函数信号发生器的设计和调测实验报告.doc

函数信号发生器的设计和调测实验报告学院：信息与通信工程学院姓名：刘逸群 班级：2010211117 学号：10210507一、 摘要方波与三角波发生器由集成运放电路构成，包括比较器与RC积分器组成。方波发生器的基本电路由带正反馈的比较器及RC组成的负反馈构成；三角波主要由积分电路产生。三角波转换为正弦波，则是通过差分电路实现。该电路振荡频率和幅度便于调节，输出方波幅度大小由稳压管的稳压值决定，方波经积分得到三角波；而正弦波发生电路中两个电位器实现正弦波幅度与电路的对称性调节，实现较理想的正弦波输出波形。二、关键词： 函数信号发生器 方波 三角波 正弦波三、设计任务要求：（1）基本要求：a) 设计制作一个可输出正弦波、三角波和方波信号的函数信号发生 器。1） 输出频率能在1-10KHz范围内连续可调，无明显失真；2） 方波输出电压Uopp=12V，上升、下降沿小于10s，占空比可调范围30%-70%；3） 三角波UOPP=8V；4） 正弦波Uopp1V。b） 设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制 完整的电路原理图（SCH）(2) 提高要求：a） 三种输出波形的峰峰值Uopp均可在1V-10V范围内连续可调。b） 三种输出波形的输出阻抗小于100。c） 用PROTEL软件绘制完整的印制电路板图（PCB）。(3) 探究环节：a) 能否提供使所设计函数信号发生器显示出当前输出信号的种类、大小和频率的实验演示或详细设计方案；（提示：三种波形从同一个端口输出，再用发光管之类的东西指示当前输出波形）b) 能否提供其他函数信号发生器的设计方案？如果能提供，请通过仿真或实验结果加以证明。四、设计思路与总体结构框图1、 原理框图： 实验设计函数发生器实现方波、三角波和正弦波的输出，其可采用电路图有多种。此次实验采用迟滞比较器生成方波，RC积分器生成三角波，差分放大器生成正弦波。除保证良好波形输出外，还须实现频率、幅度、占空比的调节，即须在基本电路基础上进行改良。由比较器与积分器组成的方波三角波发生器，比较器输出的方波信号经积分器生成三角波，再经由差分放大器生成正弦波信号。其中方波三角波生成电路为基本电路，添加电位器调节使其频率幅度改变；正弦波生成电路采用差分放大器，由于差分放大电路具有工作点稳定、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。2、 系统的组成框图电源电路方波-三角波发生电路正弦波发生电路方波输出三角波输出正弦波输出五、分块电路与总体电路的设计：1、方波-三角波产生电路上图所示为方波-三角波基本产生电路。由于采用了运算放大器组成的积分电路，可得到比较理想的方波和三角波。该电路振荡频率和幅度便于调节，输出方波幅度的大小由稳压管的稳压值决定，即限制在（UZ + UD）之间。方波经积分得到三角波，幅度为Uo2m =R1/Rf*(Uz + UD)改变R1与Rf的比值可调节Uo2m的大小方波和三角波的振荡频率相同，为f = 1/T =Rf/4R1R2C式中为电位器的滑动比（即滑动头对地电阻与电位器总电阻之比）。调节电位器可改变振荡频率。电路元件的确定:(1)、根据所需振荡频率的高低和对方波前后沿陡度的要求，选择电压转换速率SR合适的运放。（2）、根据所需输出方波幅度的要求，选择稳压值合适的稳压管型号和限流电阻Ro的大小。（3）、根据输出三角波的幅度要求，确定R1与Rf的大小 R1 = UO2M/(Uz + UD)Rf（4）、根据所要求的振荡频率确定R ：C的值 R2C = Rf/4fR1其原理如下图，由波形得： 2、三角波-正弦波产生电路实验采用差分放大电路，利用差分放大器传输特性曲线的非线性，以实现三角波转换为正弦波。如图所示为差分放大器传输特性曲线由上图可知：（1）、差分放大器传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；（2）、三角波的幅度应正好使晶体管接近截止区。如图为三角波-正弦波发生电路。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RE用来减小差分放大器的线性区。电容C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。这些器件使得输出波形更接近正弦波。差动放大器具有很高的共模抑制比，被广泛地应用于集成电路中，常作为输入级或中间放大级；其特性使得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。3、提高之三角波幅度可调：一者可以在Uo2的输出口接上一个分压电路（使用滑阻），这样只改变输出三角波幅值，不会影响其他电路。二者可以利用三角波产生的原理，改变R1和Rf的比值。考虑到后者实现的难度稍小，所以采用第二种方法，在Rf支路上串联一个10K欧的滑阻，最后可以实现赋值及频率同时可调。4、方波占空比可调：只需改变正负积分电路的积分常数即可，由此联想到锯齿波电压的产生电路，将R2替换为两条支路，用不同方向的二极管控制电路的通断。最后成功输出锯齿波电压和占空比可调的方波电压。5、总体电路由以上实验图可知，可利用实验产生的三角波输入以生成正弦波，从而实现三个波形的输出。将以上两个电路图连接起来得到如下图实验电路图。根据实验要求可知，所得方波占空比可调，因此在原有电路基础上，添加二极管和电位器，使得占空比可调得以实现。六、实现功能说明：（1）、已实现功能 通过万用表，毫伏表，以及示波器测量：输出方波在6.12v之间（无法取到精确阻值电阻，存在较小误差），基本满足实验要求，上升、下降沿小于10us，频率可以通过电位器调整，在1-10KHz内输出稳定，占空比电路设计出，但未调试成功。 输出三角波：三角波Uopp=8.03V 输出正弦波：正弦波Uopp1v三种输出波形的输出频率均可在1-10KHz内可调。在前几次实验中，并无明显失真；在验收时，正弦波出现了较为明显失真。(2)、主要测试数据与测试方法方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。分析电路主要关注的数据为静态下的电流电压值，保证电路安全，使得输出波形比较理想。首先方波-三角波产生电路中使用了两个运放器件，需注意接地，且调节使得电路中电流值不可过大，以防使器件损坏。同时需注意若选用电阻过大，电路中电流则会因为过小而使得无法出现波形。同时由于电路中使用了电容器件，电容值也会影响波形，同时也与频率有关，因此电容值不可过大或过小。对于差动放大器，该电路需进行静态调整。第一：通过调节RP调节电路的对称性。理想的差动放大器静态时应是输入为零时输出也为零，即当T1与T2的两个基极电位差为零时，T1与T2的两个集电极的电位差也应为零。但是由于电路的参数不可能完全对称，因此会出现两个基极电位差为零时两个集电极的电位差不为零的情况，所以需通过条令电位器RP进行静态调零，使电路输入为零时输出也为零。具体调节方法可采取用万用表或示波器进行调零监测。第二：通过调节恒流源改变电路的静态工作电流。差动电路中T1与T2的静态工作电流由恒流源偏置电路决定，可以改变恒流源偏置电路中的电阻来改变各个晶体管的静态工作电流。此些完成后便需对电路中各个晶体管进行调试，测得各个晶体管的静态工作点。七、故障及问题分析1、 方波的峰峰值过低或者过大，稳压管没有起到相应的作用。通过不断改变Ro的值（由于Rw改变不方便，还调过它）最终得到满足要求的波形。2、 三角波的上升沿比较粗，下降沿比较细。通过改变R2和C1的值不断改变波形频率，最后得到相对对称的三角波上升下降沿。3、 后级在直流工作点正常的情况下，没有正弦波的输出波形。通过逐段测试发现在信号经过Rp1后就已经为零了，这个滑阻本应是调节正弦波的幅度的，但粗浅分析应该会影响到前级的积分电路，将之换上一个调节方便的10K欧电阻，调解过程中发现确实有所影响，在不断调节下得到了输出的正弦波波形。4、 正弦波输出端输出的是三角波电压或是类似于香蕉波的波形，解决方式是调整滤波电容的值，使之达到滤波的效果，最后输出比较圆滑的正弦波。5、 在调节输出电压频率的时候，最后的正弦波电压输出幅度会有较大的改变，这应是后级差放电路还不够稳定，几个电容的值还不是很好导致的，因为当时已经验收了，后来也就没有调测。八、总结和结论此次的电子电路综合实验设计历时四个周，从第一周的原理设计到第二、三周的功能实现，再到第四周的实验验收和答辩，我经历了很多，发现了很多自己的不足，学会了很多，我的能力提高了很多。第一周中主要是选题和原理的设计,在选择了函数信号发生器的设计与调测后，我查阅了一些关于运放和差放的知识，根据实验教程上的知识设计了实验原理图，并通过计算得到了最初的元器件参数；在第二、三周中我开始搭电路，第一遍搭完时小错误很多，都是一些线路上的小问题。每天晚上对电路进行检查，这样在第三周顺利得到了波形。第四周的验收非常的顺利，验收时得到的波形满足实验的要求。在实验过程中，我有很多不足之处，首先我对软件的应用不是很熟练，经常会遇到一些问题，比如说PCB电路板图怎样生成，如何翻转元器件（不是旋转）等等。其次对于元器件的认识不够深，这导致在搭电路的过程常常会遇到接错的情况，一点的失误导致实验的失败。最后是我的布局观不强，第一遍搭完的电路很混乱，经过了修正才显得有条理。实践出真知，通过这次综合性设计实验，在发现不足的同时，我学会了很多东西，我的能力得到了很大程度的提高。其中最关键的是动手能力的提高，第一次用面包板，第一次尝试做集成电路，第一次通过自己的努力完成了函数发生器的设计与调试使我将以前学习的理论知识与实际相结合，在巩固理论知识的同时，提高了动手能力。实验需要耐心，记得在第三周的实验课上我花了三个小时的时间就只调出了方波，不过当调出到那一瞬间我无比的满足。总的来说这次的实验设计完成的相当的顺利，这是我的第一次综总的来说这次的实验设计完成的相当的顺利，这是我的第一次综合实验设计，但不是最后一次，因此在今后的学习中，我应该注重这方面的培养，多学些DXP软件方面的知识，为以后的设计实验以及将来的研究打下坚实的基础。九、PROTEL绘制的原理图（1） 整体电路原理图：（2） PCB板：（3） 3D图板：（4） 实物效果 方波： 三角波： 正弦波： 连接图：十、所用元器件及测试仪表清单仪器：直流稳压电源，示波器，万用表元器件：相关元件参数：LM318芯片：输入失调电压4mV； 偏置电流：150nA增益带宽积：15MHz 转换速率：70V/uS耗电流：5mA 电源：+/-20V LM741芯片：LM741：输入失调电压0.8mV； 偏置电流：30nA增益带宽积：1.5MHz 转换