课程设计函数信号发生器Word文档下载推荐.docx
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指导教师:
xxxxx
综合成绩:
2014年6月25
一、设计要求
要求:
设计制作一个方波-三角波-正弦波发生器,频率范围10~100Hz,100Hz~1kHz,1kHz~10kHz;
正弦波Upp≈3v,三角波Upp≈5v,方波Upp≈14v,幅度连续可调,线性失真小。
二、题目分析及设计方案的论证
题目要求设计一个三种波形的信号发生器,所以需要能够产生方波、三角波、正弦波的电路,且频率振幅都可调,所以需要频率调整电路和幅度调整电路。
根据题目要求设计出了以下两种信号发生器的方案:
信号发生器方案一:
图1方案一
信号发生器方案二:
图2方案二
比较两种设计方案,由于第一种方案中正弦波发生电路需满足|Au|>
3,正弦波才能起振,若电压放大倍数太大,输出幅值太大,使振荡产生明显的非线性失真,电压放大倍数太小,则不能达到起振条件。
所以要调整Rf和R、的值,使振荡电路产生稳定而失真较小的正弦波信号。
在实验中,正弦波不易调出。
方案二,先使电路产生方波,经积分电路产生三角波,再经过差分放大电路产生正弦波,这样使波形易调,且线性良好,稳定性号,因此选用方案二进行电路设计。
三、系统电路的设计与实现
1、波形的发生顺序
\
2/
2、方波发生电路
图3方波发生电路
此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。
RC回路既作为延迟环节,又作为反馈网络,通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。
设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。
Uo通过R3对电容C正向充电。
反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高,当t趋于无穷时,Un趋于+Uz;
但是,一旦Un=+Ut,再稍增大,Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。
随后,Uo又通过R3对电容C反向充电。
Un随时间逐渐增长而减低,当t趋于无穷大时,Un趋于-Uz;
但是,一旦Un=-Ut,再减小,Uo就从-Uz跃变为+Uz,Up从-Ut跃变为+Ut,电容又开始正相充电。
上述过程周而复始,电路产生了自激振荡。
3、方波——三角波发生电路
图4方波——三角波发生电路
图5、方波——三角波发生电路波形图
运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器,C1为加速电容,可加速比较器的翻转。
运放的反相端接基准电压,即U-=0,同相输入端接输入电压Uia,R1称为平衡电阻。
比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc,低电平等于负电源电压-Vee(|+Vcc|=|-Vee|),
当比较器的U+=U-=0时,比较器翻转,输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。
设Uo1=+Vcc,则
令上式子等于0,Uo1=(-Uo2m),解得三角波的输出幅度
在积分电路对Uo1=(-Uo2m)进行积分,求得方波和三角波的振荡频率为
通过上述的分析与计算,调整Rp1可以改变三角波的幅值,改变电容C1或电位器Rp2在不改变三角波幅值的情况下使信号发生器的频率连续可调,满足设计要求。
4、三角波——正弦波发生电路
三角波转化为正弦波利用差分放大电路来实现。
电路如图5。
差分放大器具有工作点稳定,输入阻抗高,抗干扰能力较强等优点。
特别是作为直流放大器,可以有效的抑制零点漂移,因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。
波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。
图6差分放大电路
图7差分放大电路传输特性曲线
三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
图6为实现三角波——正弦波变换的电路。
其中Rp1调节三角波的幅度,Rp2调整电路的对称性,其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。
电容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。
5、电路中元器件值的估算
由上述分析可知
,取
则
,RP1为47KΩ的电位器。
平衡电阻
。
由上述分析可知频率
,当
时,取
以实现频率波,则
,为100KΩ电位器;
当100HZ<
f<
1KHZ,取C2=100nf;
当1KHZ<
10KHZ,取C2=10nf,以实现频率波段的转换。
R4及RP2的取值不变。
取平衡电阻
三角波——正弦波变换电路的参数选择原则是:
隔直电容C3、C4、C5要取得较大,因为输出频率很低,取
,滤波电容
视输出的波形而定,若含高次斜波成分较多,
可取得较小,
一般为几十皮法至0.1微法。
RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联,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RP4及电阻R确定。
四、原理电路的仿真与调试
1、方波——正弦波电路的仿真
图8方波——正弦波的仿真图
图9方波——正弦波仿真结果
2、差分放大电路的仿真
图10差分放大电路仿真图
3、总电路的仿真
图11总电路仿真图
图12三角波—正弦波仿真结果
4、电路调试
调整运放工作电压,使其为8V时,输出方波的幅值如图9通道A所示,满足方波Upp≈14V;
调节电位器R8,为总阻值得18%时,输出三角波幅值如图9通道B所示,满足三角波Upp≈5v;
通过调整电位器R9和拨动开关S1,可以调整信号发生器的频率,R9可以改变约20倍,拨动开关接入三个不同值的电容,分为三档,每当改变10倍频率。
通过改变电位器R10,使其为总阻值得77%时,输出的正弦波波形好,如图12所示。
其峰峰值大于要求,再在输出端加一个电位器使其幅值可调,调整到正弦波Upp≈3V。
五、结论
当电容接C2=1uf时,电位器R9调制最右端,此时频率最小约为5Hz;
电位器R9调制最左端,此时频率约为100Hz;
当电容接C2=100nf时,频率范围为50Hz~1kHz;
当电容接C2=10nf时,频率范围为500Hz~10KHz。
满足题目频率要求,且三档连续可调。
通过在信号输出端接入电位器,可以实现幅值的连续可调。
经过分析、设计、计算和仿真,利用方案二,最终实现了课题要求,完成了从方波—三角波—正弦波的函数信号发生器,且波形较好,频率和振幅可调。
六、总结
为期两个星期的课程设计已经结束了,在这两个星期里,通过查阅资料,老师讲解,队友讨论,软件学习与实践,让我学到了很多。
通过这次的课程设计,使我对课本中的理论知识有了更加具体的认识,同时使我初步掌握了仿真软件的操作和调试。
当然在实验的过程中,也出现了不少的问题,通过查阅资料和询问老师,在老师耐心的指导下,最终圆满的完成了课题的设计。
不过通过仿真实现的电路都是理想状态下的,实际的器件一定存在着误差,因此在实际的操作过程中,我们需要更多的耐心和细心。
七、附录:
元器件清单
器件
值
数量
直流电源
8V
1
电阻
5.1kΩ
双踪示波器
2
6.8kΩ
741运放
10kΩ
4
三极管
20kΩ
单刀三掷
2kΩ
电容
100nf
电位器
47kΩ
10nf
100kΩ
1uf
470kΩ
470uf
3
100Ω
200pf
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- 关 键 词:
- 课程设计 函数 信号发生器