課程設(shè)計(jì)--函數(shù)發(fā)生器

1、<p><b>　　引言</b></p><p>　　1.1 函數(shù)信號發(fā)生器的應(yīng)用意義</p><p>　　函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件也可以是集成電路。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實(shí)驗(yàn)調(diào)試技術(shù)，本課題采用有集成運(yùn)算放大器與晶體

2、差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。具體方法是由比較器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。</p><p>　

3、　通過此次設(shè)計(jì)，我們能將理論知識很好的應(yīng)用于實(shí)踐，不僅鞏固了書本上的理論知識，而且鍛煉了我們獨(dú)立查閱資料、設(shè)計(jì)電路、獨(dú)立思考的能力</p><p><b>　　1.2設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　能夠根據(jù)功能要求查找相關(guān)的元器件的說明書。</p><p>　　能夠?qū)υ骷恼f明書進(jìn)行學(xué)習(xí)并掌握元器件的控制方法和時(shí)序要求。</p&g

4、t;<p>　　能夠利用Multisim、protel仿真軟件對電路進(jìn)行仿真調(diào)試。</p><p>　?。?） 能夠按著規(guī)范的課程設(shè)計(jì)的格式完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。</p><p>　　1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求</p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)函數(shù)發(fā)生器，能產(chǎn)生方波、三角波、正弦波信號。用LED顯示其頻率和波形參數(shù)，播報(bào)其頻率和波形參數(shù)。信號頻率可通過鍵盤輸入并顯示

5、。</p><p><b>　　基本要求：</b></p><p>　　1、輸出頻率范圍：100HZ—1KHZ和1KHZ—10000HZ兩檔</p><p>　　2、輸出電壓幅值可設(shè)，方波：VP-P=12V</p><p>　　3、三角波：VP-P=1V</p><p>　　4、正弦波：VP-P&

6、gt;1V</p><p>　　整個(gè)控制電路在Multisim、Protel仿真軟件中連接調(diào)示。</p><p>　　函數(shù)發(fā)生器的總方案及原理框圖</p><p><b>　　2.1 原理框圖</b></p><p>　　2.2 函數(shù)發(fā)生器的總方案</p><p>　　函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生

7、正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038)。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實(shí)驗(yàn)調(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　產(chǎn)生正弦波、方波、三

8、角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波—方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊?。本課題采用先產(chǎn)生方波—三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法，</p><p>　　本課題中函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖如下所示：</p><p>　　由比較器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器

9、得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。</p><p>　　各組成部分的工作原理</p><p>　　3.1 方波發(fā)生電路的工作原理</p><p>

10、;　　此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖中實(shí)線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時(shí)間t的增長而逐漸增高，當(dāng)t趨于無窮時(shí)，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反

11、向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長而減低，當(dāng)t趨于無窮大時(shí)，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。</p><p>　　3.2 方波---三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理</p><p>　　若a點(diǎn)斷開，運(yùn)算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為

12、加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設(shè)Uo1=+Vcc,則

13、 </p><p>　　將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia-為</p><p>　　若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為</p><p><b>　　比較器的門限寬度</b></p><p>　　由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3-71所示。&l

14、t;/p><p>　　a點(diǎn)斷開后，運(yùn)放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為　</p><p><b>　　時(shí)，</b></p><p><b>　　時(shí)，</b></p><p>　　可見積分器的輸入為方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速度與下降速度相等的三角波

15、，其波形關(guān)系下圖所示。</p><p>　　a點(diǎn)閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動(dòng)產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為</p><p>　　方波-三角波的頻率f為</p><p>　　由以上兩式可以得到以下結(jié)論：</p><p>　　電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時(shí)，不會(huì)影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可

16、用C2改變頻率的范圍，PR2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。</p><p>　　方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過電源電壓+Vcc。</p><p>　　電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波-三角波的頻率。</p><p>　　3.3 三角波---正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理</p><p>　　差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗

17、高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為：</p><p><b>　　式中　　</b></p><p>　　——差分放大器的恒定電流；</p><p>　　——溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25o

18、c時(shí)，UT≈26mV。</p><p>　　如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為</p><p>　　式中　　Um——三角波的幅度；</p><p>　　T——三角波的周期。</p><p>　　為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：</p><p>　　傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好；</p><p&

19、gt;　　三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。</p><p>　　圖為實(shí)現(xiàn)三角波——正弦波變換的電路。其中Rp1調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp2調(diào)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1,C2,C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。</p><p>　　3.4電路的參數(shù)選擇及計(jì)算</p><p>　　3.4

20、1.方波-三角波中電容C1變化（關(guān)鍵性變化之一）</p><p>　　實(shí)物連線中，我們一開始很長時(shí)間出不來波形，后來將C2從10uf（理論時(shí)可出來波形）換成0.1uf時(shí)，順利得出波形。實(shí)際上，分析一下便知當(dāng)C2=10uf時(shí)，頻率很低，不容易在實(shí)際電路中實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　3.42.三角波-正弦波部分</p><p>　　比較器A1與積分器A2的元件計(jì)算如下。

21、</p><p><b>　　由式（3-61）得</b></p><p><b>　　即</b></p><p>　　取 ，則，取 ，RP1為47KΩ的點(diǎn)位器。區(qū)平衡電阻</p><p><b>　　由式（3-62）</b></p><p><b&

22、gt;　　即</b></p><p>　　當(dāng)時(shí) ，取以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻。</p><p>　　三角波—>正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分

23、放大器的線性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點(diǎn)可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R*確定。</p><p><b>　　3.5 總電路圖</b></p><p>　　4.函數(shù)信號發(fā)生器各單元電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 方波產(chǎn)生電路圖及元件參數(shù)的確定</p><p>　　4.1.1 方波產(chǎn)生電路 </p&

24、gt;<p>　　圖 4-1方波發(fā)生電路</p><p>　　4.1.2 元件參數(shù)的確定</p><p>　　圖3中U2構(gòu)成同相輸入遲滯比較器電路，用于產(chǎn)生輸出方波?？勺冸娙軨1具有調(diào)頻作用，可用于調(diào)節(jié)方波的頻率。使產(chǎn)生的頻率范圍在10~~100Hz。</p><p>　　方波振蕩周期 T = 2 R1 C1 ln(1+2R4/R3)。 </p

25、><p>　　R1=7K，R3=7K ，R4=7K。</p><p>　　振蕩頻率 f = 1/T?？梢?，f與C1成反比，調(diào)整電容C1的值可以改變電路的振蕩頻率。圖中穩(wěn)壓管 D1 D2 為調(diào)整方波幅值，UP-P = D1 +D2。</p><p>　　4.2方波—三角波轉(zhuǎn)換電路圖及元件參數(shù)確定</p><p>　　4.2.1 方波—三角波轉(zhuǎn)換電

26、路</p><p>　　圖 4-2方波-三角波電路圖</p><p>　　4.2.2 方波→三角波的參數(shù)確定</p><p>　　圖4中U2構(gòu)成同相輸入遲滯比較器電路，用于產(chǎn)生輸出方波。可變電容C1具有調(diào)頻作用，可用于調(diào)節(jié)方波的頻率。運(yùn)算放大器U1與電阻R5及電容C2構(gòu)成積分電路，用于將U2電路輸出的方波作為輸入，產(chǎn)生輸出三角波。</p><p&

27、gt;　　圖中R6在調(diào)整方波—三角波的輸出頻率時(shí)，不會(huì)影響輸出波形的幅度。若要求三角波的幅值，可以調(diào)節(jié)可變電容C2。</p><p>　　三角波部分參數(shù)設(shè)定如下：</p><p>　　對于輸出三角波 其振蕩周期 T = (4 R5 R6 C2) / R3 ，f = 1/T。 而要調(diào)整輸出三角波的振幅，則需要調(diào)整可變電容C2的值。以使三角波UP-P = 1V。</p>&

28、lt;p>　　4.3正弦波參數(shù)電路及元件參數(shù)確定</p><p>　　4.3.1 正弦波參數(shù)電路 </p><p>　　圖 4-3 三角波-正弦波電路圖</p><p>　　4.3.2正弦波的參數(shù)確定</p><p>　　.改變輸入頻率，是電路中的頻率一定時(shí)三角波頻率為固定或變化范圍很小。加入低通濾波器，而將三角波轉(zhuǎn)化為正弦波。在圖5

29、中當(dāng)改變輸入頻率后，三角波與正弦波的幅度將發(fā)生相應(yīng)改變。由于</p><p>　　振蕩周期 T = (4 R5 R6 C2) / R3，</p><p>　　C2為調(diào)節(jié)三角波的幅度使UP-P = 5V，R10調(diào)節(jié)輸出正弦波得幅值UP-P = 3V。</p><p>　　三角波→正弦波的變換主要用差分放大器來完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高、抗干擾

30、能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是做直流放大器時(shí)，可以有效的抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性的非線性。</p><p>　　4.4方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器整體電路圖</p><p>　　根據(jù)以上設(shè)計(jì)，畫出方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路圖如圖 6 所示。</p><p>　　圖 4-4 方波-三角-正弦波函數(shù)發(fā)

31、生器電路圖</p><p><b>　　5.電路的仿真調(diào)試</b></p><p>　　5.1 利用Multisim軟件畫出電路圖，模擬電路結(jié)果，觀察各波形的輸出。</p><p>　　5.1.1 方波、三角波產(chǎn)生電路的仿真波形</p><p>　　圖5-1方波電路仿真</p><p>　　圖5-

32、2三角波電路仿真</p><p>　　5.12方波—三角波轉(zhuǎn)換電路的仿真</p><p>　　5-3方波—三角波仿真圖形</p><p>　　5.1.3三角波—正弦波轉(zhuǎn)換電路仿真</p><p>　　圖5-4三角波—正弦波仿真圖形</p><p>　　5.1.4 方波—三角波—正弦波轉(zhuǎn)換電路仿真</p>

33、<p>　　圖 5-5方波—三角波—正弦波仿真圖形</p><p><b>　　6.結(jié)果分析</b></p><p><b>　　輸出電壓</b></p><p>　　方波信號接入示波器仿真，調(diào)節(jié)C1，得方波峰峰Vpp=12V；撤除方波信號并接入三角波信號，調(diào)節(jié)C2，測得三角波峰峰值Upp=1V；將正弦波信號接入

34、示波器，調(diào)節(jié)R10，測得正弦波峰峰值Upp=3V。</p><p><b>　　7.總結(jié)</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 付家才. 電工電子實(shí)踐教程. 化學(xué)工業(yè)出版社.2003</p><p>　　[2] 尹勇 李林凌. Multisim電路仿真