模擬電路課程設(shè)計-函數(shù)信號發(fā)生器

1、<p>　　模擬電路課程設(shè)計——函數(shù)信號發(fā)生器</p><p><b>　　一、設(shè)計任務和要求</b></p><p>　　在給定的±12V直流電源電壓條件下，使用運算放大器設(shè)計并制作一個函數(shù)信號發(fā)生器。</p><p>　　信號頻率：1kHz～10kHz </p><p>　　輸出電壓： 方波：V

2、p-p≤24V</p><p>　　三角波：Vp-p≤6V</p><p>　　正弦波： Vp-p>1V</p><p>　　方波：上升和下降時間：≤10ms</p><p>　　三角波失真度：≤2%</p><p>　　正弦波失真度：≤5%</p><p><b>　　二、設(shè)計

3、方案論證</b></p><p><b>　　1．信號產(chǎn)生電路</b></p><p><b>　　〖方案一〗</b></p><p>　　由文氏電橋產(chǎn)生正弦振蕩，然后通過比較器得到方波，方波積分可得三角波。</p><p>　　這一方案為一開環(huán)電路，結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)生的正弦波和方波的波形失

4、真較小。但是對于三角波的產(chǎn)生則有一定的麻煩，因為題目要求有10倍的頻率覆蓋系數(shù)，然而對于積分器的輸入輸出關(guān)系為：</p><p>　　顯然對于10倍的頻率變化會有積分時間dt的10倍變化從而導致輸出電壓振幅的10倍變化。而這是電路所不希望的。幅度穩(wěn)定性難以達到要求。而且通過仿真實驗會發(fā)現(xiàn)積分器極易產(chǎn)生失調(diào)。</p><p><b>　　〖方案二〗</b></p&

5、gt;<p>　　由積分器和比較器同時產(chǎn)生三角波和方波。其中比較器起電子開關(guān)的作用，將恒定的正、負極性的</p><p>　　電位交替地反饋積分器去積分而得到三角波。該電路的優(yōu)點是十分明顯的：</p><p>　　線性良好、穩(wěn)定性好；</p><p>　　頻率易調(diào)，在幾個數(shù)量級的頻帶范圍內(nèi)，可以方便地連續(xù)地改變頻率，而且頻率改變時，幅度恒定不變；<

6、;/p><p>　　不存在如文氏電橋那樣的過渡過程，接通電源后會立即產(chǎn)生穩(wěn)定的波形；</p><p>　　三角波和方波在半周期內(nèi)是時間的線性函數(shù)，易于變換其他波形。</p><p>　　綜合上述分析，我們采用了第二種方案來產(chǎn)生信號。下面將分析討論對生成的三角波和方波變換為正弦波的方法。</p><p><b>　　2．信號變換電路<

7、;/b></p><p>　　三角波變?yōu)檎也ǖ姆椒ㄓ卸喾N，但總的看來可以分為兩類：一種是通過濾波器進行“頻域” 處理，另一種則是通過非線性元件或電路作折線近似變換“時域”處理。具體有以下幾種方案：</p><p><b>　　〖方案一〗</b></p><p>　　采用米勒積分法。設(shè)三角波的峰值為，三角波的傅立葉級數(shù)展開：</p&

8、gt;<p><b>　　通過線性積分后：</b></p><p>　　顯見濾波式的優(yōu)點是不太受輸入三角波電平變動的影響，其缺點是輸出正弦波幅度會隨頻率一起變化（隨頻率的升高而衰減），這對于我們要求的10倍的頻率覆蓋系數(shù)是不合適的。另外我們在仿真時還發(fā)現(xiàn)，這種積分濾波電路存在這較明顯的失調(diào)，這種失調(diào)使輸出信號的直流電平不斷向某一方向變化。</p><p>

9、;　　積分濾波法的失調(diào)圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　而且輸出存在直流分量。</p><p><b>　　〖方案二〗</b></p><p>　　才用二極管－電阻轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡折線逼近法。十分明顯，用折線逼近正弦波時，如果增多折線的段數(shù)，則逼近的精度會增高，但是實際的二極管不是理想開關(guān)，存在導通閾值問題，故不可盲目

10、的增加分段數(shù)；在所選的折線段數(shù)一定的情況下，轉(zhuǎn)折電的位置的選擇也影響逼近的精度。憑直觀可以判知，在正弦波變化較快的區(qū)段，轉(zhuǎn)折點應選擇的密一些；而變化緩慢的區(qū)段應選的稀疏一些。</p><p>　　二極管－電阻網(wǎng)絡折線逼近電路對于集成化來說是比較簡單，但要采用分立元件打接則會用到數(shù)十個器件，而且為了達到較高的精度所有處于對稱位置的電阻和二極管的正向?qū)娮瓒紤ヅ?。實現(xiàn)起來不是很方便的。另外折線逼近電路的原理是應用

11、電路傳輸?shù)姆蔷€性，故作用于變換電路的輸入信號的幅度必須是固定的。而且這個轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡還有輸出阻抗高的缺點。</p><p>　　二極管－電阻轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡圖</p><p><b>　　〖方案三〗</b></p><p>　　利用差分放大器的差模傳輸特性。設(shè)差放的集電極電流分別為和，輸入差模電壓為 ,發(fā)射極電流為,則晶體三極管工作在放大區(qū)時有：</

12、p><p>　　由下圖的傳輸特性曲線我們可以想象當輸入為三角波時輸出會得到近似的正弦波。</p><p>　　差放差模傳輸特性曲線圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　這種轉(zhuǎn)換方式比較簡單，而且頻帶很寬。</p><p>　　三、整體電路設(shè)計和分析計算</p><p>　　1．三角波方波產(chǎn)生

13、電路</p><p>　　電路圖如圖所示，由三個運算放大器組成。其中實現(xiàn)密勒積分，實現(xiàn)比較、限幅、反相三種功能運算，為限幅反向器。,是正反饋電路，用作反饋通路。假設(shè)在時輸出為正電平。其中一部分信號反饋到的反相輸入端。另一部分通過反饋到的反相輸入端，其</p><p>　　三角波－方波產(chǎn)生電路圖</p><p>　　值的大小由與的分壓比決定。該信號電壓被積分器反相積分

14、，使的輸出電壓以時間常數(shù)下降，并通過加在的反相輸入端，流過的反饋電流(即),流過電阻的電流為 (即)，當正反饋電流與電流相等時，反相輸入端的電壓為零。開始從-0.65V跳變到+0.65V，從而迫使的輸出隨之翻轉(zhuǎn)，使從跳變到，與此同時，反相輸入端的電壓也隨之翻轉(zhuǎn)跳變到負值，對電壓進行反向積分，使得按著同樣的時間常數(shù)上升。電流與反向。逐漸增加，當正反饋電流與相等時， 再次跳變，從+0.65V跳變到-0.65V，迫使再次翻轉(zhuǎn)，從跳變到，這就完

15、成了一個振蕩周期。如此周而復始的循環(huán)。在地輸出端產(chǎn)生三角波，在的輸出端產(chǎn)生方波。 假設(shè)的正負限幅值不相等，用表示正限幅電平，用表示負限幅電平。假定當t＝0時，從跳變到，此時有：</p><p>　　當t＝時，比較器跳變，此時：</p><p>　　顯然， ，此時可以得到前半周期：</p><p>　　根據(jù)分析知道，當t＝時，積分器的輸出電壓為三角波的下降邊。同理，下

16、一次跳變時，應出現(xiàn)在。實際上，積分器的輸出電壓的跳變時間應為。因此</p><p>　　可以得到后半個周期。</p><p>　　如果選擇電阻與相等，且正向限幅與負向限幅相等，即與相等，則方程可簡化為：</p><p><b>　　, </b></p><p>　　由上式可看出，周期或頻率僅由分壓比系數(shù)和積分常數(shù)決定。

17、調(diào)節(jié)分壓比可連續(xù)改變頻率。</p><p>　　2．三角波—正弦波變換電路</p><p>　　電路如圖。如前所述，電路利用了差放的轉(zhuǎn)移特性，將三角波近似逼近為正弦波。</p><p>　　三角波－正弦波轉(zhuǎn)換電路圖</p><p><b>　　3．接口電路</b></p><p>　　通過上述電路

18、的分析和設(shè)計，我們已經(jīng)產(chǎn)生出三種規(guī)定的函數(shù)波形，但為了滿足應用上的要求，還需輸入電壓可調(diào)，并具備一定的驅(qū)動能力。這些要有一個接口電路來實現(xiàn)和完成。</p><p><b>　　接口電路圖</b></p><p>　　考慮到音頻信號的輸出阻抗常用600?，帶有反饋的運算放大器的輸出阻抗幾乎為零，在輸出處加一600?的電阻就可使輸出阻抗變?yōu)?00?，而且即使發(fā)生誤操作使輸

19、出短路，該電阻也能起到過流保護的作用。</p><p>　　在對輸出進行幅值調(diào)節(jié)時，輸出電壓變小，運放的偏移電壓的影響會很大。為了使信號有很大衰減，我們又設(shè)計了-20dB和-30dB的衰減器，可以把輸出電壓衰減0.1、0.01倍。在信號衰減的同時偏移電壓也同樣被衰減，這樣就防止了偏移影響的作用。</p><p>　　四、電路的EDA實現(xiàn)及仿真分析</p><p>&

20、lt;b>　　輸出瞬態(tài)分析</b></p><p>　　通過在4.7K～47K的范圍內(nèi)對電位器的調(diào)節(jié)，我們可以得到頻率覆蓋1K～10KHz的各輸出波形。兩個邊界頻率的瞬態(tài)分析結(jié)果見以下諸圖：</p><p>　　10KHz三角波0dB –20dB –30dB輸出圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　10KHz方波0dB

21、 –20dB –30dB輸出圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　10KHz正弦波0dB –20dB –30dB輸出圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　1KHz三角波0dB –20dB –30dB輸出圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　1KHz方波0dB –20dB –30

22、dB輸出圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　1KHz正弦波0dB –20dB –30dB輸出圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p><b>　　波形參數(shù)的測量</b></p><p>　　注：以下各參數(shù)的測量均在Protel 99SE SIM99的仿真支持下，由Casor測量光標輔助完成的

23、，其中失真度的測量是通過引入同頻率等幅的標準信號源的方法測出的。由于這幾個參數(shù)的測量都要將信號高倍放大，需占用較大的幅面，因此不再抓圖印證。</p><p><b>　　輸出幅值的測量：</b></p><p>　　方波上升時間的測量：</p><p>　　正弦波失真度的測量：</p><p>　　鑒于所采用正弦波的失真

24、系數(shù)的測量方法有較大誤差。為此，特在Uo=7V的測試條件下在0dB端口對f=1KHz的正弦波進行了Fourier分析，如下圖：</p><p>　　1KHz正弦波0dB輸出時的Fourier分析圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　由圖可見：電路高頻諧波分量是比較少的。</p><p><b>　　總結(jié)：</b>&

25、lt;/p><p>　　以上測試數(shù)據(jù)證明，該電路已遠遠超過了課程設(shè)計題目所要求的各項性能指標，而且其三角波、方波的表現(xiàn)又頗為突出，通過改變?nèi)遣ǚe分電容的方法，還可以將頻率覆蓋擴展至10Hz～100KHz。</p><p><b>　　溫度掃描分析</b></p><p>　　以下三圖是在 f=5.831KHz RL=600Ω 0dB輸出-10℃

26、～50℃步長為20℃的溫度掃描圖：</p><p>　　5.831KHz三角波-10℃～+50℃溫度掃描圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　5.831KHz正弦波-10℃～+50℃溫度掃描圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　5.831KHz方波-10℃～+50℃溫度掃描圖（Protel 99 SE SI

27、M99仿真）</p><p>　　由圖可見，波形除了時間上存在延遲外并無畸變。電路在該溫度范圍內(nèi)是正常工作的。</p><p><b>　　器件選擇</b></p><p>　　該電路主要由LM301集成運算放大器構(gòu)成，這款運放具有較高的速度，雖然價格比LM324略高，但是性能是LM324所無法比擬的。其中兩個調(diào)節(jié)電位器采用多圈線繞電位器，可以

28、達到令人滿意的調(diào)節(jié)效果。</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　在這次設(shè)計、焊接過程中我對抽象的理論有了進一步的認識。通過這次課程設(shè)計，我了解了常用元件的識別和測試；熟悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接、焊接方法；以及如何提高電路的性能等等。雖然這次實驗使得我糾結(jié)了近一天，但收獲的確很多。 在這次實驗中，總結(jié)了很多感觸體會，我們不能盲目的

29、圖快，一定要在心底有個具體的譜然后下手去焊接，這樣能讓我們少走彎路，更加節(jié)省時間。在實驗過程中，我也遇到了不少的問題，如波形失真，電路板測試時甚至不出波形這樣的問題。在老師和同學的幫助下，自己的總結(jié)思索下，把問題一一解決。實驗中暴露出我們在理論學習中所存在的問題，有些理論知識還處于懵懂狀態(tài)，這次實驗讓我對過去未理解的很多知識有了明了的認識。這次課程設(shè)計讓我體會到了在接好電路后測試出波形的喜悅與如重釋負的輕松。 </p>&