模电课设函数发生器的设计仿真与实现.doc

武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 课程设计任务书学生姓名： 孙连城 专业班级： 电信0804 指导教师： 孟哲 工作单位： 信息工程学院 题 目: 函数发生器的设计仿真与实现1 初始条件： 可选元件：运算放大器，三极管，电阻、电位器、电容若干，直流电源Vcc= +612V， VEE= -6-12V，或自选元器件。可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表等要求完成的主要任务: （1）设计任务根据要求，完成对方波三角波正弦波发生器的仿真设计、装配与调试。（2）设计要求 正弦波Upp3V，幅度连续可调，线性失真小。三角波Upp5V，幅度连续可调，线性失真小。 方波Upp14V，幅度连续可调，线性失真小。 频率范围：三段：10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；频率控制方式：改变RC时间常数；正弦波输出电量：电流； 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（用Proteus画电路原理图并实现仿真） 安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。时间安排：1、 2010 年1月11日 至2010年1月15日，完成仿真设计、制作与调试；撰写课程设计报告。 2、 2010 年1月16日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录1 Proteus软件简介.2 电路图.3 电路原理. 3.1 电路总原理. 3.2 方波发生电路的工作原理. 3.3 方波-三角波转换电路的工作原理. 3.4 三角波-正弦波转换电路的工作原理.4 电路仿真及分析. 4.1 正弦波波形及分析. 4.2 三角波波形及分析. 4.3 正弦波图形及分析.5 总结.6 心得体会.7 参考文献.8 本科生课程设计评定表.1 Proteus软件简介Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。本章介绍Proteus ISIS软件的工作环境和一些基本操作。特点：支持ARM7，PIC ，AVR，HC11以及8051系列的微处理器CPU模型，更多模型正在开发中，更新信息请参见网页；交互外设模型有LCD显示、RS232终端、通用键盘、开关、按钮、LED等；强大的调试功能，如访问寄存器与内存，设置断点和单步运行模式；支持如IAR、Keil和Hitech等开发工具的源码C和汇编的调试；一键“make”特性：一个键完成编译与仿真操作；内置超过6000标准SPICE模型，完全兼容制造商提供的SPICE模型；DLL界面为应用提供特定的模式；基于工业标准的SPICE3F5混合模型电路仿真器14种虚拟仪器：示波器、逻辑分析仪、信号发生器、规程分析仪等；高级仿真包含强大的基于图形的分析功能：模拟、数字和混合瞬时图形；频率；转换；噪声；失真；付立叶；交流、直流和音频曲线；模拟信号发生器包括直流、正旋、脉冲、分段线性、音频、指数、单频FM；数字信号发生器包括尖脉冲、脉冲、时钟和码流；集成PROTEUS PCB设计形成完整的电子设计系统。2 电路图3 电路原理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：（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。图为实现三角波正弦波变换的电路。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R10用来减小差分放大器的线性区。电容C1,C2为隔直电容，C3为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。3.1 电路总原理函数发生器产生三个波形。采用简单方波电路产生方波，与积分器组成三角波产生电路，与差分放大器组成正弦波产生电路。其中由简单方波电路和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。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。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3.2 方波发生电路的工作原理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，电容C正向充电。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，电容C反向充电。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3.3 方波-三角波转换电路的工作原理运算发大器A1与R1、R2及R3、R4组成电压比较器，C2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。运放A2与R5、R6、C2组成反相积分器，当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，将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。三角波的幅度为方波-三角波的频率为由以上两式可以得到以下结论：1. 若要求输出频率的范围较宽，可用C2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。3.4三角波-正弦波转换电路的工作原理三角波正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。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：（3） 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；（4） 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。图为实现三角波正弦波变换的电路。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R10用来减小差分放大器的线性区。4 电路仿真及分析4.1正弦波波形及分析在电路开始时不易得出波形，需要调试参数，改变频率才能产生方波。其中方波产生电路具有正负反馈，其中电路的正反馈系数为 ， 输出的方波幅度有背靠背稳压二极管双向限幅决定。4.2 三角波波形及分析采用积分电路，将方波转变为三角波。在进行仿真时要核对运放的同相与反相得连接，并进行参数的设定。此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。电路的时间常数。4.3 正弦波图形及分析为了得到正确的正弦波，需要设定一系列的参数，要选择合适的频率。而仅仅这样仍可能出现失真波形。若出现钟形失真，那么传输特性曲线的线性区太宽，应减小R10。若出现半波圆定或平顶失真，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R14.若非线性失真，三角波传输特性区线性度 差引起的失真，主要是受到运放的影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形5 总结函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。采用先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。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。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.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。先设计方波-三角波发生器，由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使RP1=10K,RP2取（2.5-70）K内的任一值,否则电路可能会不起振。只要电路接线正确，上电后，UO1的输出为方波，UO2的输出为三角波，微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求有，调节RP2，则输出频率在对应波段内连续可变。再设计并连接三角波-正弦波变换电路，对电路中电阻进行参数设定，并在电路中进行调试直至出现正弦波。6 心得体会7 参考文献1 模拟电子技术，程开明主编，重庆大学出版社，19922 模拟电子电路分析、设计与仿真，劳五一、劳佳编著，西安电子科技大学出版社，2007 3 电子电路分析与设计，劳五一，劳佳编著，出版社：清华大学出版社，2007月 4 Adel S Sedra and Keneth C Smith .Microeletronic Circuits.4rd e