函数发生器设计报告.doc

2011级电子信息模拟电路课程设计报告 题目：函数发生器设计 姓名： 学号： 专业： 指导老师： 成绩： 日期：一、设计题目及要求1.1设计题目函数发生器的设计1.2基本要求输出频率：f=1KHz10Hz；输出幅度：正弦波VP-P014V；三角波VP-P07V；方 波VP-P014V；输出阻抗：Ro100；输出：正弦波失真度D5%；三角波非线性r5%；方波上升时间tr10us；稳定度：时间30分钟，频率漂移5%控制电路具有16路以上输出； 二、设计方案 分立元件制作法 采用比较器和积分器分别获得方波和三角波,再用晶体三极管组成的差分放大电路做三角波到正弦波的转换。波形变换的原理是利用差分放大传输特性非线性,传输特性曲线越对称,并且线性区间越窄越好。三角波的幅值应该接近晶体管的截止电压值。三、 系统方框图图1 系统方框图四、工作原理 4.1方波发生电路的工作原理图2 方波发生电路此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，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,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C1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C1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。4.2 方波-三角波转换电路的工作原理图3 迟滞比较器电压传输特性图4 三角波发生器的工作波形工作原理如下：若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。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。比较器的输出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|）, 当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，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,则 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 比较器的门限宽度由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图五所示。（1） 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，则积分器的输出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，其波形关系如图6所示（后面）。（2）a点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为批方波-三角波的频率f为由以上两式可以得到以下结论：1. 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。若要求输出频率的范围较宽，可用更换C1改变频率的范围，PR2实现频率微调。2. 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。4.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理图5 三角波正弦波的变换电路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。分析表明，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，UT26mV。如果Uid为三角波，设表达式为式中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：（1） 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；（2） 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。（3） 图为实现三角波正弦波变换的电路。其中Rp3调节三角波的幅度，Rp4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C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。 图6正弦波发生器的工作波形五、函数发生器的总方案5.1电路的参数选择及计算1.方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一）实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C1从1uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C1=C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。2.三角-正弦波部分计算比较器A1与积分器A2的元件计算如下。即取 ，则，取 ，RP1为47K的点位器。区平衡电阻由以上可得即当时，取，则，取，为100K电位器。当时 ，取以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻。三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取，滤波电容视输出的波形而定，若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。RE2=100欧与RP4=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RP4及电阻R确定。六、实验结果6.1方波波形6.2三角波波形6.3 正弦波波形 6.4仿真结果七、心得体会及总结首先，在实验过程中，我们遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。我也发现自己并不能够熟练的使用自己所学到的模电知识。再有后的学习中,我要加强自己对电路的设计和使用的能力。但是由于这次课程设计的实验电路很简单,并且有章可循,在各种资料的指引下,我们完成起来并不是很难。课程设计只是我们以后从事技术工作的一个缩影,通过这种训练,可以提高我们动手设计电路的能力,能够让我们更好的组织实验。培养分析问题,解决问题的能力，也为我们以后的毕业设计和电子工作打下了基础。其次，在此次的函数发生器的设计与制作过程中，对于元件实物有了新的一些认识；明白了一些Multisim10中对某些元件需要查其真实资料之后才能进行实际连接，否则会出错；也让我们对使用到的元件的结构和功能进一步了解和掌握，弄懂了所用器件的工作原理和具体的使用方法。最后，通过这次对函数信号发生器的设计,更加让我明白了理论联系实际的重要性，明白了动手实践的重要性。因为理论与实际毕竟有一定的距离，同时这次设计加深了我对所学知识的理解。由于这次课程设计的时间特别紧张，加之这又是自己第一次亲身经历，所以给我们各个方面都带来了很大的压力，模电知识掌握的并不牢固，所以难免有不足之处，还请老师多多谅解。元件清单数值元件称号0.1uC60.025ufC11KR62KRE42KRE36.8KRB16.8KRB28.2KR10KR410KR310KR110KR210KR510KRP610KRP720KRC120KRC220KRP5