函数发生器设计报告.docx
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函数发生器设计报告.docx
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函数发生器设计报告
课程设计报告
课程:
电子线路课程设计
学院:
电子与信息工程学院
专业:
电子信息科学与技术
班级:
姓名:
学号:
指导老师:
完成日期:
2015.10.15
一、函数发生器设计
1.方波-三角波-正弦波函数发生器设计
函数发生器能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形。
产生正弦波、方波、三角波的方案多种,如先产生正弦波,然后通过整形电路将正弦波变换成方波,再由积分电路将方波变成三角波;也可以先产生三角波-方波,再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波。
(1)方波-三角波产生电路
图1所示的电路能自动产生方波-三角波,左边是同相输入的迟滞电压比较器,右边是积分器。
图1方波-三角波产生电路
若a点断开,比较器U1的反相端接基准电压,即V-=0,同相端接输入电压
Vin;比较器输出VO1的高电平VOH接近于正电源电压+VCC,低电平VOL接近于负电源电压-VEE,根据叠加原理,得到
(1)
式中,R4指电位器的调整值。
通常将比较器的输出电压VO1从一个电平跳变到另一个电平时对应的输入电压称为门限电压,将比较器翻转式对应的条件V+=V-=0代入式
(1),得到
(2)
设Vo1=VOH=+VCC,代入式
(2)得到一个较小值,即比较器翻转的下门限电平
VT-=Via-=
(3)
设Vo1=VOL=-VEE=-VCC,代入式(3)得到一个较大值,即比较器翻转的上门限电平VT+=Via+=
(4)
比较器的门限宽度或回差电压为
△VT=VT+-VT-=2×
(5)
比较器的电压传输特性如图3所示。
当vo1为往复跨越上,下门限电平的电压波形时,则vo1不断在高,低电平之间跳变,即输出一串方波。
C1在vo1跳变瞬间可看作短路,使门限迅速改变,即运放 A1的V+和V-之差迅速增大,从而加速输出的翻转。
C1和vo1保持高电平或低电平期间则可看作开路。
图3比较器电压传输特性图4方波-三角波
A点端开后,运放A2与R4,RP2,C2及R5组成反相积分器,若积分器的输入信号vo1为方波,则输出电压等于电容两端的电压,即
vo2=-vC2=-
∫
dt-
(t0)=-
(6)
式中,
是t0时刻电容两端的初始电压值,
是t0时刻电路的输出电压,且有
=-
。
当
=-
(
)+
(7)
当
时,则
=-
(
)+
(8)
可见,当积分器的输入为方波时,输出是一个下降速率与上升速率相等的三角波,其波形关系如图4所示,实际波形如图6所示。
A点闭合即比较器与积分器首尾相连,形成闭环电路,只要积分器的输出电压vo2达到比较器的门限电平,使得比较器的输出状态发生改变,则该电路就能自动产生方波-三角波。
由图4所示的波形可知,输出三角波的峰-峰值就是比较器的门限宽度,即
(9)
积分电路的输出电压vo2从VT-上升到VT+所需的时间是振荡周期的一半,即在T/2时间内vo2的变化量等于
。
根据式(8)得到电路的振荡周期为
T=
(10)
方波-三角波的频率为
F=
·
(11)
由式(9)及式(11)可以得出以下结论:
方波的输出幅度约等于电源电压+VCC,三角波的输出幅度与电阻R2与(R3+RP1)的比值有关,且小于电源电压+VCC。
电位器RP1可实现三角波调幅微调,但会影响方波-三角波的频率。
电位器RP2在调整输出信号的频率时,不会影响三角波输出电压的幅度。
因此应先调整电位器RP1,使输出三角波的幅值达到所要求的值,然后再调整电位器RP2,使输出频率满足要求。
若要求输出频率范围较宽,可取不同的C2来改变频率的范围,用RP2实现频率微调。
(2)三角波-正弦波变换电路
选用差分放大器作为三角波-正弦波的变换电路。
波形变换的原理是:
利用BJT差分对管的饱和与截止特性进行变换、分析表明,差分放大器的传输特性曲线
=a
=
(12)
式中,а=IC/IE≈1;I0为差分放大器的恒定电流;VT为温度的电压当量,当室温为25摄氏度时,VT≈26mV.
如果vid为三角波,设表达式
Vid
(13)
式中,Vm为三角波的幅度;T为三角波的周期。
将式(13)代入式(12),则
(14)
用计算机对式(14)进行计算,打印输出的
曲线近似于正弦波,则差分放大器的输出电压
也近似于正弦波,波形变换过程如下图6所示。
2.仿真设计
频率范围:
1-10Hz,10-100Hz;输出电压:
方波Vpp
24V,三角波VP-P=8V,正弦波Vpp>1V;波形特性:
方波tr<30
,三角波
,正弦波
.
解:
①确定电路形式及器件型号。
采用如下电路图5,放大器U1与U2用2只AD8541AKS运放器。
②计算元件参数。
比较器U1与积分器U2的元件参数计算如下:
由VO2PP=
得
=
=
取R2=10kΩ,R3=20kΩ,R4=50kΩ。
平衡电阻R2=R1//(R3+R4)≈10kΩ。
由输出频率表达式f=
得R5+R6=
图5方波-三角波-正弦波函数发生器电路
当1Hz
f
10Hz时,取C2=10
,R5=5.1kΩ。
当10Hz
f
100Hz时,取C2=1
以实现频率波段的转换,R5及R6的取值不变。
取平衡电阻R7=10kΩ。
三角波-正弦波电路参数选择原则是:
隔直电容C3、C4、C5要取大,因为输入频率低,C3=C4=C5=470
;滤波电容C6的取值视输出的波形而定,若含高次谐波成分较多,则C6一般为几十皮法至0.1
。
R12=100Ω及R13=100Ω相并联,以减小差分放大器的线性区。
差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线、调整R13及电阻R16来确定。
(1)方波-三角波发生器的装调
由于比较器U1与积分器U2组成正反馈闭环电路,同时输出方波与三角波,故这两个单元电路可以同时安装。
注意:
在安装时R4与R6之前,要先将其调整到设计值,否则电路可能不会起振。
如果电路线路正确,则在接通电源后,U1的输出VO1为方波,U2的输出为三角波,微调R4,使三角波的输出幅度满足设计指标,调节R6,则输出频率连续不变。
(2)三角波-正弦波变换电路的装调
①差分放大器传输特性曲线调试。
将C4与R13断开,经电容C4输入差模信号电压Vid=50mV,f1=100Hz正弦波。
调节R13及电阻R16,使传输特性曲线对称。
再逐渐增大Vid,直到特性曲线如下图6,再记录下对应的峰值Vidm。
移去信号源,再将C4左端接地,测量差分放大器的静态工作点Io、VCIQ、VC2Q、VC3Q、VC4Q。
②三角波-正弦波变换电路调试。
将R8与C4的连线断开,经电容C4输入差模信号Vid=50mV,fi=100Hz的正弦波。
调节R8使三角波的输出幅度等于Vidm值,此时VO3波形应接近正弦波,调整C5改善波形。
图6方波-三角波-正弦波
(3)误差分析
①方波输出电压Vpp
2VCC,是因为运放的输出存在饱和压降,使方波输出幅度小于电源电压值。
②方波的上升时间tr,主要受运放转换速率的限制。
如果输出频率较高,则可在R3、R4两端并入一个几十皮法的电容。
可用示波器测量tr。
为使输出波形更接近正弦波,要求:
传输特性曲线尽可能对称,线性区尽可能窄;
三角波的幅值
应接近BJT差分对管的截止电压值。
三角波-正弦波的变换电路中,RP1调节三角波的幅度,RP2调整电路的对称性,并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。
C1,C2,C3为隔直电容,C4为滤波电容,以滤除谐波分量,改善输出波形。
3.实物制作
本电路采用
V电源供电,采用AD827双运算放大器,芯片引脚资料如图7。
Q1、Q2三极管的β最好相等,测得β=363。
图7芯片AD827引脚图
①实物作品如图8:
图8实物作品
2当AD827的6、7脚接10uf电容时(即仿真电路中Key打在C2上)的波形图及其相关参数如下:
C2=10uf
频率f/Hz
周期T/ms
峰峰值VP_P/V
方波
1.82
550
14
三角波
1.82
550
3
正弦波
2
500
8
图910uf电容时的矩形波
图1010uf电容时的三角波
图1110uf电容时的正弦波
3当AD827的6、7脚接1uf电容时(即仿真电路中Key打在C1上)的波形图及其相关参数如下:
C1=1uf
频率f/Hz
周期T/ms
峰峰值VP_P/V
方波
22.22
45
14
三角波
22.22
45
2.8
正弦波
22.22
45
6.4
图121uf电容时的矩形波
图131uf电容时的三角波
图141uf电容时的正弦波
当AD827的6、7脚接电容会影响输出波形的频率,电容值越小频率越大。
通过调节滑动变阻器可以改变波形的峰值、周期、波形形状。
4.心得体会
在这次的做作品的过程中,我了解了AD827的功能,知道了其在集成功率放大电路中所起的作用。
在实验过程中,我也遇到了不少的问题,如波形失真,电路板测试时甚至不出波形这样的问题。
通过我的认真分析,一步一步检查问题,找到了错误,改进了电路,最后完成了实验。
实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题,有些理论知识还处于懵懂状态,这次实验让我对过去未理解的很多知识有了深刻的认识。
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