函数信号发生器设计实验报告

函数信号发生器实验报告 函数信号发生器的设计 实验报告 院 系:电子工程学院 班 级:2012211209 姓 名:陈炳文 班内序号: 学 号: 实验目的: 设计一个设计制作一个可输出方波、三角波、正弦波信号的函数信号 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(误差<20%); 3，三角波Uopp = 8V(误差<20%); 4，正弦波Uopp?1V。 设计思路: 1， 原理框图: 2， 系统的组成框图: 分块电路和总体电路的设计: 1 函数发生器是指能自动产生方波、三角波和正弦波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成;也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题采用由集成运算放大器与晶体差分管放大器共同组成的方波—三角波、三角波—正弦波函数发生器的方法。 本课题中函数信号发生器电路组成如下: 第一个电路是由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路。单限比较器输出的方波经积分器得到三角波;第二个电路是由差分放大器组成的三角波—正弦波变换电路。 差分放大器的特点: 工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等。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的传输特性曲线的非线性。传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好;三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。 ?、方波—三角波产生电路设计 方波输出幅度由稳压管的稳压值决定，即限制在(Uz+UD)之间。 方波经积分得到三角波，幅度为Uo2m=?(Uz+UD) 方波和三角波的震荡频率相同，为f=1/T=āRf/4R1R2C，式中ā为电位器RW的滑动比(即滑动头对地电阻与电位器总电阻之比)。即调节RW可改变振荡频率。 根据两个运放的转换速率的比较，在产生方波的时候选用转换速率快的LM318， 这样保证生成的方波上下长短一致，用LM741则会不均匀。产生三角波的时候选用LM741。其中R1、Rf的值根据实验要求设定在20K和30K，根据计算可设定R2=5KΩ，C=0.01uF。根据运放两端电阻要求的电阻平衡，选择R4的阻值和R2的相等，即R4=5K欧姆。根据所需要输出方波的幅度选择合适的稳压管和限流电阻R0的大小。稳压管为给定的2DW232，其稳压幅度已经给定。选择限流电阻R0为2Ω。为使ā的变化范围较大，信号的频率范围达到要求，电位器RW选择为1K欧姆范围内可调。 ?、三角波—正弦波产生电路设计 差动放大器具有很大的共模抑制比，被广泛应用于集成电路中，常作为输入级或中间级。 差动放大器的设计: 1， 确定静态工作点电流Ic1、Ic2、Ic3 静态时，差动放大器不加入输入信号，对于电流镜Re3=Re4=Re Ir=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4= Ic4+2 Ic4/β?Ic4= Ic3 而 Ir= Ic4= Ic3= (Ucc+Uee-Ube)/(R+Re4) 上式明恒定电流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 3 由恒流源决 定，故一般先设定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。因此在实验中，取Ic3为1mA。有Ic1= Ic3=1/2 Ic3=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(在本次取值中可以忽略) Ir为1mA,故取R=20KΩ，Re4=2KΩ。 由于镜像电流源要求电阻对称，故取Re3=2KΩ。 2，差模特性 差动放大器的输入和输出各含有单端和双端输入两种方式，因此，差 动放 大器的输入输出共有四种不同的连接方式。不同的连接方式，电路的特性不同。 Rp 的取值不能太大，否则反馈太强，一般取 100Ω左 右的电位器，用来调整 差动放大器的对称性。 3，三角波—正弦波变换电路 三角波—正弦波变换电路的种类很多，有二极管桥是电路，二极管可变分压器电路和差分放大器等。利用差分放大器传输特性曲线的非线性，实现三角波—正弦波的变换。 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，用单向的大电容不但很好的滤除直流分量，还能避免双向耦合，使输出地波形清晰稳定。 C4为滤波电容，以滤除高频信号干扰，改善输出正弦波的波形，减少不确定的信号干扰。 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，故取 C1=10uF C2=10uF C3=10uF。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=22kΩ。Rb1与Rb2为平衡电阻，取值为Rb1= Rb2=6.8KΩ。流进T1，T2集电极电流约为0.5mA，为满足其正弦波的幅 度大于1mA，取Rc1= Rc2=5.1kΩ，使得电流流经Rc2的电压降不至于很大。C4为滤波电容，其值应该满足要求的正弦电压幅度与频率，其值 不能取太大，否则会是幅度太小无法达到要求，故取C4=0.01uF。至 此，电路的设计基本完成，需要在实验中进一步调试电路。 电路的安装与调试: 一，三角波---正弦波转换电路的安装与调试: 安装三角波——正弦波变换电路 1. 在面包板上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线; 2. 搭生成直流源电路; 3. 接入各电容及电位器; 4. 按图接线，注意直流源的正负及接地端。 调试三角波——正弦波变换电路 1. 接入直流源后，把 C4 接地，利用万用表测试差分放大电路的静态 工作点; 2. 测试 C,D 两端电压，当不相等时调节 RP 使其相等; 3. 在 C5 端接入示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入 其最大不失真电压; 二，方波—三角波发生电路的安装与调试: 安装方波—三角波产生电路 1. 把 2 块集成运放插入面包板，注意布局; 2. 分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法; 3. 按图接线，注意直流源的正负及接地端。 调试方波—三角波产生电路 1. 接入电源后，用示波器进行双踪观察; 2. 调节 RP，微调波形的频率; 3. 观察示波器，各指标达到要求后进行下一部安装。 三，总电路的安装与调试: 1. 把两部分的电路接好，即把三角波的输出与差动放大器的输入相连接，进行整体测试、观察 2. 针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即 使方波的峰 峰值为12伏，三角波为8伏，使正弦波的峰峰值大于 1V。 5 实验结果: 方波的输出: 输出方波在?7v之间，基本满足实验要求，上升、下降沿9us，满足要求，频率可以通过电位器RP调节，在1-10KHz内输出稳定。 三角波的输出: 输出三角波: 三角波Uopp=8.1V，满足要求 正弦波的输出: 正弦波Uopp?1v 三种输出波形的输出频率均可在1-10KHz内可调。 7 故障及问题 测试前的电路检验: 1. 电路是否正确，对照实验原理图仔细检查。 2. 测量仪器是否有问题，仪器显示是否正确。 3. 电源供电(包括极性)、信号源连线是否正确检查直流极性是否正确，信号线是 否连接正确。并且用电压表测试保证直流电源输出符合要求。 4. 检查元器件引脚之间有无短路，连接处有无接触不良，二极管、集成电路和电 解电容极性等是否连接有误。 测试出现的故障: 1. 整个电路比较复杂，连接电路时出现的问题比较多，需要仔细的检查，反复的 测试才能得到需要的实验结果。 2. 在实验之前需要检查电路的正确性，避免电路连接错误而造成的烧毁电路或是 不出波形。 3. 实验过程中，面包板可能短路，由于电阻的接线比较长，完全插入后可能错综 在一起，造成短路，此时就应利用万用表，挨个检查，更换面包板，插线时不 宜过深。 4. 在三角波—正弦波转换电路中，即使在调节了电路平衡之后，输出波形也会存 在一个偏斜。这时就需要调节RP1使波形变得正常。这个过程就需要调一会才会 变化，所以需要有耐心。 5. 失真问题 在调试过程中，正弦波出现了以下失真，产生失真的原因及采 取的措施如下: 1)钟形失真，传输特性曲线的线性区太宽，应减小 Re。从而减 小了线性区的 放大效应。 2)非线性失真 ，三角波传输特性区线性度差引起的失真，主 要是受到运放的 影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形。本次试 验中可以通过增加 C4 的 大小来减小波形的非线性失真。 3)截止失真或饱和失真。这可是由于电路设计时工作点选的不好。也可能是因 为，在实际连电路时选取了与设计时的不同值近似。导致工作点的错误。检查 电路修改数据是解决的方法。 6. 布线以及排版问题 对于可以输出稳定波形的电路，需要简化电路，让电路看 起来更美观，更简洁，更清楚，这样有利于检查错误和更改。 实验总结及结论: 本次实验是我第一次将所学的知识很好的用在实验里解决了问题的一个。虽然以前也做过模电实验，但都是按部就班。另外当时模电学的也不是特别明白有些实验对于很多结果都还不清楚。这次虽然有一些设计原理我依然没有完全吃透。但是对于我真正掌握所学知识并应用在实践中是非常有帮助的。 在设计过程中我也查阅了一些资源，对于实验器材以及实验的惯例和常识有了更多的了解。方便自己根据实验需要来选择器材。 在试验中我不仅学会了最基本的面包板的搭建与布线。器材的识别和检测。还在试验中基本解了函数信号发生器电路的组成及设计原理，初步了解了电路设计的方法，熟悉了电路仿真软件protel dxp的使用。利用软件仿真来对搭建电路很有帮助，有事半功倍的效果。而且这些工具都是我们将来在从事相关工作中不可或缺的东西。 总的来说，充分理解实验原理是做好一个实验的最重要的一环，如果不理解电路的原理，就不知道如何去更改参数，去调试电路板，除了原理，还要了解各个器件的特性和用法，比如电源的连线的方式。另外，这次实验培养了我们动手能力。在搭建电路板的时候，需要细心耐心，布局以及连线都很有讲究，不仅要求电路的通畅，还要注意电路板上各个元器件的布局，还有所使用的导线的颜色以及长度，通过这次试验我可以锻炼我们的电路版的搭建能力。这次实验，熟悉了测量仪表的用法，熟悉了电阻，二极管等器件的测量和极性判断方法，这些经验都是宝贵的。后本次实验在耐心与细心上面对我给予启示，在电路搭好以后却出不了波形的时候，要戒骄戒躁，耐心细心的去寻找，去排查，去测试，经过4周的努力拼搏，自己的实验技能有了很大的提高，对于之后完成更加困难的实验增强了信心。俗话说:“读万里，行万里路。”这样的实践就是一种“行走”的过程。让我们在实践中将知识融会贯通，而不仅仅是纸上谈兵的呆书生。最后，感谢老师对我们实验的悉心讲解和指导。 9 电路仿真图: 所用仪器及元器件: 仪器:直流稳压电源，示波器，万用表 元器件:电位器、电阻、电容 相关元件参数: LM318 芯片: 输入失调电压 4mV; 增益带宽积:15MHz 耗电流:5mA 偏置电流:150nA 转换速率:70V/uS 电源:+/-20V LM741 芯片: LM741: 输入失调电压 0.8mV; 增益带宽积:1.5MHz 耗电流:1.7mA 偏置电流:30nA 转换速率:0.7V/uS 电源:+/-3V --- +/-22V 三极管: 8050 参考文献: 《Protel DXP 基础与应用》 高明制作 《电子电路综合设计实验教程》 北邮出版社 《电子电路基础》 林家儒主编 北邮出版社