北邮-函数信号发生器

,.北京邮电大学电子电路综合实验报告课题名称：函数信号发生器的设计学院：信息与通信工程学院班级：姓名：学号：,.班内序号：2015年4月26日,.课题名称：函数信号发生器的设计摘要：方波-三角波产生电路采用了运放组成的积分电路，可得到比较理想的方波和三角波。根据所需振荡频率的高低和对方波前后沿陡度的要求以及对所需方波、三角波的幅度可以确定合适的运放以及稳压管的型号、所需电阻的大小和电容的值。三角波-正弦波的转换是利用差分放大器来完成的，选取合适的滑动变阻器来调节三角波的幅度以及电路的对称性。同时利用隔直电容、滤波电容来改善输出正弦波的波形。最后利用反馈电阻Ro大小变化来控制方波和三角波的幅值，利用旁路电容C4来控制正弦波的幅值，将R2换成顶调电位器和二极管来控制方波占空比。关键词：方波三角波正弦波频率可调幅值可调一、设计任务要求1.基本要求：（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（误差小于20%），上升、下降沿小于10us；（3）三角波Uopp=8V（误差小于20%）；（4）正弦波Uopp错误!未找到引用源。1V，无明显失真。2.提高要求：,.（1）将输出方波改为占空比可调的矩形波，占空比可调范围为30%—70%；（2）三种输出波形的峰峰值Uopp均可在1V-10V内连续可调。二、设计思路实验设计函数发生器实现方波、三角波和正弦波的输出，其可采用电路图有多种。此次实验采用迟滞比较器生成方波，RC积分器生成三角波，差分放大器生成正弦波。除保证良好波形输出外，还须实现频率、幅度、占空比的调节，即须在基本电路基础上进行改良。由比较器与积分器组成的方波三角波发生器，比较器输出的方波信号经积分器生成三角波，再经由差分放大器生成正弦波信号。其中方波三角波生成电路为基本电路，添加电位器调节使其频率幅度改变；正弦波生成电路采用差分放大器，由于差分放大电路具有工作点稳定、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。三、电路设计过程,.1.方波-三角波电路的产生该电路振荡频率和幅度便于调节，输出方波幅度的大小由稳压管VDW1,VDW2的稳压值决定，即峰峰值在12V，所以选用稳压值为6V的稳压管。方波经积分得到三角波，幅度为U02m=(Uz+Ud),由R1和Rf的比值及稳压管的稳压值决定，由于要求中要求峰峰值为8V，则R1和Rf的比值为2：3，试验中选取的R1为18K，Rf为30K。R3为平衡电阻，阻值为R1和Rf并联的值，故R3取12K，根据输出方波的幅度可以选择限流电阻R0的阻值为2k。方波和三角波的振荡频率相同，为f=错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。，式中α是电位器Rw的滑动比（即滑动头对地电阻与电位器总电阻之比）。可见调节Rw可改变振荡频率，为使α的变化范围大，输出频率在要求的范围之内，故实验中选取的Rw为10K。根据所需振荡频率的高低和对方波前后沿陡度的要求，选择合适方波输出三角波输出,.的运放，实验中在产生三角波的时候选取的是LM318，在产生正弦波的时候选取的UA741.根据所要求的振荡频率确定R:C的值，实验中选取的R2为4.7K，C为0.01uF。R4为平衡电阻，应与R2选取同样的阻值，即4.7K。2.三角波-正弦波电路的产生差动放大器具有很高的共模抑制比，被广泛的应用于集成电路中，常作为输入级或中间级。静态时，差动放大器不加入输入信号，对于电流镜Re3=Re4=ReIr=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4=Ic4+2Ic4/β≈Ic4=Ic3而Ir=Ic4=Ic3=（Ucc+Uee-Ube）/(R+Re4)正弦波输出,.上式表明恒定电流Ic3主要由电源电压Ucc、Uee和电阻R、Re4决定，与晶体管的参数无关。由于差动放大器得静态工作点主要恒流源决定，故一般先设Ic3。Ic3取值越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大器的输入阻抗越高。但Ic3取值也不能过小，一般为几个毫安。在实验中，取Ic3为1mA，则有Ic1=Ic2=0.5mA。由R+Re=（Ucc+Uee-Ube）/Ir,其中Ucc为12V，Uee也为12v，Ube的典型值为0.7V，Ir为1mA,实验中取R=20KΩ，Re4=2KΩ。为使两管输入保持对称。取Re3=Re4=2K。Rp用来调整电路的对称性，不能取太大，实验中选取阻值为100Ω的电位器。三角波-正弦波变换电路的种类很多，有二极管桥式电路、二极管可变分压器电路和查分放大器等。以上是利用差分放大器传输特,.性曲线的非线性，实现三角波-正弦波变换的过程。由上图可以看出，差分放大器传输特性曲线特性越对称，线性区越窄越好；三角波的幅度应正好使晶体管接近截止区。下图为实现三角波-正弦波变换的电路。图中RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，并联电阻RE用来减小差分放大器传输特性曲线的线性区。电容C1,C2,C3为隔直流电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出正弦波的波形。在实验过程中，Re与电位器Rp2并联，取阻值为100Ω。电解电容C1、C2、C3为隔直流电容，为达到良好的隔直流、通交流的目的，其容值应该取的相对较大，取C1=C2=100uF、C3=680pF。Rp1调节三角波的幅度，为满足实验要求，其可调范围应该比较大，故取Rp1=100kΩ。Rb1与Rb2为平衡电阻，取值为Rb1=Rb2=3.2KΩ。流进T1，T2集电极电流为0.5mA，为满足其正弦波的幅度大于1V，取Rc1=Rc2=5.6kΩ，使得电流流经Rc2的电压降不至于很大。C4为滤波电容，取C4=100uF。至此，电路的设计基本完成。3.总体电路图,.从示波器XSC2的A端输出的是方波波形，B端输出的是三角波波形；从XSC2的A端输出的是正弦波波形。电位器Ro是调节方波和三角波的幅值；电位器R2是用来调节方波的占空比；电位器R7是调节波形的频率大小；电位器Rp1是用来调节三角波向正弦波电路输出的幅度；电位器Rp是用来调节正弦波的对称性。附：（multisim仿真图）,.四、实现功能：,.1.主要测试数据及已实现功能（试验所要求的基本功能和扩展功能全部实现）（1）输出波形在1kHz—10kHz连续可调，控制反驳电路中的滑动变阻器即可以实现功能；（2）通过示波器测量：输出方波可在±6.25v之间（无法取到精确阻值电阻，存在较小误差），基本满足实验要求，上升、下降沿小于10us，频率可以通过电位器调整，在1-10KHz内输出稳定；（3）输出三角波：三角波Uopp=8.4V；（4）输出正弦波：正弦波Uopp≥1V；（5）将输出方波改为占空比可调的矩形波，占空比可调范围为30%—70%；具体步骤：a.将R2用两个反接的二极管和一个10kΩ的电位器代替；b.当调节电位器的滑动比在50%的时候，方波的占空比是50%。在不失真的情况下，占空比在15%—85%连续可调。（6）三种输出波形的峰峰值Uopp均可在1V-10V内连续可调。具体步骤：a.将电阻R2换成100kΩ的电位器；b.调节电位器的阻值由小到大可以控制方波和三角波的幅值在1—10V之间连续可调。2.主要测试方法,.方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。分析电路主要关注的数据为静态下的电流电压值，保证电路安全，使得输出波形比较理想。在选择频率的时候，主要调节Rp1，方波和三角波的频率会随之变化。在调节占空比的时候，将R2用两个反接的二极管和一个10kΩ的电位器代替。当调节电位器的滑动比在50%的时候，方波的占空比是50%。在不失真的情况下，占空比在15%—85%连续可调。调节方波的峰峰值的时候，将电阻R2换成100kΩ的电位器。调节电位器的阻值即可控制方波和三角波的幅值在1—10V之间连续可调。五、故障及问题分析1、正弦波输出端输出的是三角波电压或是类似于香蕉波的波形，即严重失真。解决方式是调整滤波电容的值，使之达到滤波的效果，最后输出比较圆滑的正弦波；以及调整Rp2的阻值来调整三角波对于正弦波电路的输出阻值。2、在做拓展要求的时候，方波和三角波的峰峰值不可控制。在考虑到稳压管不可变的同时，先做了一个设置参考地的电路，后来经老师指导，在反馈电阻Ro上找到了突破口。通过不断改变Ro的值，最终得到满足要求的波形。六、总结和结论此次的电子电路综合实验设计历时四个周，从第一周的原理设计,.到第二、三周的功能实现，再到第四周的实验验收和答辩，我觉得自己在模拟电路的架构和实现上提高了很多。第一周中主要是选题和原理的设计,在选择了函数信号发生器的设计与调测后，我查阅了一些关于运放和差放的知识，根据课本上的知识设计了实验原理图，并通过计算得到了最初的元器件参数。第二周我开始搭建电路，并且很快的速度在一节课的时间内验收成功了基础实验部分，其中方波和三角波比较简单，直接接上电源就可以出图，而正弦波则比较困难，只有在滑动变阻器处于恰好的位置时才可以。第三周开始，我调整了一下我的面包板，使其尽可能美观整洁，并且开始做提高，并发现我的面包板有坏的地方，经过调整，终于作出图像，完成实验。最后第五周进行答辩验收的时候，和张老师讨论了关于如何确定调节正弦波的电位器的阻值，老师说师兄师姐们当时设计了一个电路来专门调整，这样比较精确，我觉得受益匪浅。在实验过程中，我有很多不足之处，首先我对于电子元器件的参数掌握不足，比如LM318和uA714的参数。其次对于面包板的使用不顺手，第一遍搭完的电路很混乱，经过了修正才显得有条理。经过不懈努力,函数信号发生器基本上完成了。期间付出的也得到了一定的回报，感谢时学长和许方同学给我提供的耐心细致指导；感谢其他同学在我此课程设计遇到问题时给我的帮助使我能够顺利地进行设计的工作；在这里感谢他们。通过几天的实验，我对函数信号的产生，各种波形的产生原理，,.仿真软件Multisim等系列知识都有了一定的了解。但在实验过程中，遇到了不少的问题。比如：在仿真过程中波形失真，甚至不出波形这样的问题，有时就因为一个元器件的问题花费了一个下午去调试。但是最后在老师和同学的帮助下，把问题一一解决了。这次综合实验让我们学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电理论知识，而且也培养了我们的动手能力，团结互助能力，更令我们的创造性思维得到拓展。总的来说这次的实验设计完成的相当的顺利，这是我的第一次综合实验设计，但不是最后一次，因此在今后的学习中，我应该注重这方面的培养，多学些软件方面的知识，更好的进行实验的模拟和设计。七、所用元器件及测试仪表清单数字式万用表1台稳压电源1台示波器1台LM3181个uA7411个电位器若干电容若干电阻若干三极管2个双稳压管2DW2321个导线若干八、实际波形图1.Uopp=12V的方波和Uopp=8V的三角波：,.2.占空比=70%的方波：3.Uopp=10V的正弦波：,.九、面包板描述R0R2R7Rp1Rp,.所有黄色链接线均是信号输出端；电位器Ro是调节方波和三角波的幅值；电位器R2是用来调节方波的占空比；电位器R7是调节波形的频率大小；电位器Rp1是用来调节三角波向正弦波电路输出的幅度；电位器Rp是用来调节正弦波的对称性。