函数信号发生器的设计与调测

北京邮电大学实验报告课程名称电子电路综合设计实验实验名称函数信号发生器的设计与调测摘要为了进一步掌握集成运放的使用方法，提高工程设计和动手能力，通过使用运放组成的积分电路产生一定频率和周期的三角波、方波，改变积分电路两段的积分常数产生锯齿波电压，同时改变方波的占空比，将三角波信号接入下级差动放大电路，利用三极管线性区及饱和区的放大特性产生正弦波电压并输出。从而能够输出具有良好波形的方波、三角波和正弦波，此次实验加深了我对运放电路的理解和实践操作能力。关键词运放积分电路差动放大电路镜像电流源动手能力实验内容1、基本要求：a)设计制作一个可输出正弦波、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Uopp1V。b)设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），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范围内连续可调。b)三种输出波形的输出阻抗小于100欧。c)用PROTEL软件绘制完整的印制电路板图（PCB）。设计思路、总体结构框图分段设计，首先产生方波-三角波，再与差动放大电路相连产生正弦波。分块电路和总体电路的设计（1）方波-三角波产生电路：首先，稳压管采用既定原件2DW232，保证了输出方波电压Uo1的峰峰值为12V，基本要求三角波输出电压峰峰值为8V，考虑到平衡电阻R3的取值问题，且要保证R1/Rf=2/3,可令Rf=15K，R1=10K，R3=6.2K。又由方波的上升、下降沿要求，第一级运放采用转换速度很快的LM318，Ro为输出限流电阻，不宜太大，最后采用1K欧电阻。二级运放对转换速度要求不是很高，故采用UA741。考虑到后级正弦波的曲线光滑程度，经调试最后订为C=1000pF。正弦波产生电路三角波产生电路方波产生电路要使方波占空比可调，需要改变正负积分电路的积分常数，由此联想到锯齿波电压的产生电路，将课本电路图的R2替换为两条支路，用不同方向的二极管控制电路的通断。最后成功输出锯齿波电压和占空比可调的方波电压。由于R2阻值为20K，进而可确定平衡电阻R4的阻值也为20K。（2）正弦波产生电路：C1，C2，C3为隔直电容，根据电路实际情况，采用10uF，经调测效果不错。C4为滤波电容，需要根据最后的正弦波波形选择最合适的，起初采用的是4700pF,后经老师建议改为0.1uF。Q1,Q2,Q3,Q4采用8050NPN管。根据电路要求可令电流镜电流为2mA，以保证T1,T2的集电极电流都是1mA，由于正负电压的大小都是12V，RE3,RE4又不能太大（有负反馈），故最后令R5=6.8K,RE3=RE4=RE=4.7K（其中Re5为电流镜的负载，需要与之匹配）Rp为调零电阻，100欧就可以。RB1,RB2为差放的基极电阻，对整个放大影响不大，都采用50欧以减小电路输出阻抗。RC1,RC2为集电极负载，不可以太大，否则会使晶体管进入截止区，导致输出正弦波失真。Rp1理论上是用于调节输出正弦波电压的幅值的，但是实际调测中，它的大小还会影响到前一级电路，在不断调测中决定使用10K欧的滑阻，效果良好。电路仿真的实现（Multisim）：电路图：PCB布板图：所实现功能说明接入工作电压后可以产生频率、幅度可调的方波、三角波、正弦波电压波形。主要测试数据为（1）频率f可调节的范围；（2）幅值最大是否符合要求；（3）后级差动放大电路的直流工作点以及频率变化时输出正弦波电压幅值的微小变化。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，用电压表测量电压，通过计算得到工作电流，还可使用函数信号发生器输出正确三角波，用来单独测试正弦波电路是否合理。故障及问题分析1、开始实验时经常输不出方波和三角波，检查过后才发现，经常会漏连电路，并且电路的连接紊乱，修改后充分利用面包板上下四排插孔，分别接地，负电源，正电源，使电路条理化。2、方波的峰峰值过低或者过大，稳压管没有起到相应的作用。有时是稳压管短路，有时是Ro的阻值不合适，调整后最终得到满足要求的波形。3、在调节正弦波电路的时候，输出波形上下不对称，检查知，未调零，调零后恢复正常。4、后级在直流工作点正常的情况下，没有正弦波的输出波形。通过毫伏表逐段测试发现在信号经过Rp1后就已经为零了，这个滑阻本应是调节正弦波的幅度的，但粗浅分析应该会影响到前级的积分电路，将之换上一个调节方便的10K欧电阻，调解过程中发现确实有所影响，在不断调节下得到了输出的正弦波波形。5、正弦波输出端输出的波形呈三角波，解决方式是调整滤波电容和前级电容C的值，最后输出比较圆滑的正弦波。6、加入占空比电路后，频率范围达不到1—10kHz，通过更换或调整一些参数值，最终实现基本要求。总结和结论通过这次综合实验，不仅复习了电子电路基础中有关运放的知识，还学会使用一些仿真软件，如Multism，DXP等。和别的实验不同，我们组的实验没有给好的参数，需要自己在实验前做仿真，实验中不断调整、摸索。从而加强了对电路的整体把握能力，从一开始简单地搭建一块面包板，遇到挫折反复重搭到后来相对比较有条理地搭电路、遇到问题利用现有工具耐心检查，对于我来说，这是质的改变，对我以后的电路实验影响很大。同时明显感觉到学习新知识能力的重要性和实践的艰苦，比如在学习DXP时我深深地感到制作一块集成度很高的PCB板是多么的不容易。另外，这次实验还锻炼了我的心态，尤其是在实验验收时还遇到电压不稳烧坏运放的事，通过这件事我明白了冷静和理智的重要性。总之通过这次实验我受益匪浅。所用元器件及测试仪表清单元器件R(Ω)个数10K115K16.2K11K120K15024.7K33.3K26.8K1C(F)个数1000p110u30.1u1Rw(Ω)个数10K2100180504个2DW2321个LM3181个UA7411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实验成果图参考文献《电子电路综合实验教程》《电子电路基础》