模电课程设计-简易信号发生器

-1--模电课程设计课题名称：简易信号发生器设计专业名称：电气自动化学生班级：---------------学生姓名：-学生学号：-指导教师：-小组成员：--2-目录第一章设计的目的及任务………………………………………………(3)1.1课程设计的目的…………………………………………………(3)1.2课程设计的任务…………………………………………………(3)1.3课程设计的技术指标……………………………………………(3)第二章函数发生器的总方案及原理框图………………………………(3)2.1电路设计原理框图………………………………………………(3)2.2函数发生器的总方案……………………………………………•(4)第三章单元电路设计……………………………………………………(4)3.1方波发生电路的工作原理………………………………………•(4)3.2方波---三角波转换电路的工作原理…………………………‥(5)3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理………………………‥(8)3.4电路的参数选择及计算…………………………………………•(10)3.5总电路图…………………………………………………………(11)第四章电路仿真…………………………………………………………(12)4.1矩形波波形………………………………………………………•(12)4.2三角波波形………………………………………………………(13)4.3正弦波波形………………………………………………………(15)4.4方波---三角波转换电路的仿真…………………………………(16)4.5三角波---正弦波转换电路的仿真……………………………(17)4.6仿真结果分析……………………………………………………(19)第五章电路的安装与调试………………………………………………(19)5.1静态调试…………………………………………………………(19)5.2动态调试…………………………………………………………(19)5.3调试中的注意事项………………………………………………(20)5.4误差分析…………………………………………………………(21)第六章课程设计总结……………………………………………………(21)第七章元器件明细清单及PCB板图……………………………………(22)第八章参考文献…………………………………………………………(23)-3-第一章设计的目的及任务1.1设计目的1.11掌握电子系统的一般设计方法1.12掌握模拟IC器件的应用1.13培养综合应用所学知识来指导实践的能力1.14掌握常用元器件的识别和测试1.15熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法1.2设计任务设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器1.3课程设计的要求及技术指标1.31设计、组装、调试函数发生器1.32输出波形：正弦波、方波、三角波；1.33频率范围：在100Hz－1KHz，1KHz-10KHz范围内可调；1.34输出电压：方波UＰ－Ｐ≤24V，三角波UＰ－Ｐ＝6V，正弦波UＰ－Ｐ=1V；方波tr小于1uS。第二章函数发生器的总方案及原理框图2.1原理框图图2-1-4-2.2函数发生器的总方案函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，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；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，本课题中函数发生器电路组成如下所示：由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。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时，可以有效地抑制零点漂移，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。第三章单元电路设计3.1方波发生电路的工作原理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，如图中实线箭头所示。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，如图中虚线箭头所示。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。-5-3.2方波---三角波转换电路的工作原理图3-2图3-2所示的电路能自动产生方波—三角波。电路工作原理若下：若a点断开，运放A1与R1、R2及R3、RP3组织成比较器，R1成为平衡电阻，运放的反相端接基准电压，及U_=0，同相端接输入电压Uia；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U01从高电平+Vcc跳到低电平—VEE，或从低电平—VEE跳到高电平+Vcc。设U01=+Vcc，则312231231()0CCiaRRPRUVURRRPRRRP（3-2-1）式子中，RP1指的是电位器（以下同）。将上式整理，得比较器翻转的下门限电位223131()CCCCiaRRUVVRRPRRP（3-2-2）若Uo1=—VEE，则比较器翻转的上门线电位223131()EECCiaRRUVVRRPRRP（3-2-3）-6-比较器的门限宽度2312HCCiaiaRUUUIRRP(3-2-4)由式子（3-2-1）～(3-2-4)可以得到比较器的电压传输特性，如图所示。图3-3a点断开后，运放A2与R4、RP3、C2、及R5组成反相积分器，其输入信号为方波U01，则积分器的输出tUCRPRUood)(112142(3-2-5)当U01=+Vcc时，tCRPRUo214CC2)(V(3-2-6)当U01=-Vcc时，tCRPRUo214EE2)(V(3-2-7)可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图所示。-7-图3-4方波—三角波波形当a点闭合，即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为2231OmCCRUVRRP（3-2-8）方波—三角波的频率3124224()RRPfRRRPC（3-2-9）由式子（3-8）及（3-9）可以得出以下结论：1.电位器RP2在调整方波—三角波的输出频率时，一般不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围比较宽，则可用C2改变频率的范围，RP2实现频率微调。2．方波的输出幅度约等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度不超过电源电压+Vcc。电位器RP1可以实现幅度微调，但会影响方波—三角波的频率-8-3.3三角波-正弦波转换电路的工作原理三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。原理图如下：图3-5方波-正弦波函数发生器实验电路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。分析表明，传输特性曲线的表达式为：022/1idTCEUUaIIaIe（3-3-1）Ic1=aIE1=aIo/[1+e(-Uid/UT)]（3-3-2）式中/1CEaII0I——差分放大器的恒定电流；TU——温度的电压当量，当室温为25oc时，UT≈26mV。如果Uid为三角波，设表达式为44434midmUTtTUUTtT022TtTtT（3-3-3）-9-式中Um——三角波的幅度；T——三角波的周期。将式（3-3-3）代入式（3-3-2），得4Um/T(t-T/4)(0=t=T/2)Uid=-4Um/T(t-3T/4)(T/2=t=T)（3-3-4）波形变换过程如下图：图3-6为使输出波形更接近正弦波，由图可见：（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。-10-（3）图为实现三角波——正弦波变换的电路。其中Rp3调节三角波的幅度，Rp4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C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分波形量，改善输出3.4电路的参数选择与计算3.4.1方波-运放A1与A2用741，因为方波的幅度接近电源电压+VCC=+12V,-VEE=-12V.比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下。由式（3-8）得411232132VccmVoRPRR取210RK，则R3+RP1=40KΩ，取320RK，RP1为47KΩ的电位器。平衡电阻R1=R2∥(R3+RP1)=8k，取R1=8.2KΩ由式（3-2-9）得3124224()RRPfRRRPC即R4+RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2)当100Hz≤f≤1kHz时，取C2=0.1uF,则10KΩR4+RP2100KΩ,取R4=1k,RP2=100k。当1kHz≤f≤10kH时，取C1=0.01uF以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻R5=10KΩ。3.42三角波—正弦波部分1差分放大器元件参数确定取RC1=RC2=10KΩ,RB1=RB2=6.8KΩ,取I0=1.1mA,而I0=(RE4/RE3)IREF(3-4-1)-11-IREF=VEE-UBE/(RE4+R)=12-0.7/RE4+R(3-4-2)取RE4=R=20KΩ,代入(3-4-2)，得IREF=0.28mA，将IREF=0.28mA代入(3-4-1)，得RE3=5KΩ2三角波—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，因为输出频率不是很大，取C3=47uF，C4=C5=470uF，滤波电容6C视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，6C可取得较小，6C一般为几十皮法至0.1微法。这里取C6=0.1Uf,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。3.5总电路图图3-7三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路-12-先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。第四章电路仿真4.1方波波形-13-图4-1上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈208Hz，V≈22V图4-2-14-上图所示为开关打到C1=0.01uF时的情况，此时f≈1923Hz，Vp-p≈22V4.2三角波波形图4-3上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈200Hz，V≈6V-15-图4-4上图所示为开关打到C1=0.01uF时的情况，此时f≈1923Hz，Vp-p≈6.3V4.3正弦波波形-16-图4-5上图所示为开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈214Hz，V≈1.2V-17-图4-6上图所示为开关打到C1=0.01uF时的情况，此时f≈