电子电路综合设计实验报告函数信号发生器.docx
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电子电路综合设计实验报告函数信号发生器
北京邮电大学
电子电路综合设计实验报告
课题名称:
函数信号发生器的设计与调试
学院:
班级:
姓名:
学号:
班内序号:
2012年3月29日
课题名称:
函数信号发生器的设计与调试
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。
根据所需振荡频率的高低和对方波前后沿陡度的要求以及对所需方波、三角波的幅度可以确定合适的运放以及稳压管的型号、所需电阻的大小和电容的值。
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:
方波三角波正弦波频率可调
一、设计任务要求
1.基本要求:
a)设计一个可输出正弦波、三角波和方波信号的函数信号发生器。
(1)输出频率能在1-10KHz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Uopp=8V;
(4)正弦波Uopp
1V.
b)设计该电路的电源电路,用PROTEL软件绘制完整的电路原理图(SCH)
2.提高要求:
a)三种输出波形的峰峰值Uopp均可在1V-10V内连续可调。
b)三种输出波形的输出阻抗小于100Ω。
c)用PROTEL软件绘制完整的印制电路板图(PCB).
3.探究环节:
a)显示当前输入信号的种类、大小和频率;
b)提供其他函数信号发生器的设计方案。
二、设计思路
1.结构框图
2.方波-三角波电路的产生
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的稳压值决定,即峰峰值在12V,所以选用稳压值为6V的稳压管。
方波经积分得到三角波,幅度为U02m=
(Uz+Ud),由R1和Rf的比值及稳压管的稳压值决定,由于要求中要求峰峰值为8V,则R1和Rf的比值为2:
3,试验中选取的R1为18K,Rf为30K。
R3为平衡电阻,阻值为R1和Rf并联的值,故R3取12K,根据输出方波的幅度可以选择限流电阻R0的阻值为2k。
方波和三角波的振荡频率相同,为f=
=
,式中
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,为使
实验中选取的Rw为10K。
根据所需振荡频率的高低和对方波前后沿陡度的要求,选择合适的运放,实验中在产生三角波的时候选取的是LM318,在产生正弦波的时候选取的UA741.根据所要求的振荡频率确定R:
C的值,实验中选取的R2为4.7K,C为0.01uF。
R4为平衡电阻,应与R2选取同样的阻值,即4.7K。
3.三角波-正弦波电路的产生
4.
差动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级。
1)差动放大器设计:
(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=Re
Ir=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4=Ic4+2Ic4/β≈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。
在实验中,取Ic3为1mA,则有Ic1=Ic2=0.5mA。
由R+Re=(Ucc+Uee-Ube)/Ir,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=20KΩ,Re4=2KΩ。
为使两管输入保持对称。
取Re3=Re4=2K。
Rp用来调整电路的对称性,不能取太大,实验中选取阻值为100Ω的电位器。
三角波-正弦波变换电路的种类很多,有二极管桥式电路、二极管可变分压器电路和查分放大器等。
以上是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。
由上图可以看出,差分放大器传输特性曲线特性越对称,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RP1调节三角波的幅度,RP2调整电路的对称性,并联电阻RE用来减小差分放大器传输特性曲线的线性区。
电容C1,C2,C3为隔直流电容,C4为滤波电容,以滤除谐波分量,改善输出正弦波的波形。
在实验过程中,Re与电位器Rp2并联,取阻值为100Ω。
电解电容C1、C2、C3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=33uF、C3=0.68uF。
Rp1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Rp1=100kΩ。
Rb1与Rb2为平衡电阻,取值为Rb1=Rb2=3.2KΩ。
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=5.6kΩ,使得电流流经Rc2的电压降不至于很大。
C4为滤波电容,取C4=0.01uF。
至此,电路的设计基本完成。
5.总体电路图
三、功能实现
1.已完成的基本功能
接入工作电压之后可以分别产生幅度和频率可调的方波、三角波、正弦波。
2.扩展功能
通过下图,利用二极管的单向导电性,且利用阻值不同,改变电容C充电、放电的时间不同,可以调节占空比。
3.主要测试数据
方波的峰峰值为13.36V,大于实验要求的峰峰值,存在误差,上升、下降时间小于10us。
由于所给器件的原因,未能实现占空比可调这个要求。
三角波的峰峰值为8V,与要求值相同。
正弦波的峰峰值大于1V,符合要求。
三种输出波形的输出频率在1-12KHz范围内连续可调,无明显失真。
4.必要的测试方法
利用直流电压源产生工作电压,用示波器测试输出电压波形、幅值、频率等,用电压表测量Re,Rc两端电压,并计算得到二者的工作电流,用毫伏表测定所需电阻的阻值。
四、故障及问题分析
刚开始接触这个实验时,并没有整体的概念。
对于电路的连接也是一片模糊,在第一次实验课的时候,通过请教老师和同学,知道了面包板是如何连接的,中间部分竖着5个为导通的,上下两侧横着25个为导通的。
然后才逐渐开始连接电路。
通过预习实验,计算得知了各个电阻和电容的值,并且了解了LM741和LM318的引脚及其功能。
第一节课连接了方波—三角波的电路图,但却无法运行。
经过请教他人之后,得知面包板的最上面一行最好是接正电压,最下面两行最好接负电压和接地,并且导线与元器件应该横平竖直,不应有穿插。
于是,在课余时间里,我开始针对面包板画电路图,这样在实际操作中能够更清楚明了。
再次连接电路时,电路美观清楚了很多,并且方波和三角波的波形也能正常的显示出来了。
但是正弦波始终没有显示,只是一条直线。
于是开始了对电路的检查,首先是用万能表测量电阻,果真有电阻的阻值与实际标注的阻值是不符的,更换正确的电阻后仍不能解决问题,再次检查三极管和电位器,依旧正常工作。
无奈之下开始测量电路中,每一点的波形,逐级寻找问题。
最终,一个电容的光荣牺牲引发我注意到了,电路连接上的问题,该接地的电容接到了负电压上,并且,负电压左边25与右边25个孔没有连接上,修改过这些问题后,电路终于能正常工作了!
由此可见,连线的过程中一定要小心再小心,认真的检查电路,及时的发现问题。
虽然出现了波形,但却不符合实验要求,于是要更改部分的电阻和电容。
将电容C3改为6800pF后,正弦波的峰峰值明显变大,并达到了实验要求。
在实验验收时,三角波的峰峰值大于8V,原以为是稳压管的问题,后经过老师知道,并仔细阅读教材后,发现通过调节电阻可以调节三角波的峰峰值,于是将R1从20k改为18K,三角波的峰峰值变为8V。
并且更改电容后,频率可调的范围从0—8KHz,变为0—12KHz,如此,所有的实验基本要求就都能达到了。
五、总结和结论
本次试验共经过四周的时间,从第一周的原理设计,到第二、三周的功能实现,再到第四周的实验验收和答辩,我遇到了很多问题,也解决了很多问题,弥补了自己的不足。
本次实验使我们进一步掌握了集成运放的使用方法,也进一步提高工程设计和实践动手能力,加强系统概念。
第一周我们主要是了解了一下实验原理以及实验目的,然后对实验做了一个大致的规划。
然后第二周我们开始连接电路,刚开始的时候,错误百出,电路总是会出现这样那样的问题,然后,开始画电路图,照着电路图连接元件,在宿舍里连接好电路,然后检查很多遍才拿到实验室去调试。
虽然调试过程中仍然会有些小问题的存在,比如:
输出波形的幅度不符合要求,正弦波失真,但在深入了解实验原理之后也慢慢解决了这些问题。
在第三周快结束的时候,实验终于获得成功。
总的来说,这次实验虽然比较坎坷,但确实学到了很多,不仅对理论知识掌握的更加牢固,更锻炼了我们自己的动手操作能力,在操作过程中,也使得我们对于所学知识有了更加深刻的理解和认识。
PROTEL绘制的原理图
原理图
PCB板
所用元器件及测试仪表清单
元器件
R(Ω)
个数
18K
1
20K
1
30K
1
560
1
12K
1
4.7K
2
5.6K
2
3.2K
2
2k
2
100
1
C(F)
个数
0.01u
2
6800p
1
33u
2
Rw(Ω)
个数
10K
1
100
1
100K
1
80504个
2DW2321个
LM3181个
LM7411个
仪器:
函数信号发生器
示波器
晶体管毫伏表
万用表
直流稳压电源
参考文献
《电子电路基础》
《电子电路综合设计实验教程》
附:
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- 关 键 词:
- 电子电路 综合 设计 实验 报告 函数 信号发生器