低频函数信号发生器设计

实验报告课程名称：指导老师：成绩：实验名称：实验类型：同组学生姓名：一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求1、设计题目：低频函数信号发生器；2、任务与要求（主要技术性能指标）：1.同时输出三种波形：方波、三角波、正弦波；2.频率范围：100Hz~10kHz；3.频率稳定度：∆f𝑓𝑜≤10−3/日；4.频率控制方式：通过改变RC时间常数控制频率（手控方式）：为确保良好的控制特性，分两段控制：①100Hz~1kHz；②1kHz~10kHz；5.波形精度：①方波上升沿和下降沿时间均应小于20us；②三角波线性度：δ/𝑉𝑜𝑚＜1%；③正弦波谐波失真度：√∑𝑉𝑖2𝑁𝑖=2/𝑉1＜2%；(不要求)方波三角波6.输出电压：①方波输出限幅：Vz=3.3V；②第一级三角波：Vp-p≤10V；③正弦波：Vp-p8V；7.三角波的峰-峰值连续可调。专业：姓名：学号：日期：地点：xxxxxxxxxxxxxx20xx.xx.xxxxx实验技能训练低频函数信号发生器xxx设计型实验xx装订线P.2/32实验名称：___________________姓名：____________学号：____________低频函数信号发生器xxxxxxxxxxx二、实验内容1、电路计算分析：根据提供的电路原理图，分析：(1)分析R20、R21的作用，计算其取值范围；(2)分析R3的作用，计算其取值范围：(3)指出Q1、Q2的类型，分析其作用；(4)分析电位器W2的作用，计算其参数；(5)分析W1和C1、C1’的作用及两者的比例关系，计算其参数；假设W2处于中间位置，C1、C1’可以取0.1uF和0.01uF；(6)分析W3、R4、R5的作用，要求增益调整范围为（0.2,4），计算W3、R5的参数；(7)分析R7~R15及D1~D6组成电路的作用，计算R9、R12、R15的参数；(8)计算集成运放第三级的闭环增益；(9)计算1KHz下方波占空比；所选元器件需注明型号、规格等。2、原理图和PCB板绘制：(1)使用原理图绘制软件（PROTEL等）绘制原理图；(2)PCB板设计：(a)根据提供的电源JP1尺寸，Q1、Q2的封装，3296系列电位器外观尺寸，拨动开关J1，2脚排阵JP2，建立自己的PCB封装库，并在绘制PCB板时使用；(b)要求单面板、禁布层尺寸（板框）不超过10cm*7.5cm，实际布线最好在9.5cm*7cm内；(c)正确实现原理图功能，少用或不用跳线或飞线，布板整洁美观、无错误；(d)在布线层空白处打上自己的学号，字符稍粗点。3、电路仿真：使用任一款仿真软件（如PROTEUS）对自己设计的原理图进行仿真实验，分析比较仿真结果是否满足性能技术指标，如何改进电路。（1）观察W1、C1、W2、基准电压对波形发生电路的影响（频率、幅度、偏移、占空比）;（2）观察第三级运放输入输出三角波幅度、计算第三级增益；（3）观察各基准节点电压A~F对正弦波转换结果的影响；（4）观察W4、W5的变化对Q1、Q2的各极电压和电流的影响；4、电路装配：根据电路原理图，在提供的元器件中选择合适器件进行安装。要求元件布局合理，布线美观，焊点光滑圆润，无虚焊。5、电路调试：(1)通电前检查；(2)安全操作及仪器仪表的正确使用（会正确使用万用表测电压电流、会熟练使用示波器）；(3)测量集成运放第三级的闭环增益；(4)工作点测量：装订线P.3/32实验名称：___________________姓名：____________学号：____________低频函数信号发生器xxxxxxxxxxx包括电流：整机工作电流；电压：三极管Q1、Q2的bce极电压，运放各脚电压，A-F点电压；测量条件：第一级三角波Vp-p=7V，第三级三角波Vp-p=20V，频率1KHz。(5)会方波、三角波、正弦波测量点的选取、波形及有效值测量；(6)测试方波频率最高点、最低点（取失真较小点）及1KHz时方波波形；(7)计算1KHz时方波占空比；(8)改变三角波幅度及频率(至少三点如100Hz，1KHz，3KHz)，记录其波形；(9)记录Vp-p≥8V，频率为1.5kHz的正弦波的波形；三、实验原理实验电路图：原理框图：积分器比较器三角波正弦波转换电路方波三角波P.4/32实验名称：___________________姓名：____________学号：____________低频函数信号发生器xxxxxxxxxxxi）.电路计算分析：1、分析R20、R21的作用，计算其取值范围：R20、R21电阻的主要作用是调整流过LED发光二极管的电流，保护电路，是LED灯工作在正常范围，防止过流导致损坏LED灯和电路。设LED灯工作电压为2V，工作电流为10mA左右，则R20、R21的阻值为1KΩ左右。2、分析R3的作用，计算其取值范围：R3起到分压限流的作用。由于稳压管稳压值有限，而如果不加电阻直接连接的话，有可能造成所加电压过大，造成不可逆性击穿，使稳压管损坏。运放工作在饱和状态，所以输出理论最大值为24V（Vp-p）。查资料得1N4728A稳压管稳压值为3.3V，最大稳压电流为76mA，最小为1mA。计算得电阻范围为0.27kΩ-20.7kΩ，可取元件中的5kΩ使用。3、指出Q1、Q2的类型，分析其作用：、Q1为NPN型三极管，Q2为PNP型三极管。三极管同电位器和电阻组成电流源电路，位于折线法正弦函数转换电路中，为折线法正弦转换电路提供稳定电流，从而在A、B、C、D点获得稳定电压。通过改变与基极相连的电位器，可改变三极管的静态工作点，从而调整正弦波输出的正负半周的失真情况。4、分析电位器W2的作用，计算其是参数：W2与第二级运放相连，构成滞回比较器，控制运放的输出上下限。调整W2可改变电路输出的幅度及频率。对于集成运放B而言，其闭环增益为：M2=Rw2/Rw1.因为只是一个比例关系，因此W2的总阻值影响不大；但是，为了保证调节的稳定性，要求总阻值在10kΩ以上。实验中实际使用的W2为10kΩ5、分析W1和C1、C1’的作用及两者的比例关系，计算其参数；假设W2处于中间位置，C1、C1’可以取0.1uF和0.01uF；W1和C1、C1’在第一级运放当中，作为积分电路的一部分，两者共同控制积分电路的时间常数，从而改变产生的信号的频率。比例关系：当需要的频率一定时，二者呈反比关系。周期T的计算公式为：T=4RC*Rw12/Rw11。要求频率范围为100Hz到10kHz，即周期范围为0.01s到0.1ms。已知给定电容容量为0.1uF和0.01uF。通过这个式子可以代入数据可以得到所求的值。W2取用20kΩ。6、分析W3、R4、R5的作用，要求增益调整范围为（0.2,4），计算W3、R5的参数：W3、R4、R5与第三极运放共同构成反相比例放大器，放大输入信号。已知R4=5KΩ，由反相比例放大器的计算公式易知，R5=1KΩ，W3=20KΩ（远大于1kΩ，可以忽略R5带来的影响）。7、分析R7~R15及D1~D6组成电路的作用，计算R9、R12、R15的参数：分析R7~R15及D1~D6组成电路是一个三角波正弦波转换电路，通过折线法，用直线来对正弦波进行拟合。通过计算，由分压关系易得R12=R15=158Ω，取150Ω。又由(R8//R9)/(R7+R8//R9)=0.42,可得R9=2.2kΩ。装订线P.5/32实验名称：___________________姓名：____________学号：____________低频函数信号发生器xxxxxxxxxxx8、计算集成运放第三级的闭环增益：反相比例放大器，闭环增益为534wRRR；9、计算1KHz下方波占空比：第二级运放负输入端接地，第一级运放构成的积分电路理论上上升和下降时间一致，故方波占空比的理论值为50%。ii）.电路原理分析：1、方波三角波发生器：方波三角波发生器由运算放大器A、R0、R1、R2、DZ1和DZ2组成的滞回比较器、RC电路组成的三角波、方波发生器电路图：由波形图可知，在比较器没有翻转前，设vO=+VZ；vO通过R对C充电，vC由某一负值逐渐上升；随着vC的增大，R两端的电压将逐渐下降，故充电电流iC也将不断减小，使vC上升速度减慢，形成了典型的RC电路的充放电波形。此时三角波线性度较差，为了改善三角波的线性度，可使用两个运放组成方波三角波发生器。在一般情况下，V1和V㊀2都接地。只有在方波的占空比不为50%，或三角波的正负幅度不对称时，可通过改变V1和V㊀2的大小和方向加以调整。P.6/32实验名称：___________________姓名：____________学号：____________低频函数信号发生器xxxxxxxxxxxV1和V㊀2都接地时的波形：稳态时，vO1波形可表示成：2111()(0)ooovVvtvtRC当2oZvV时，213(0)oZRvVR1tT时，2113()oZRvTVR，则有21132ZZRRCTVVVR同理有22132ZZRRCTVVVR所以，21132ZZRRCTVVVR，22132ZZRRCTVVVR。当V1=0时，21232RTTRCR，波形的占空比为50%。当V10时，T1T2；V10时，T1T2，波形的占空比不为50%，波形出现不对称。所以，由于失调等原因引起波形不对称时，可通过改变V1的大小进行调整。因为322122323()()()ooRRvtvtvtRRRR，故当2()vtV㊀2时，A2翻转。故A2翻转时v01的电压为：2013(1)RVRV㊀23ZRVR2当V㊀2=0时，三角波上下幅度对称，上幅度：23ZRVR下幅度：23ZRVR装订线P.7/32实验名称：___________________姓名：____________学号：____________低频函数信号发生器xxxxxxxxxxx三角波的峰–峰值为2132oPPZRVVR；当V㊀2≠0时，若V㊀20，则三角波上移，若V㊀20，则三角波下移，其上幅度为23(1)RRV㊀223ZRVR，下幅度为：23(1)RRV㊀223ZRVR；而三角波的峰–峰值仍然为：2132oPPZRVVR；由上可知，当23RR的比值调好后，三角波的峰–峰值已经确定，调节V㊀2的大小可使三角波上下平移。故当由于失调等原因引起三角波零位偏移（上下不对称）时，可通过改变V㊀2的大小进行调整。2、正弦函数转换电路：常用的正弦函数转换方法有滤波法，运算法，折线法。第一种方法一般只适用于固定频率的波形转换，不符设计要求；第二种方法又难以用模拟的方法实现。故一般采用第三种方法，根据输入三角波的幅度，不断增加（或减少）网络通路以改变电路的放大倍数，输出近似正弦电压波形。折线法正弦函数转换电路是一种使用普遍、实现也较简单的正弦函数转换方法。根据输入三角波的电压幅度，不断改变函数转换电路的传输比。由于电子器件（如半导体二极管等）特性的非理想性，使各段折线的交界处产生了钝化效果。因此，用折线法实现的正弦函数转换电路，实际效果往往要优于理论分析结果。典型的电路拓扑结构有以下两种：P.8/32实验名称：___________________姓名：____________学号：____________低频函数信号发生器xxxxxxxxxxx两种电路拓扑的原理基本一致，由电阻网络（三极管）提供基准电压，由二极管控制波形正负段放大，由电阻网络和运放控制放大倍数，此次设计选择第二种拓扑结构。如图所示，D1~D6组成二极管网络，实现逐段校正；运放组成跟随器，作为函数转换器与输出负载之间的隔离（或称为缓冲级）。在输入信号的正半周内，由D1~D3实现逐段校正。考虑到硅二极管的开启电压为0.5V，所以V1~V3应