毕业设计(论文)-函数信号发生器设计.doc

题目 题目 函数信号发生器设计 函数信号发生器设计 2 2 系系 部 信息科学与技术系 部 信息科学与技术系 专专 业业 班 通信工程班 通信工程 0302 班班 姓姓 名 名 学学 号 号 20031181064 指导教师 指导教师 2007 年年 5 月月 25 日日 毕业设计 论文 开题报告毕业设计 论文 开题报告 姓名专业班通信工程 0302系别信息科学与技术系 指导教师同组姓名 课题名称函数信号发生器设计 2 国内 外现状及研究概况 信号发生器又称信号源或振荡器 按其信号波形可分为正弦信号发生器 函数 波形 信号发生器 脉冲信号发生器 随机信号发生器四大类 其中能够产生 多种波形 如三角波 锯齿波 矩形波 含方波 正弦波的电路被称为函数信号 发生器 众所周知 在实验以及一些科学研究中常用到的一些基本测试信号 如 在示波器 电视机等仪器中 用作时基电路的锯齿波以及在实验中常被用做信号 源 观察波形失真情况等的正弦波都可以由函数信号发生器产生 除此之外 函 数信号发生器在其他领域如通信 广播 工业等领域内也有很重要的作用 研究目标 内容 难点及关键 研究目标与内容 设计一个函数信号发生器 使其能够自动产生方波 三角波以 及正弦波 且其频率范围要求如下 1Hz 10Hz 10Hz 100Hz 100Hz 1KHz 1KHz 10KHz 研究难点 差分放大器的传输特性曲线一定要调整对称才能输出较完美的正弦波 研究关键 频率范围可调且满足函数信号发生器的一些性能指标 研究方法与实施计划 研究方法 用集成运算放大器与晶体管差分放大器来实现函数信号发生器的设计 实施计划 1 画出函数信号发生器的原理图与印制板电路图 2 完成电路板的焊接 3 安装调试 完成设计工作 4 撰写毕业设计论文 完成该课题所存在的困难及要求 存在的困难 元器件较多 排版步线方面较难 课题的要求 必须自制整个电路的电源供电电路 指导教师 签字 同组设计 者 签字 日期二 年 月 日 函数信号发生器设计 函数信号发生器设计 2 The Design of Function Signal Generating Device 2 摘摘 要要 函数信号发生器是指能自动产生方波 正弦波 三角波等电压波形的仪器 它在 实验及科学研究中得到了广泛应用 本课题的任务是设计一个函数信号发生器 使其 能自动产生方波 三角波以及正弦波 本论文主要针对函数信号发生器进行论述 它 基本可分为四部分 第一部分主要是对设计中应用到的一些模电数电方面的知识如电 压比较器 积分器 差分放大器等进行简单介绍 第二部分的主要内容是提出了以下 两种设计方案 第一种方案是基于单片集成芯片 MAX038 函数信号发生器的设计 第二种方案是基于晶体管 运放 IC 等函数信号发生器的设计 并且对这两种方案的 优点和缺点进行分析比较 最后确定采用第二种方案来完成函数信号发生器的设计 第三部分就具体介绍了我的设计方案 基于晶体管 运放 IC 等函数信号发生器的设 计 它是本文的核心 该部分讲述了性能指标 原理框图 以及如何通过参数计算来 确定设计电路等几个方面的内容 文章第四部分就主要介绍了调试安装的方法 并对 设计中出现的故障进行了简要分析 关键字 函数信号发生器 差分放大器 积分器 Abstract The function signal generating device is refers can automatically have voltage waveform the and so on the square wave sine wave triangle wave instrument it obtained the widespread application in the experiment and the scientific research This topic duty designs a function signal generating device enables its automatically to have the square wave the triangle wave as well as the sine wave The present paper mainly aims at the function signal generating device to carry on the elaboration it is basic may divide into four parts the first part mainly is to some mold electricity number electricity aspects knowledge like voltage comparators which designs applies the integrator the differential amplifier and so on carries on the simple introduction The second part of main content was proposed following two kind of design proposal The first kind of plan is based on the monolithic integrated chip MAX038 function signal generating device design the second kind of plan is based on the transistor transports puts function signal generating device the and so on the IC design and carries on the analysis comparison to these two kind of plans merit and the shortcoming finally determined uses the second kind of plan to complete the function signal generating device the design The third part specifically introduced my design proposal based on the transistor transports puts function signal generating device the and so on the IC design it is this article core did this part narrate the performance index the functional block diagram how as well as calculates through the parameter determines the design electric circuit and so on several aspects the content The article fourth part mainly introduced the debugging installment method and to designed the breakdown which appeared to carry on the brief analysis Key words Function signal generating device Differential amplifier Integrator 目目 录录 摘要 I Abstract II 绪论 1 1 函数信号发生器相关知识与基本原理 2 1 1 电压比较器 2 1 1 1 简单电压比较器 2 1 1 2 滞回比较器 3 1 1 3 窗口比较器 3 1 2 方波发生器 4 1 3 积分器 5 1 4 差分放大器 6 1 4 1 传输特性 6 1 4 2 共模特性 7 2 函数发生器设计方案 9 2 1 基于单片集成芯片 MAX038 函数信号发生器的设计 9 2 2 基于晶体管 运放 IC 等函数信号发生器的设计 10 2 2 1 方波 三角波产生电路 10 2 2 2 三角波 正弦波变换电路 11 3 基于晶体管与运放 IC 函数信号发生器设计 14 3 1 性能指标 14 3 2 参数计算 14 3 3 原理框图 15 3 4 设计电路与工作原理 15 3 4 1 设计所用元器件 15 3 4 2 电路及工作原理 16 3 5 相关芯片介绍 17 3 5 1 uA747 双电源通用型双运放 17 3 5 2 LM78XX 与 LM79XX 18 4 安装与调试 20 4 1 设计与调试中使用的主要仪器和设备 20 4 2 设计的装调 20 4 2 1 方波 三角波发生器的装调 20 4 2 2 三角波 正弦波变换电路的装调 20 4 2 3 自制电源的装调 21 4 3 故障分析 22 4 3 1 方波 三角波发生器故障 22 4 3 2 三角波 正弦波发生器故障 22 4 3 3 电源部分故障 22 结论 23 致谢 25 参考文献 26 绪 论 信号发生器又称信号源或振荡器 各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示 信号发生器按其信号波形可分为四大类 正弦信号发生器 函数 波形 信号发生器 脉冲信号发生器 随机信号发生器 其中能够产生多种波形 如三角波 锯齿波 矩 形波 含方波 正弦波的电路被称为函数信号发生器 在实验以及一些科学研究中 锯齿波和正弦波 矩形波 三角波是常用的基本测 试信号 如在示波器 电视机等仪器中 为了使电子按照一定规律运动 以利用荧光 屏显示图像 常用到锯齿波产生器作为时基电路 同样三角波 方波 正弦波也有着 不可忽视的作用 如在示波器中常用方波做标准信号来检查它的好坏 在实验中常用 正弦波作为信号源 测量放大器的放大倍数 观察波形的失真情况等等 而函数信号 发生器能自动产生以上波形 可见函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分 广泛的用途 除此之外 函数信号发生器在其他领域也有重要作用 例如在通信 广播 电视 系统中 都需要射频 高频 发射 这里的射频波就是载波 把音频 低频 视频 信号或脉冲信号运载出去 就需要能够产生高频的振荡器 在工业 农业 生物医学 等领域内 如高频感应加热 熔炼 淬火 超声诊断 核磁共振成像等 都需要功率 或大或小 频率或高或低的振荡器等等 因此对函数发生器的研究有着十分重要的意 义 它是我们在学习 科学研究等方面不可缺少的工具 本课题的任务是设计一个函数信号发生器 使其能够自动产生方波 三角波以及 正弦波 其频率范围要求是 1Hz 10Hz 10Hz 100Hz 100Hz 1KHz 1KHz 10KHz 在 它的多种设计方案中 本文选用集成运算放大器与晶体管差分放大器来实现方函数信 号发生器的设计 此设计方案的基本思想是比较器与积分电路和反馈网络 含有电容 元器件 组成振荡器 其中比较器产生的方波通过积分电路变换成了三角波 电容的 充 放电时间决定了三角波的频率 最后利用差分放大器传输特性曲线的非线性特点 将三角波转换成正弦波 此方案的优点是它是一种最基本的设计方案 它能综合运用 我们所学的知识进行设计 电路简单 价格低廉 工作原理直观明了 且通过安装调 试后 能基本实现课题的要求 1 1 函数信号发生器相关知识与基本原理函数信号发生器相关知识与基本原理 在函数信号发生器设计中 会应用到许多模电数电方面的知识 如会应用到电压 比较器 积分器 差分放大器等等 其中电压比较器在函数发生器中的功能主要是组 成波形发生器 可组成方波发生器产生方波 也可以和积分器共同组成三角波发生器 在函数信号发生器中积分器的主要作用是用来构成三角波产生电路 而具有恒流源的 差分放大器在函数信号发生器中的作用是用来三角波 正弦波的变换 1 1 电压比较器 电压比较器的基本功能是比较两个电压的大小 通过输出电压的高低电平来表示 两个输入电压的大小关系 而电压比较器在函数发生器中的功能主要是组成波形发生 器 它的基本原理是将信号电压 Ui 与参考电压 UR进行比较 当 Ui UR时 电压比 较器正向饱和 当 Ui UR时 电压比较器负向饱和 当 Ui UR时 状态不定 即在 信号电压和参考电压的幅值相等处 输出状态才发生跳变 通常电压比较器可分为简 单电压比较器 窗口比较器和滞回比较器等等 1 1 1 简单电压比较器 简单电压比较器通常只含有一个运放 且在多数情况下 运放开环工作 它只有 一个门限电压 所以也称单限比较器 UR加在运放的同相输入端 Ui 为外加参考电 压 一般简单电压比较器及其电压传输特性如图 1 1 所示 图 1 1 一般简单电压比较器及其电压传输特性 当 UiUR时 运放输出低电平 稳压管 Dz 正向导通 输出电压等于稳压管的正 向导通电压 UD 即 Uo UD 1 1 2 滞回比较器 在单限比较器中 输入电压在阈值电压附近的任何微小变化 都将引起输出电压 的跃变 不管这种微小变化是来源输入信号还是外部干扰 因此 虽然单限比较器很 灵敏 但是抗干扰能力差 滞回比较器具有滞回特性 即具有惯性 因而也就具有一 定的抗干扰能力 滞回比较器电路中引入了正反馈 滞回比较器及其电压传输特性如 图 1 2 所示 a 电路 b 电压传输特性 图 1 2 滞回比较器及其电压传输特性 电路从输出端引一个电阻分压支路到同相输入端 若 Uo 改变状态 同相端的电 位也随着改变 当 Uo为正 U R2 Rf R2 Uo 则当 Ui U 后 Uo即由正变负 此时同相输入端电位 U 变为 U U R2 Rf R2 Uo 故只有当 Ui下降到 U 以 下 才能使 Uo再度回升到 Uo 于是出现图 1 2 b 所示的滞回特性 U 与 U 的 差别称为回差 改变 R2的数值可以改变回差的大小 1 1 3 窗口比较器 单限比较器和滞回比较器在输入电压单一方向变化时 输出电压只跃变一次 因 而不能检测出输入电压是否在两个给定电压之间 而窗口比较器具有这一功能 图 1 3 a 所示为一种双限比较器 外加参考电压 URH URL 电阻 R1 R2和稳压管 VDZ 构成限幅电路 当输入电压 ui大于 URH时 必然大于 URL 所以集成运放 A1的输出 u01 UOM A2的输出 u02 UOM 使得二极管 VD1导通 VD2截止 电流通路图 1 3 中实线所标注 稳压管 VDZ 工作在稳压状态 输出电压 u0 UZ 当 ui小于 URL时 必然小于 URH 所以 A1的输出 u01 UOM A2的输出 u02 UOM 因此 VD2导通 VD1截止 VDZ 工作在稳压状态 u0仍为 UZ 当 URL ui URH时 u01 u02 UOM 所以 VD1和 VD2均截止 稳压管截止 u0 0 URH和 URL分别为比较器的两个阈值电压 设 URH和 URL均大于零 则图 1 3 a 所示电路的电压传输特性如图 1 3 b 所示 a 电路图 b 传输特性 图 1 3 窗口比较器及其电压传输特性 1 2 方波发生器 电压比较器的一个典型应用就是方波发生器 方波发生器的电路如图 1 4 a 所 示 其中 R1与 RF组成正反馈支路 运放同相端电压 V R1 R1 RF V0 电阻 R 电容 C 组成运放的负反馈支路 当电容 C 的端电压 VC 等于运放的反相端电压 V 大于 V 时 输出电压 V0 VZ 双向稳压管 DZ的限幅电压 则电容 C 经电阻 R 放电 VC 下降 当 VC下降到比 V 小时 比较器的输出电压 V0 VZ 电容 C 又经过电阻 R 充 电 电容的端电压 VC又开始上升 如此重复 则输出电压 v0为周期性方波 如图 1 4 b 所示 方波的频率可用以下公式表示 f0 1 T 1 2RCln 1 2R1 RF 调节电位 器 RP 可改变频率 a 电路图 b 输出波形 图 1 4 方波发生器及其输出波形 1 3 积分器 在函数信号发生器中积分器的主要作用是用来构成三角波产生电路 积分器的基 本电路如图 1 5 a 所示 若 ui选用阶跃信号 在 t 0 时 输出电压 uo的表达式为 ui 0 t 0 或 ui E t 0 U0 Et RC 式中 RC 为积分时间常数 输出电压 uo的最大 值受集成运算放大器的最大输出电压和输出电流限制 因此积分时间是有限的 为限制电路的低频电压增益 可将反馈电容 C 与一电阻 RF并联 当输入频率大 于 f0 1 2 RFC 时 电路为积分器 若输入频率远低于 f0 则电路近似一个反相器 低频电压增益为 AVF RF R1 实际的积分器电路如图 1 5 b 所示 若输入为一对称方波 则积分器的输出为 一对称三角波 其波形关系如图 1 5 c 所示 a 电路图 b 实际电路 c 输出波形 图 1 5 积分器及其输出波形 1 4 差分放大器 具有恒流源的差分放大器 应用十分广泛 特别是在模拟集成电路中 常作为输 入级或中间放大级 而在函数信号发生器中的作用是用来产生正弦波 主要是应用其 工作在非线性区 差分放大器电路如图 1 6 所示 其中 T1 T2称为差分对管 常采 用双三极管如 5G921 或 BG319 等 它与电阻 RB1 RB2 RC1 RC2及电位器 RP 共同 组成差分放大器的基本电路 T3 T4与电阻 RE3 RE4 R 共同组成恒流源电路 为差 分对管的射极提供恒定电流 I0 均压电阻 R1 R2给差分放大器提供对称差模输入信 号 晶体管 T1与 T2 T3与 T4的特性应相同 电路参数应完全对称 改变 RP 可调整 电路的对称性 由于电路的这种对称性结构特点及恒流源的作用 无论是温度的变化 还是电源的波动 称之为共模信号 对 T1 T2两管的影响都是一样的 因此 差分 放大器能有效地抑制零点漂移 差分放大器器的主要性能参数有传输特性 差模特性 及共模特性 图 1 6 差分放大器电路 1 4 1 传输特性 传输特性是指差分放大器在差模信号输入下 集电极电流 iC随输入电压 vid的变 化规律 传输特性曲线如图 1 7 所示 由传输特性可以看出 当差模输入电压 Vid 0 时 两管的集电极电流相等 IC1Q IC2Q I0 2 称 Q 点为静 态工作点 当 vid增加 25mV 以内 时 iC1随 vid线性增加 iC2随 vid线性减少 IC1 IC2 I0的关系不变 称 vid的这一变化范围为线性放大区 在 vid增加到使 T1趋于 饱和区 T2趋于截止区 vid超过 50mV 时 iC1的增加和 iC2的减小都逐渐缓慢 这时 iC1 iC2随 vid作非线性变化 称 vid的这一变化范围为非线性区 增大射极电阻 可加强电流负反馈 扩展线性区 缩小非线性区 在 vid再继续增加 超过 100mV T1饱和 T2截止时 iC1 iC2不再随 vid变化 称 vid的这一变化范围为限幅区 也可以通过测量 T1和 T2的集电极电压 vc1 vc2随差模电压 vid的变化规律来测量 差模传输特性 因为 vc1 VCC iC1RC1 如果 VCC RC1确定 则 vc1与 iC1的变化规律 相同 Vc 为晶体管截止时的电压 Vc 为晶体管饱和时的电压 静态工作点 Q 对应 的电压为 VCQ 当 vid增加时 vc1随 vid线性减少 vc2随 vid线性增加 此传输特性可 以同来设置差分放大器的静态工作点 观测电路的对称性 图 1 7 差模传输特性曲线 1 4 2 共模特性 当差分放大器的两个输入端输入一对共模信号 大小相等 极性相同 vic时 由 于恒流源的作用 集电极电压 vc1 vc2不会因 vic变化而同时增加或减小 如果电路参 数完全对称 则共模电压增益 AVC 0 所以 具有恒流源的差分放大器对共模信号 如晶体管的零点漂移 电源波动 温度变化等的影响具有很强的抑制能力 常用共模 抑制比 KCMR来表征差分放大器对共模信号的抑制能力 KCMR愈大 说明差分放大器 对共模信号的抑制力愈强 放大器的性能愈好 共模抑制比 KCMR的测量方法如下 当差模电压增益 AVD的测量完成后 输入 Vic 500mV fi 500Hz 的共模信号 如果电路的对称性很好 则 Vc1 Vc2 0 示波器 观测 vc1 vc2时 其波形近似于一条水平直线 如果电路的对称性不是很好 vc1 vc2 的波形可能为一对大小相等 极性相反的正弦波 其原因是由于电路的参数不完全对 称所引起的 虽然电路参数不完全对称 但由于 AVC 1 放大器的共模抑制比也能 达到几十分贝 对共模信号仍具有较强的抑制能力 因此 在要求不是很高的情况下 可以用一固定电阻代替恒流源 T1 T2也可以采用特性相近的两只晶体管 而不一定 要用对管 还可以通过调整外参数使电路尽可能对称 2 2 函数发生器设计方案函数发生器设计方案 函数信号发生器是能自动产生正弦波 方波 三角波等信号电压波形的电路或仪 器 它的设计方案一般有以下几种 基于单片集成芯片 MAX038 函数信号发生器的 设计 基于专用直接数字合成 DDS 芯片函数信号发生器的设计以及基于晶体管 运 放 IC 函数信号发生器的设计 本章将对基于单片集成芯片 MAX038 函数信号发生器 的设计和基于晶体管 运放 IC 等函数信号发生器的设计这两种方案进行详细阐述 2 1 基于单片集成芯片 MAX038 函数信号发生器的设计 MAX038 是性能优良的集成函数发生器 可用单电源供电 也可双电源供电 他 们的值为 5 15 V 我们取 15 V 频率的可调范围为 1 600 kHz 输出矩形波的 占空比可调范围为 2 98 此方案的工作原理是当给函数发生器 MAX038 接通电源时 电容 C 的电压为 0 V 电压比较器 和 的输出电压均为低电平 因而 RS 触发器的输出 Q 为低电平 为高电平 使电子开关 S 断开 电流源 IS1对电容充电 充电电流时间的增长而线 Q 性上升 uc的上升使 RS 触发器的 R 端从低电平跃变为高电平 但其输出不变 一直 到 uc上升到 1 3 VCC时 电压比较器 的输出电压跃变为高电平 Q 才变为高电平 同时变为低电平 导致电子开关 S 闭合 电容 C 开始放电 放电电流为 Q IS2 IS1 I 因放电电流是恒流 所以 电容上电压 uc随时间的增长而线性下降 起 初 uc的下降虽然使 RS 触发器的 S 端从高电平跃变为低电平 但其输出不变 一直 到 uc下降到 1 3 VEE 使电压比较器 的输出电压跃变为低电平 Q 才变为低电平 同时为高电平 使得电子开关 S 断开 电容 C 又开始充电 重复上述过程 周 Q 而复始 电路产生了自激振荡 由于充电电流与放电电流数值相等 因而电容上电压 为对称三角波形 和 Q 为方波 经缓冲放大器输出 三角波电压通过三角波变正 Q 弦波电路输出正弦波电压 通过以上分析可知 改变电容充电放电电流即改变 RA RB的数值 或改变电容 C 的数值 就改变了充放电时间 因此可改变其频率 图 2 1 所示为 MAX038 最常见的接法 矩形波输出端为集电极开路形式 需外 接电阻 RL 10 kHz 至 VCC 图中 RA和 RB可分别独立调整 通过改变 RA和 RB的 数值可改变矩形波的占空比 当 RA RB时矩形波的占空比为 50 因而为方波 当 RA RB时 矩形波不再是方波 引脚 2 输出也就不再是正弦波 图 2 1 ICL8083 的基本接法 2 2 基于晶体管 运放 IC 等函数信号发生器的设计 此方案包括两部分电路 一部分为方波 三角波产生电路 另一部分为三角波 正弦波变换电路 下面将分别介绍它们的电路及工作原理 2 2 1 方波 三角波产生电路 方波 三角波产生电路如图 2 2 所示 图 2 2 方波 三角波产生电路图 图 2 2 所示的电路能自动产生方波 三角波 电路工作原理如下 若 a 点断开 运算放大器 A1与 R1 R2及 R3 RP1组成电压比较器 R1称为平衡电阻 C1称为加 速电容 可加速比较器的翻转 运放的反相端接基准电压 即 V 0 同相端接输入 电压 via 比较器的输出 v01的高电平等于正电源电压 VCC 低电平等于负电源电压 当比较器的 V V 0 时 比较器翻转 输出 v01从高电平 VCC跳 EECCEE VVV 到低电平 VEE 或从低电 VEE跳到高电平 VCC 设 v01 VCC 则可以得到 V 的式子 即它的值 对这个式子进行整理 得比较器翻转的下门限电位 Via R2 R3 RP1 VCC 若 V01 VEE 则比较器翻转的上门限电位 Via R2 R3 RP1 VCC 所以比较 器的门限宽度 VH为 VH Via Via 2 R2 R3 RP1 VCC 所以由前面的式子可得比较 器的电压传输特性 如图 2 3 a 所示 当 a 点断开时 运放 A2与 R4 RP2 C2及 R5组成反相积分器 其输入信号为方 波 v01 则积分器的输出为 当 V01 VCC时 v02 VCC R4 RP2 C2 t 当 V01 VEE 时 v02 VCC R4 RP2 C2 t 可见 当积分器的输入为方波时 输出是一个上升速 率与下降速率相等的三角波 其波形关系如图 2 3 b 所示 a 电压传输特性 b 输出波形关系 图 2 3 比较器电压传输特性及输出波形关系 当 a 点闭合时 即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 2 2 2 三角波 正弦波变换电路 三角波 正弦波变换电路如图 2 4 所示 图 2 4 三角波 正弦波变换电路 图 2 5 三角波 正弦波波形变换 选用差分放大器作为三角波 正弦波的变换电路 波形变换的原理是 利用差分 对管的饱和与截止特性进行变换 分析表明 差分放大器的传输特性曲线 ic1 或 ic2 的 表达式为 ic1 aiE1 aI0 1 e vid VT 式中 a IC IE 1 I0为差分放大器的恒定电流 VT为温度的电压当量 当室温为 25 度时 VT 26mV 如果 vid为三角波 把它的表达式代入 ic1 aiE1 aI0 1 e vid VT 中 再用计算机对其 进行计算 打印输出的 ic1 t 或 ic2 t 曲线近似于正弦波 则差分放大器的输出电压 vc1 t vc2 t 亦近似于正弦波 波形变换过程如图 2 5 所示 为使输出波形更接近正弦 波 要求传输特性曲线尽可能对称 线性区尽可能窄 三角波的幅值 V 应接近晶体 管的截止电压值 通过以上论述可知 基于单片集成芯片 MAX038 函数信号发生器设计的优点 MAX038 频率高 精 度好 能产生多种波形 达到较高的频率 且易于调试 可以达到更高的技术指标 因此它被称为高频精密函数信号发生器 IC 并且在锁相环 压控振荡器 频率合成 器 脉宽调制器等电路的设计上 MAX038 都是优选的器件 由晶体管 运放 IC 等组成函数信号发生器的优点 用其进行设计可以对我们以 前所学的模电及数电知识进行很好的巩固 同时选用差分放大器作为三角波 正弦波 的变换电路 可以帮助我们学习多级电路的调试技术 除此之外 还可以锻炼我们参 数选择及电路排版的能力 所以 虽然基于晶体管 运放 IC 等函数信号发生器的设计与利用单片集成芯片 MAX038 的函数信号发生器的设计相比有一定的缺点 但是在此次设计中它仍然能够 完成所有设计要求 并且它比方案一更经济 同时利用单片集成芯片 MAX038 的函 数信号发生器的设计也是有缺陷的 因为其原理不容易讲清楚 所以采用晶体管 运 放 IC 等进行函数信号发生器设计 3 基于晶体管与运放 IC 函数信号发生器设计 3 1 性能指标 输出波形 正弦波 方波 三角波 频率范围 1Hz 10Hz 10Hz 100Hz 100Hz 1KHz 1KHz 10KHz 4 个波段 波形特性 表征正弦波特性的参数是非线性失真 r 要求 r 5 表征三角波 特性的参数是非线性系数 r 要求 r 2 表征方波特性的参数是上 升时间 tr 要求 tr 30us 3 2 参数计算 在电子电路设计中为保证单元电路达到功能指标要求 常需计算某些参数 在上 面指出了函数信号发生器的一些性能指标 所以为了满足这些要求就要对元件的参数 进行计算 本设计的参数计算如下 比较器 A1与积分器 A2的元件参数计算如下 22 31 41 123 O m CC VR RRPV 取 R2 10K 取 R3 20K RP1 47K 平衡电阻 R1 R2 R3 RP1 10K 由输出频率的表达式得 31 42 22 4 RRP RRP R C f 当 1Hz f 10Hz 时 取 C2 10uF R4 5 1K RP2 100K 当 10Hz f 100Hz 时 取 C2 1uF 以实现频率波段的转换 R4及 RP2的取值不变 取平衡电阻 R5 10K 同 理 当 100Hz f 1KHz 时 取 C2 0 1uF 即 104 当 1KHz f 10KHz 时 取 C2 0 01uF 即 103 三角波 正弦波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 C3 C4 C5 470uF 滤波电容 C6的取值视输出的波形而定 若含 高次谐波成分较多 则 C6一般为几十皮法至 0 1uF RE2 100 与 RP4 100 相并联 以 减小差分放大器的线性区 差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线 调整 RP4及电阻 R 来确定 通过以上计算可以得到以下结论 电位器 RP2在调整方波 三角波的输出频率时 一般不会影响输出波形的幅度 若要求输出频率范围较宽 可用 C2改变频率的范围 RP2实现频率微调 方波的输出幅度约等于电源电压 VCC 三角波的输出幅度不超过电源电压 VCC 电位器 RP1可实现幅度微调 但会影响方波 三角波的频率 在三角波 正弦波的变换电路中 RP1调节三角波的幅度 RP2调整电路的对称 性 并联电阻 RE2用来减小差分放大器的线性区 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 3 3 原理框图 函数信号发生器原理框图如图 3 1 所示 图 3 1 原理框图 本设计的基本思想是比较器与积分电路和反馈网络 含有电容元器件 组成振荡 器 其中比较器产生的方波通过积分电路变换成了三角波 电容的充 放电时间决定 了三角波的频率 最后利用差分放大器传输特性曲线的非线性特点将三角波转换成正 弦波 3 4 设计电路与工作原理 3 4 1 设计所用元器件 对称性较好的双三极管 3DG130 四只 用于差分放大电路中 单层七段分线器 用于频率的转换 变压器 输入电压 220VAC 输出电压 12VDC 额定工作电流 600mA 整流桥 最大工作电流 5A 由四只 IN4007 构成 用于电源变换模块 7812 7912 三端稳压管 用在电源变换模块中 芯片 uA747 一片 以及若干电阻电容等 3 4 2 电路及工作原理 函数信号发生器设计电路图如图 3 2 所示 电源电路如图 3 3 所示 图 3 2 函数信号发生器设计电路 图 3 3 电源电路 其工作原理如下 当电阻 R2与芯片 uA747 的 10 脚断开时 其中的一个运算放大 器与 R1 R2 及 R3 RP1组成电压比较器运算放大器的反相端即 1 脚接基准电压 同相端即 2 脚接输入电压 比较器的输出端即芯片 uA747 的 12 脚输出 V01的高电平 近似等于电源电压 同时 断开后 另外一个运放与 R4 RP2 C2及 R5组成反相积 分器 输入的方波信号经反相积分器后 在其输出端即 uA747 的 10 脚输出一个上升 速率与下降速率相等的三角波 而在这次设计中 电阻 R2是与芯片 uA747 的 10 脚相 连的 即比较器与积分器的首尾相连 形成闭环电路 这样就可以自动产生方波 三 角波 并且可在 10 脚与 12 脚分别观测方波与三角波 从 10 脚输出三角波后 经过 一个差分放大器 主要利用差分对管的饱和与截止特性进行变换 即可输出正弦波 此差分放大器由四个对称性较好的 3DG130 作差分对管 与 RB1 RB2 RC1 RC2 RP3 RP4及一些电容等共同构成 RP3调节三角波的幅度 RP4调整电路的对称性 一些并联电阻用来减小差分放大器的线性区 电容用来改善 输出波形 除此之外 图 是电源电路 为整个电路提供 12V 的电压 其工作原理 是变压器经一个桥式电路 由四个 IN4007 构成 后 分为两路 一路去接正稳压管 LM7812 输出 12v 电压 另一路去接负稳压管 LM7912 输出 12v 电压 两部分电路是 对称的 3 5 相关芯片介绍 3 5 1 uA747 双电源通用型双运放 uA747 是一种高增益的双运算放大器 两个运放具有共同的偏置和负电源引线 正电源分别引线 工作时各自具有独立的功能 其特点为 无需外部频率补偿 具有 短路保护 有很宽的差模和共模输入电压范围 功耗低 使用中不会出现阻塞现象 可用作积分器 求和放大器及普通反馈放大器 同类或直接代替的型号有 CF747MT CF747CT CF747MD CF747CD CF747MJ CF747CJ CF747CP SG 747 等 uA747 引脚排列封装如图 3 4 所示 其各脚功能如下 脚 1IN 为 1 单元反相输入端 脚 1IN 为 1 单元同相输入端 脚 1OA2 为 1 单元调零端 脚 V 为公共负电源端 脚 2OA2 为 2 单元调零端 脚 2IN 为 2 单元反相输入端 脚 2IN 为 2 单元同相输入端 脚 2OA1 为 2 单元调零端 脚 2V 为 2 单元正电源端 脚 2OUT 是 2 单元输出端 脚 NC 为空脚 脚 1OUT 是 1 单元输出端 脚 1V 为 1 单元正电源端 脚 1OA1 为 1 单元调零端 电源电压 uA747 为 22V CF747C 为 18V 差模输入电压 30V 共模输入 电压 15V 开环电压放大倍数 2 105 一个单元 V0 10V RL 2K 功耗 100mW 输入电阻 2 0M 输出电阻 75 uA747 的典型应用电路如图 3 4 所示 图 3 4 引脚封装图及典型电路 3 5 2 LM78XX 与 LM79XX LM78XX 称为正稳压器 正定值的三端稳压器如图 3 5 所示 当外加适当大小的 散热片且整流器能提供足够的输入电流时 稳压器可提供 1 5A 的输出电流 若散热 片散热不够 片子中的热开关电路能起过流保护作用 根据 78XX 系列中的 XX 不同 其输出稳压值不同 如 7805 可提供 5V 的输出电压 7812 可提供 12V 输出电压 图 中 1 脚为输入端 2 脚为输出端 3 脚为接地端 图 3 5 三端稳压器 LM79XX 称为负稳压器 它的构造与 LM78XX 是相同的 它能提供多种直流负 压输出 同理 当外加适当大小的散热片且整流器能提供足够的输入电流时 稳压器 可提供 1 5A 的输出电流 同时根据 79XX 系列中的 XX 不同 其输出稳压值不同 如 7905 可提供 5V 的输出电压 7912 可提供 12V 输出电压 与 78XX 系列不同的是 它的 1 脚为接地端 2 脚为输出端 3 脚为输入端 4 4 安装与调试安装与调试 4 1 设计与调试中使用的主要仪器和设备 使用的主要仪器和设备有 HG2040 型示波器 用于检测此设计输出波形 并对它们的峰峰值进行检测 MF47D 型万用表 电路调试阶段 测试各元器件的工作状态参数 在产品制作后期 用来测试 整个电路的静态工作点 自制数字频率计 用于测试各输出波形的频率 YB1731A2A 型直流稳压电源 在未知自制电源正确与否的情况下 用来提供 12V 直流稳压电源 用于电 路的检测 4 2 设计的装调 4 2 1 方波 三角波发生器的装调 由于比较器 A1与积分器 A2组正反馈闭环回路 同时输出方波与三角波 故这两 个单元电路可以同时安装 需要注意的是 在安装电位器 RP1与 RP2之前 要先将其 调整到设计值 否则电路可能会不起振 如果接线正确 则在接通电源后 A1的输 出 v01为方波 A2的输出 v02为三角波 微调 RP1 使三角波的输出幅度满足设计要 求 调节 RP2 则输出频率连续可变 4 2 2 三角波 正弦波变换电路的装调 三角波 正弦波变换电路的调试步骤如下 第一步差分放大器传输特性曲线调试 将 C4与 RP3的连线断开 经电容 C4输入差模信号电压 Vid 50MV fi 100 的正弦波 调节 RP4及电阻 R 使传输特性曲线对称 再逐渐增大 vid 直到传输特性曲线形状 如图 1 7 所示 记下此时对应的峰值 Vidm 移去信号源 再将 C4左端接地 测量差 分放大器的静态工作点 I0 VC1Q VC2Q VC3Q VC4Q 它们的值计算如下 0 4 0 7 1 13 EE E VV ImA RR IC1Q IC2Q I0 2 0 565mA VC1Q VC2Q VCC IC1QRC1 6 35V VB1Q VB2Q ICRB1 0 064V 0V VE1Q VE2Q 0 7V VE3Q VE4Q VEE I0 RE3 9 74V VB3Q VB4Q ICRE3 0 018V 0V VC4Q I0R 9 04V VC3Q 0 9V 三角波 正弦波变换电路调试 将 RP3与 C4连接 调节 RP3使三角波的输出幅 度 经 RP3后输出 等于 Vidm值 这时 V03的波形应接近正弦波 调整 C6改善波形 如果 V03的波形出现如图 4 1 所示的几种正弦波失真 则应调整和修改电路参数 产 生失真的原因及采取的相应处理措施如下 钟形失真 如图 4 1 a 所示 传输特性曲线的线性区太宽 应减少 RE2 半波圆顶或平顶失真 如图 4 1 b 所示 传输特性曲线对称性差 工作点 Q 偏 上或偏下 应调整电阻 R 非线性失真 如图 4 1 c 所示 三角波的线性度较差引起的失真 主要受运放 性能的影响 可在输出端加滤波网络改善输出波形 a 钟形失真 b 平顶失真 c 非线性失真 图 4 1 几种正弦波失真 4 2 3 自制电源的装调 在对电源部分进行检测时 首先要把它与其它电路断开 然后再检查电路连接是 否正确 在确定接线正确的情况下 先检查变压器 稳压管是否正常工作 所有检查 结束后 最后通电用万用表电压档分部进行检测 看其电压是否为理论值 4 3 故障分析 4 3 1 方波 三角波发生器故障 故障一 在对方波 三角波发生器电路进行检测时 在其输出端没有波形出现 刚开始怀 疑芯片 uA747 有问题 但经检测后发现其能正常工作 并且电路接线正确 最后通 过检测发现是电位器 RP1与 RP2出现问题 因为只有两者调整到设计值时 电路才能 起振 即有波形输出 对两者进行调整后 示波器上有波形输出 故障二 旋转分线器旋钮 输出端的波形没有频率的变化 经检测发现是分线器的公共端 未与 uA747 的 10 脚相连 连接正确后频率可变 4 3 2 三角波 正弦波发生器故障 在对差分放大器传输特性曲线调试完毕后 将 RP3与 C4相连 在其输出端观测 到的波形如图所示 即产生钟形失真 理论上的原因是传输特性曲线的线性区太宽 应减少 RE2来调节 但 RE2是固定值 所以不是问题所在 调节 RP3后 其输出波形 接近正弦波 又由于电容 C6用来改善波形 所以怀疑其大小对波形有影响 把其从 1uF 变换为 0 1uF 时波形有明显改善 钟形失真有所消失 4 3 3 电源部分故障 电源部分唯一的故障就是认为稳压管 7912 的引脚与 7812 的引脚是相同的 造成 接线错误 在用万用表对其进行检测时 各部分电压值与理论基本相同 即电路正确 结 论 众所周知 函数信号发生器有很多用途且在很多方面得到广泛应用 而作为一个 通信专业的毕业生更要对它有深刻的了解 所以进行函数信号发生器的设计有着十分 重要的意义 经过本次设计 我学到了很多东西 得到了很多有价值的心得体会 从 中我学习到了函数信号发生器的多种不同设计方案 并详细掌握了其工作原理 在本次设计中我选择了一个比较符合自己设计的方案 即采用晶体管 运放 IC 进行函数信号发生器的设计 用此方案进行设计的优点是 电路设计原理简洁 采用 的元器件成本低廉 并能基本上实现函数信号发生器的功能 同时还可以对我们以前 所学的模电及数电知识进行很好的巩固 另外选用差分放大器作为三角波 正弦波的 变换电路 可以帮助我们学习多级电路的调试技术 除此之外 还可以锻炼我们参数 选择及电路排版的能力 它的缺点就是采用分立元件组成的函数信号发生器工作不太 稳定 且不易调试 随着毕业日子的到来 毕业设计也接近了尾声 经过不懈的奋战我的毕业设计终 于完成了 在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结 但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面 毕业设计不仅是对前面所学知 识的一种检验 而且也是对自己能力的一种提高 毕业设计是培养学生综合运用所学 知识 发现 提出 分析和解决实际问题 锻炼实践能力的重要环节 是对学生实际工作能 力的具体训练和考察过程 回顾起此次毕业设计 至今我仍感慨颇多 的确 从选题到定稿 从理论到实践 可以说得是苦多于甜 但是可以学到很多很多的的东西 同时不仅可以巩固了以前所 学过的知识 而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识 通过这次毕业设计使我 懂得了理论与实际相结合是很重要的 只有理论知识是远远不够的 只有把所学的理 论知识与实践相结合起来 从理论中得出结论 才能提高自己的实际动手能力和独立 思考的能力 同时 我也看到了自己身上的不足 在产品设计初期 我开始设计的电路过于简 单 不能满足设计的要求 这是我平时在学习时不深入的反映 平时也很少自主的进 行电路设计方面的学习和训练 在电路调试阶段 多次出现异常现象 我是在导师的 悉心指导下排除故障的 自己独立排除故障能力较弱 以后要加强这方面知识的学习 提高自己在电路故障方面的分析能力 总之 短短几个月的毕业设计使我受益匪浅 它不仅增强了我分析问题 解决问 题的能力 而且还提高了我的实际动手能力 它们是我在设计过程中得到的宝贵财富 会使我终身受益 致 谢 我要感谢我的指导老师孙老师对我悉心的指导 感谢老师给我的帮助 在我毕业 论文写作期间 各位老师给我提供了种种专业知识上的指导和日常生活上的关怀 没 有您们这样的帮助和关怀 我不会这么顺利的完成毕业设计 借此机会 向您们表示 由衷的感激 同时还要感谢系实验室在毕业设计期间提供给我们优越的实验条件 另外还感谢同学为我的课题参数的细节问题到处联系 搜集数据并且提供了大量 而又翔实的图纸和数据 并在我最为困惑迷茫的毕业设计初期给我信