函数信号发生器的设计与调试.docx

北京邮电大学数字电路与逻辑设计实验报告课题名称：函数信号发生器的设计与调试姓名：学号：班级：学院：实验指导教师： 摘要：方波三角波产生电路采用了运放组成的积分电路，可得到比较理想的方波和三角波信号。利用二极管的单向导电性来改变积分电路的充放电时间常数，从而实现占空比的要求。三角波-正弦波的转换是利用差分放大器来完成的，选取合适的滑动变阻器来调节三角波的幅度以及电路的对称性。同时利用隔直电容、滤波电容来改善输出正弦波的波形。关键词：方波 三角波 正弦波 函数信号发生器一、 实验任务设计制作一个函数信号发生器电路，该电路能够输出频率可调的正弦波、三角波和方波信号。（1）信号输出频率能在1kHz10kHz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10us，占空比可调范围30%-70%；（3）三角波信号输出电压Uopp=8V；（4）正弦波信号输出电压Uopp1V；二、设计思路1.系统组成框图函数信号发生器的总体框图如图所示，它是由方波三角波产生电路、三角波正弦波转换电路和电源电路三部分组成的。2.主要单元电路设计（1）方波三角波产生电路方波三角波产生电路如图所示。由于采用了运放组成的积分电路，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VDW1、VDW2的稳压值Uz以及导通压降Ud决定，即方波幅度限制在（Uz+Ud）之间。方波经积分得到三角波，幅度为U02m=R1Rf(Uz+Ud)。可见改变R1与Rf的比值可调节三角波幅度的大小。方波和三角波的振荡频率相同，为f=1T=Rf4R1R2C，式中为电位器Rw的滑动比（即滑动头对地电阻与电位器总电阻之比）。可见调节Rw可改变振荡频率。为的变化范围大，使输出频率在要求范围之内，故实验中选取的Rw值为10K。电路元件的确定 根据所需振荡频率的高低和对前后沿陡度的要求，选择电压转换速率SR合适的运放。在实验中选取运放LM318产生方波信号，选取UA741产生三角波信号。 根据所需输出方波幅度的要求，选取2DW232作为合适的稳压管，选取限流电阻Ro为2k。 根据输出三角波的幅度要求，选取R1为18k,选取Rf为30k。R3的阻值为R1与Rf的并联电阻，为12k。（R1=Uo2mUz+UdRf） 根据所要求的振荡频率要求，选取R2为4.7k，电容C为0.01uF。R4为平衡电阻，应取相同的阻值，即4.7k。为实现占空比的要求，应改变积分电路的充、放电时间常数，利用二极管D3、D4的单向导电性，调节电位器Rp4的阻值来改变充放电时间之比，从而实现占空比。选取电位器阻值为10k，占空比为R2/(R2+Rp4)。（R2C=Rf4fR1）(2)三角波正弦波转换电路利用差分放大器传输特性曲线的非线性，实现三角波正弦波变换的过程如图所示。由上图可见： 差分放大器传输特性曲线越对称，线性区越窄越好； 三角波的幅度应正好使晶体管接近截止区。下图为实现三角波正弦波变换的电路。图中RP2调节三角波的幅度，为满足实验要求，其可调范围应该比较大，故取Rp2=10k。RP3调整电路的对称性，取100的电位器。并联电阻RE用来减小差分放大器传输特性曲线的线性区，取阻值为100。电容C1，C2，C4为隔直流电容，为达到良好的隔直流、通交流的目的，其容值应该取的相对较大，取C1=C2=C3=100uF。C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出正弦波的波形，取C4=0.68uF。差分放大器具有很高的共模抑制比，被广泛的应用于集成电路中，常作为输入级或中间放大级。（1）确定静态工作点电流Ic1、Ic2和Ic3静态时，差动放大器不加入输入信号，对于电流镜Re3=Re4=ReIr=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4= Ic4+2 Ic4/Ic4= Ic3而 Ir= Ic4= Ic3=（Ucc+Uee-Ube）/(R+Re4)上式表明恒定电流Ic3主要由电源电压Ucc、Uee和电阻R、Re4决定，与晶体管的参数无关。由于差动放大器得静态工作点主要恒流源决定，故一般先设Ic3。Ic3取值越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大器的输入阻抗越高。但Ic3取值也不能过小，一般为几个毫安。本实验中，取 Ic3 为1mA，则有 Ic1 = I c2=Ic3/2=0.5mA。（2）差模特性Rp3取值不能太大，否则负反馈太强，放大倍数太小，本实验中取100的电位器，用来调整差分放大电路的对称性。（3）恒流源电路中电阻Re3、Re4和R的确定由 R+R e=（Ucc +U ee -Ube ） /I r，其中Ucc为12V，Uee 也为12v，Ube的典型值为0.7V，Ir为1mA。实验中取 R=20K，Re4 =2K。为使两管输入保持对称，取Re3 =Re4 =2K。Rb1与Rb2为平衡电阻，取值为Rb1= Rb2=3.3K。流进T1，T2集电极电流为0.5mA，为满足其正弦波的幅度大于1V，取Rc1= Rc2=5.6k，使得电流流经Rc2的电压降不至于很大。3.电路原理图三、功能实现1.调试调节Rp1可以实现三种波形的频率变化要求，调节Rp4可实现方波的占空比要求；Rp3在中间阻值左右调节，调节差放的平衡，实现电路波形的对称性；调节Rp2可调节三角波的幅度，使其正好接近三极管的截止区，实现正弦波的平滑、完美的输出。2.方波3.三角波4.正弦波5.主要测试数据方波的峰峰值为14.3V，大于实验要求的峰峰值，存在误差，上升、下降时间小于10us。方波占空比在较大的范围内连续可调。三角波的峰峰值为8.4 V，与实验要求基本符合。正弦波的峰峰值为5.9V，大于1V，符合实验要求。三种波形的频率在012kHz范围内连续可调，无明显失真。四、实验过程刚开始做这个实验时，并没有整体的概念。对于实验内容一片茫然，并不知道该怎么做。本次实验共有四周时间。第一周由老师讲解了电路及电路搭建的基本知识，在老师的指导下学会使用dxp软件搭建电路，知道了电路设计的基本过程。同时，我们也各自选择了自己的实验课题，并学习实验原理，开始实验设计。第二周开始从网上查找资料，学习电路元件的基础知识。通过电路元件的基本参数，明确了其不同使用范围。经过调研，计算确定了电阻、电容、电位器的值，并用dxp画出实际的电路图。第三周我们正式开始使用面包板搭建电路。由于本人第一次使用面包板搭建这么复杂的电路，导致本人的搭建的电路地乱七八糟，各种导线在面包板上窜来飞去，连我自己也搞不清电路的真正连线。结果在预想之中，我接上直流电源之后，电源输出亮起了红灯，无法正常输入到电路中。老师也指出了我这种搭建电路的方法不对，于是我第一次搭建电路以失败告终。看到其他同学的电路搭建得很漂亮，导线并没有像我的一样乱走，于是我改进了电路搭建的方法。我从两边往中间布置电路，尽量使导线不横跨，电阻、电容有规则的分布，宁愿多走导线也不取巧。我通过导线把接地、正电源、负电源均接到面板的最上面和最下面的部分，最后只连出三根导线。电路搭建也宣告完成。然后就是开始测试的部分。我把电源接上，电源输出正常，但示波器始终没有波形。我马上想到是电路连接错误。我仔细检查了电路，发现了有些该连接在一起的地方并没有连接，导致电路并没产生预想的波形。经过认真检查改进之后，我终于从示波器上看到了完美的方波和三角波的波形，我心里小小地兴奋了一把。接着，我又开始测试正弦波。示波器上有波形显示，但波形已经严重变形，根本看不出是正弦波。我明白，电路的平衡性已经三角波的幅度均还未调节。于是，我将平衡电位器调到中间阻值，从示波器中观察波形，同时将电位器进行左右调节，使电路波形对称。接下来，调节三角波幅度电位器，但示波器波形始终没有发生变化。于是，我将电位器取出，进行大幅度调动，当我将电位器接上的时候，示波器上立刻就有了较为完美的正弦波形。我大为兴奋，继续调节，使正弦曲线整洁平滑。最后，我调节了频率电位器和占空比电位器，均取得了预想的效果。至此，我的电路搭建与调试正式完成。第四周是电路的验收与答辩。由于这几周的电路设计调试，我对该电路有了较为深刻的认识，电路波形的显示与调节均正常完成，答辩也比较轻松地通过。最终，我的电路通过了验收，这几周的努力也没有白费，取得了意想中的结果。五、实验总结在四周的实验中，我遇到了很多问题，通过与同学的通力合作和询问老师解决了问题。我掌握了电路搭建的方法，锻炼了工程设计与实践动手能力，提升了自身对于电子电路的认识。本次实验历尽坎坷，我从中学到了很多知识，这是在课堂上听老师讲所学不到的。实验由我们自己查找资料，根据所学知识确定元件参数，老师不会全程讲解，我们必须通过自己调研完成电路设计。总而言之，我从这次实验中学到了很多，对我以后的学习大有裨益。附录电路板