多功能信号发生器-课程设计

123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 15 Jan 2005Sheet of File F 与与与与 ddbDrawn By VO VOM VOM VRef Vi t t 多功能信号发生器多功能信号发生器 专业技能训练 课程设计 1 设计任务设计任务 1 设计一个基于运算放大器构成的能够产生正弦波 方波和三角波的多功 能信号发生器 2 要求掌握运放在开环 正反馈下的工作特点 熟悉比较器电路 搞清其 工作原理 掌握正弦波发生器 方波发生器 三角波发生器的电路及其工作原 理 3 设计技术要求 正弦波 1 3Hz 和 20 30Hz 两个频率点用开关切换 方 波 直接对正弦波整形得到 并用红色和绿色 LED 作限幅和显示 三角波 直 接对方波积分得到 4 绘制多功能信号发生器的电原理图 并仿真 完成多功能信号发生器的 实作 完成设计报告 2 实验原理实验原理 2 1 运放在开环 正反馈下的特点 运放在开环或引入正反馈下 它工作在限幅区 非线性工作区 这时运放有两 个重要特点 1 运放的两个输入端不取电流 2 运放的两个输入端不一定是等电位 是否等电位与输入信号大小有关 而当两个输入端等电位时 运放的输出状态发生翻转 即当 V 由小于 V 变至 等于 稍大于 V 时 运放由正向限幅状态变为负向限幅状态 当 V 由大于 V 变至等于 稍小于 V 时 运放由负向限幅状态变至正向限幅状态 运放只 是在正向限幅和负向限幅两种状态转换瞬间经过线性工作区 2 2 比较器 图 1 a 是将运算放大器在开环下应用构成一个电压比较器 输入电压 Vi 与参考电压 VRef相比较 其传输特性如图 1 b 所示 当时 即输入电0V fRe 压与零电平相比较 则称之为过零比较器 a 开环比较器 b 传输特性 c 波形变换 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 9 Jul 2005 Sheet of File E 与与与 与与与与与与与 与与与与 ddbDrawn By Vi Vo A V V Vo i V V OM OM VRef Ref 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 15 Jan 2005Sheet of File F 与与与与 ddbDrawn By t t iV 1V VO VOM OM V 2 V 图 1 开环比较器及其传输特性 如果引入正反馈 可以构成具有回线形状传输特性的滞回比较器 图 2 a 所示为一反相输入的滞回比较器 该电路 当时 OMO VV 上门限电压 OM f1 1 1 V RR R V 当时 OMO VV 下门限电压 V RR R V OM f1 1 2 回差电压 21 VVV 因此当 Vi 由小增大到等于 V1时 运放由正向限幅状态翻转为负向限幅状 态 而当 Vi由大减小到等于 V2时 运放由负向限幅状态翻转为正向限幅状态 电路的电压传输特性如图 2 b 所示 a 滞回比较器 b 滞回比较器传输特性 c 波形变 换 图 2 滞回比较器及其传输特性 如果图 1 a 和 2 a 中 Vi为正弦波 则 VO为方波如图 1 c 和图 2 c 所示 由此 比较器可以实现波形的变换 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 9 Jul 2005 Sheet of File E 与与与 与与与与与与与 与与与与 ddbDrawn By VOM VO Vi V2V1 VOM V V R R 1 f o i 若为了使输出电压的幅度被限制在 可采用双向稳压管 DZ 电路如图 Z V 3 所示 图中 R 是稳压管的限流电阻 图 3 具有限幅的滞回比较器 2 3 方波发生器 方波发生器是一种能产生方波的信号发生电路 由于方波包含各次谐波分 量 因此方波发生器又称为多谐振荡电路 方波发生器的基本电路如图 4 所示 它是由一个反相输入的滞回比较器 其传输特性见图 2 b 和一个 RC 积分电路组成 a 方波发生器 b 波形图 图 4 方波发生器及其波形图 电路接通电源瞬时 电路的输出为正向限幅还是负向限幅纯属偶然 设输 出处于正向限幅 即 VO VZ时 则电容 C 充电 其上电压 VC按指数规律上升 当 VC上升到等于 时 运放的输出翻转为负向限幅 VO Z 21 1 V RR R VZ 若输出处于负向限幅 即 VO VZ时 则电容 C 放电 其上电压 VC按指数 规律下降 当 VC下降到等于 时 运放的输出又翻转为正向限幅 Z 21 1 V RR R 如此循环不已 形成方波输出电压 波形图见图 4 b 所示 由分析可知 输出方波的周期为 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 10 Jul 2005Sheet of File E 与与与 与与与与与与与 与与与与 ddbDrawn By A R 1K R 47KR 20K V z 6V Dz V o V i 1 f 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date 1 F eb 20 07 Sheet o f File E 与与与与与与与 与与与与 与与与与与与与 与与与与 ddbDrawn B y R 1K R 47K R 20K Vz 6V Dz Vo 1 2 C 0 1uF 10K R 10K P R V o V V V V V V VZ Z Z Z O C R1 R1 R2 R1 R1 R2 t T VcA 3 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 15 Jan 2000Sheet of File F ge 与与 与与与 shudian ddbDrawn By R 10K R 2K R 10K R 20KR 10K R 10K A2 C 0 1uF DZ A1 VZ 6V V O1 1 2 3 4 5 V V V V V V VZ Z Z Z O1 O2 R1 R2 R1 R2 t V O2 R R 21ln RC2T 2 1 2 4 三角形发生器 三角波发生器电路如图 5 a 所示 它由一个同相输入滞回比较器 其传 输特性请读者自己分析 和一个积分器构成 滞回比较器的输出作为积分器的 输入 积分器的输出 即三角形发生器的输出 作为滞回比较器的输入 a 三角波发生器电路图 b 波形图 图 5 三角波发生器 设电源接通时 则线性下降 当下降到时 运 Z1O VV 2O V 2O V Z 2 1 V R R 放 A1输出翻转 变为 当 则 VO2线性增长 当 VO2增长 Z1O VV Z1O VV 到时 运放 A1再次输出翻转 变为 VO1 VZ 这样反复不已 便可得 Z 2 1 V R R 到方波 VO1和三角波 VO2 波形图如 5 b 所示 三角波的峰值 Z 2 1 m2O V R R V 周期CR R R 4T 2 1 2 5 正弦波信号发生器 图 6 所示电路是由运放构成的 RC 桥式振荡电路 它是由选频网络 为 RC 串并联网络 它兼作正反馈网络 和同相输入比例放大器组成 图 6 正弦波信号发生器 振荡频率为 RC2 1 ff 0 在频率 f0 下 正反馈网络的反馈系数 只有同相放大器的放大 3 1 V V F 0 f 倍数 时 才能满足振荡的振幅平衡条件 因此应3 R R 1A 1 f 1AF 为了使电路起振应使 AF 略大于 1 即应 Rf 略大于 2R1 这可由调 1f R2R 节 RP来实现 电路中采用二极管来实现稳幅作用 由于起振时输出电压幅度较小 尚不 足以使二极管导通 此时 而后随着输出幅度增加 正向二极管导通 1f R2R 其正向电阻逐渐减小 直至时振荡稳定 二极管两端并联电阻 R2用于 1f R2R 适当削弱二极管的非线性影响 以改善输出波形 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 1 F eb 2007 Sheet of File E 与与与与与与与 与与与与 与与与与与与与 与与与与 ddbDrawn B y R 10K C 0 01uF R 10K C 0 01uF R 10K R 47K D D R 10K 1 2 P VO 1 2 Rf A Vf 3 设计参考方案设计参考方案 3 1 整机结构框图 首先 利用文氏电桥振荡电路产生正弦波信号 频率在 2Hz 和 30Hz 左右 通过按键快关切换 然后设置以及电压放大器 可以提高输出电压幅度和带 负载能力 其次 利用滞回比较器 施密特触发器 对正弦波信号整形得到同 频率的方波信号 最后 利用积分电路对方波积分得到三角波信号 图 7 整机框图 3 2 文氏电桥正弦波振荡电路 1 R1 R12 C4 和 R2 R13 C5 构成 RC 串并联选频网络 其谐振频率 及 振荡频率 为 约为 2Hz 和 30Hz 左右 通过按键快关切换 RC2 1 ff 0 2Hz 低频振荡是便于用 LED 观察期闪烁 而 30Hz 信号便于用示波器观察期波 形 2 U1A 与 R6 8 10 构成增益为 3 倍的同相比例放大器 其 R6 可调节其增 益 一般先将 R6 调节到最大位置 在产生了正弦波震荡后 逐渐调小 R6 使之 得到不失真的正弦波信号 D2 4 为限幅二极管 3 3 同相比例放大器 U1B 与 R9 11 构成增益为 2 倍的同相比例放大器 可提高正弦波信号输出 幅度和带负载能力 3 4 滞回比较器 1 R3 D1 3 为限幅电路 输出方波幅度在 2 5V 左右 2 U2A 与 R5 7 构成滞回比较器 翻转电压在 V7 05 2 4720 20 1 1 OM f V RR R V 左右 3 5 积分电路 由 U2B 和 R4 C3 构成 对前级输出的方波信号积分得到三角波信号输出 4 实验要求实验要求 1 撰写实验报告 内容包括 实验电路原理分析 设计过程 计算 安装 调试过程 实验体会等 2 绘制实验电路 并对电路仿真 将绘制的电路及仿真结果负载试验报告 中 3 制作 PCB 电路板 安装调试 完成实作 5 参考电路见附图 参考电路见附图 8 1 4 3 2 1 U1A NE5532AJG 84 7 5 6 2 U1B NE5532AJG 8 1 4 3 2 1 U2A NE5532AJG 84 7 5 6 2 U2B NE5532AJG 51K R12 750K R13 10K R10 10K R8 51K R1 750K R2 1K R9 1K R11 20K R