函数信号发生器

实实 验验 报报 告告 科目 科目 一 概一 概 述述 1 发展趋势 发展趋势 电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术 的迅速发展 促使信号发生器种类日益增多 性能日益提高 尤其的迅速发展 促使信号发生器种类日益增多 性能日益提高 尤其 是近代微处理器的迅速发展更促使信号发生器向着自动化 智能化是近代微处理器的迅速发展更促使信号发生器向着自动化 智能化 的方向发展 现在 许多信号发生器除带有微处理器 因而具备了的方向发展 现在 许多信号发生器除带有微处理器 因而具备了 自校 自检 自动故障诊断 自动波形形成和修正等功能 外 还自校 自检 自动故障诊断 自动波形形成和修正等功能 外 还 带有带有 IEEE 488 或或 RS232 总线 可以和控制计算机及其他测量仪器总线 可以和控制计算机及其他测量仪器 一起方便的构成自动测试系统 当前信号发生器总的趋势是向着宽一起方便的构成自动测试系统 当前信号发生器总的趋势是向着宽 频率覆盖范围 高频率精度 多功能 多用途 自动化和智能化方频率覆盖范围 高频率精度 多功能 多用途 自动化和智能化方 向发展 向发展 2 分类及用途 分类及用途 名名 称称频率范围频率范围主要应用领域主要应用领域 超低频信号发生器超低频信号发生器30KHz电声学 声纳电声学 声纳 低频信号发生器低频信号发生器30 300kHz电报通信电报通信 视频信号发生器视频信号发生器300kHz 6MHz无线电广播无线电广播 高频信号发生器高频信号发生器6 30MKz广播 电报广播 电报 甚高频信号发生器甚高频信号发生器30 300MHz电视 导航电视 导航 超高频信号发生器超高频信号发生器300 3000MHz雷达 导航 气象雷达 导航 气象 3 任务 任务 1 设计一个低频发生器 采用文氏桥式振荡器 输出信号频率 设计一个低频发生器 采用文氏桥式振荡器 输出信号频率 为为 10 100KHZ 之间 之间 2 设计一个函数信号发生器 可以输出正弦波 三角波 锯齿 设计一个函数信号发生器 可以输出正弦波 三角波 锯齿 波和方波等 频率波和方波等 频率 10 100KHZ 之间 之间 二 实二 实 验验 一 一 低频发生器 低频发生器 1 低频信号发生器的主要工作特性 低频信号发生器的主要工作特性 目前 低频信号发生器的主要工作特性如下 目前 低频信号发生器的主要工作特性如下 频率范围频率范围 一般为一般为 20Hz 1MHz 且连续可调 且连续可调 频率准确度频率准确度 1 3 频率稳定度频率稳定度 一般为 一般为 0 1 0 4 小时 小时 输出电压输出电压 0 10V 连连 续可调 续可调 输出功率输出功率 0 5 5W 连续可调 连续可调 非线性失真范围非线性失真范围 0 1 1 输出阻抗输出阻抗 50 75 150 600 5k 等等 几种 几种 输出形式输出形式 平衡输出与不平衡输出 平衡输出与不平衡输出 2 低频信号发生器的工作原理 1 低频信号发生器的原理方框图 低频信号发生器的原理方框图如图 3 1 所示 包括主振级 主 振输出调节电位器 电压放大器 输出衰减器 功率放大器 阻抗 变换器 输出变压器 和指示电压表 K 主振级产生低频正弦振荡信号 经电压放大器放大 达到电压 输出幅度的要求 经输出衰减器可直接输出电压 用主振输出调节 电位器调节输出电压的大小 电压输出端的负载能力很弱 只能供 给电压 故为电压输出 振荡信号再经功率放大器放大后 才能输 出较大的功率 阻抗变换器用来匹配不同的负载阻抗 以便获得最 大的功率输出 电压表通过开关换接 测量输出电压或输出功率 2 低频信号发生器的主振电路 低频信号发生器的主振级几乎都采用 RC 桥式振荡电路 这种 振荡器的频率调节方便 调节范围也较宽 RC 桥式振荡器是一种反馈式振荡器 其原理电路如图 3 2 所示 T1 T2构成同相放大器 R1 C1 R2 C2为选频网络 选频网络的 反馈系数与频率有关 为反馈电压 为放大器输出电压 O F V V F F V O V 因此 反馈网络具有选频特性 使得只有某一频率满足振荡的两个 基本条件 即振幅和相位平衡条件 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 C1 C2 C3 C4C5 C6 T1T2 Ec Vf Vo 图 3 2 RC 桥式振荡器 选频网络是一个 RC 串并联反馈电路 其电路及频率特性如图 3 3 a b 所示 当频率很低接近零时 C1 C2的容抗趋向无穷 大 Vo 几乎全部降落在 Cl上 VF 与 F 近似为零 流过 R2的电流 也就是流过 C1的电流 而主要由 C1来决定 故相位 2C1F RIV C1 I C1 I 超前90 所以相位也超前90 随着频率逐渐升高 C1的 O V F V O V 容抗逐渐减小 因此 C1上的压降减小 R2上的分压则逐渐增加 VF 与 F 亦逐渐增大 选频网络所引起的相移 也逐渐变小 90 0 0 F 1 3 90 0 0 R1 R2 C1 C2 V V 0 F IC1 a b 图 3 3 RC 选频网络频率特性 当频率很高趋向无穷大时 Cl和 C2的容抗都很小 Cl是串联于 回路中 它与 R1相比可以忽略 C2是与 R2并联 由于 C2的容抗很 小 所以与 F 很小 为在 C2上的降压 与同相 所以 F V F V R1 I R1 I O V 近似落后于90 随着频率逐渐降低 VF 和 F 也随着增大 相 F V O V 角 也逐渐减小 当 0 时 VF 和 F 达到最大 相移 0 3 电路 C2 1uF U1A LM324D 3 2 11 4 1 C4 1uF R3 1k R4 1 6k D1 1N4001GP D2 1N4001GP 0 8 VEE 12 6V VEE VCC 12 6V VCC XSC1 A B Ext Trig R1 16k R2 16k 1 6 4 2 4 仿真 二 函数信号发生器 1 原理框图 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 也可以采用集 成电路 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 2 部分电路原理 方波发生电路的工作原理 假设 t 0 时电容 C 上的电压 Uc 0 而滞回比较器的输出端为高 电平 即 Uo Uz 则集成运放同相输入端的电压为输出电压在电阻 R1 R2 上分压的结果 即 U R1 Uz R1 R2 此时输出电压 Uz将通过电阻 R 向电容 C 充电 使电容两端的 电压 Uc 升高 而此电容两端的电压接到集成运放的反向输入端 即 Uc U 当电容上的电压上升到 U U 时 滞回比较器的输出端将发生 跳转 由高电平跳变为低电平 使 Uo Uz 于是集成运放同相输入端 的电压也立即变为 U R1 Uz R1 R2 然后又重复刚才过程 如此 电容反复地进行充电放电 滞比较器的输出端将再次发生跳转 于是 产生了正负交替矩形波 2 总电路图 3 仿真 1 方波 2 三角波 3 正弦波 4 锯齿波 三 总结 这次课程设计让我认识到设计是让我们提升动手能力的绝好 机会 这也能让我们可以把以前学到的理论知识在实践中得到认证 我期盼在今后的课程中能得到更多像这样的机会让同学们得到锻炼 同时通过这次对函数波形发生器的设计与制作 让我更加了解了一 些设计电路的程序 也让我了解了关于函数波形发生器的原理与设 计理念 设计一个电路时只有先通过仿真 仿真成功之后再实际接 线使我了解了 multisim