点集中在第九章，正弦波实验以前也做过，用的是文氏桥振荡电路，是AF=1,电路发生自激振荡，通过选频，输出正弦波，但通过查阅参考资料，仔细看课本，原来差分放大器也可以近似逼近正弦波，他的理论源于课本第六章差分放大器传输特性曲线，而传输特性曲线的公式根本理论源于三极管第一节分析三极管产生的本质原因时内部载流子运动退