简易信号发生器 课程设计.docx
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简易信号发生器课程设计
简易信号发生器课程设计
成绩
《EDA技术》考查报告
学号
201095034041
姓名
薛晶晶
班级
10自动化
题目
简易信号发生器
1.电路设计系统分析…………………………………
(2)
1.1电路设计原理框图……………………………………………
(2)
1.2电路设计方案设计…………………………………………
(2)
2.单元电路设计及参数确定………………………………………(3)
2.1方波发生电路的工作原理…………………………………(3)
2.2方波---三角波转换电路的工作原理……………………(3)
2.3三角波---正弦波转换电路的工作原理…………………(6)
2.4电路的参数选择及计算……………………………………(8)
2.5总电路图……………………………………………………(9)
3.设计验证…………………………………………………………(10)
3.1电路的调试……………………………………………………(10)
3.2方波---三角波发生电路的仿真……………………………(11)
3.3三角波---正弦波转换电路的仿真…………………………(12)
4.课程设计总结……………………………………………………(13)
附录:
元器件明细清单…………………………………………(14)
参考文献
一、电路设计系统分析
1.1电路设计原理框图
图1-1
1.2电路方案设计
(1)采用滞回比较器产生方波;
(2)采用积分器将方波转换成三角波;
(3)采用差分放大器将三角波转换成正弦波。
二、单元电路设计及参数确定
2.1、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。
图2-1方波产生电路
2.2方波---三角波转换电路的工作原理:
图2-2-1
图2-2-1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
(2-2-1)
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
(2-2-2)
若Uo1=—VEE,则比较器翻转的上门线电位
(2-2-3)
比较器的门限宽度
(2-2-4)
由式子(2-2-1)~(2-2-4)可以得到比较器的电压传输特性,如图所示。
图2-2-2
a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
(2-2-5)
当U01=+Vcc时,
(2-2-6)
当U01=-Vcc时,
(2-2-7)
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。
图2-2-3
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
(2-2-8)
方波—三角波的频率
(2-2-9)
由式子(2-2-8)及(2-2-9)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。
2.3三角波---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。
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:
(2-3-1)
(2-3-2)
式中
——差分放大器的恒定电流;
——温度的电压当量,当室温为25oc时,UT≈26mV。
图2-3-1三角波—正弦波变换电路
2-3-2三角波-正弦波转换传输特性曲线
为使输出波形更接近正弦波,由图2-3-2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。
(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
2.4电路的参数选择与计算
2.4.1方波-三角波部分
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(2-8)得
取
,则R3+RP1=40KΩ,取
,RP1为47KΩ的电位器。
平衡电阻R1=R2∥(R3+RP1)=8k
,取R1=8.2KΩ
由式(2-2-9)得
即R4+RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2)
当100Hz≤f≤1kHz时,取C2=0.1uF,则10KΩ RP2=100kΩ。 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。 2.4.2三角波—>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(2-4-1) IREF=VEE-UBE/(RE4+R)=12-0.7/RE4+R(2-4-2) 取RE4=R=20KΩ,代入(2-4-2),得IREF=0.28mA,将IREF=0.28mA代入(2-4-1),得RE3=5KΩ (2)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 视输出的波形而定,若含高次斜波成分较多, 可取得较小, 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. 2.5总电路图: 图2-5方波-三角波-正弦波发生器实验电路 (主要思路): 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。 三、设计验证 3.1电路的调试 1方波—三角波发生器的调试 比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路,同时输出方波和正弦波,A1输出为方波,A2输出为三角波,微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求,调节RP2,则输出频率连续可变。 2三角波—正弦波变换的调试 1)差分放大器传输传输特性曲线调试。 将C4与RP3的连线断开,经电容C4输入差模信号电压uid=50mV,fi=10kHz的正弦波。 调节RP4及电阻R,使传输特性曲线对称。 再逐渐增大uid,直到传输特曲线形状如图2-3-2所示,记下此时对应的uid,即uidm值。 移去信号源,再将C4左端接地,测量差分放大器的静态工作点Io、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。 2)三角波-正弦波变换电路的调试。 将RP3与C4连接,调节RP3使三角波的输出幅度经由RP3后输出等于uidm值,这时U03的输出波形应接近正弦波,调整C6大小可以改善输出波形。 如果U03的波形出现如图3-1-1所示的几种正弦波失真,则应调整和修改电路参数,产生失真的原因及采取的相应措施有: ①钟形失真: 如图3-1-1(a)所示,传输特性曲线的线性区太宽,应减小RE2。 ②半波圆顶或平顶失真: 如图3-1-1(b)如示,传输特性曲线对称性差,工作点Q偏上或偏下,应调整电阻R。 ③非线性失真: 如图图3-1-1(c)所示,三角波的线性度较差引起的失真,主要受运放性能的影响。 可在输出端加滤波网络(如C6=100pF)改善输出波形。 图3-1-1几种正弦波失真 3.2方波---三角波发生电路的仿真 3.3三角波---正弦波转换电路的仿真 第四章课程设计总结 该设计电路通过先产生方波-三角波,再将三角波变换成正弦波,最终艰难而曲折的把简易信号发生器设计了出来。 该设计电路的优点是输出波形的频率和幅度都连续可调。 缺点是在调节频率的过程中正弦波的幅度会有所改变,而且波形的稳定度和失真度都会有很大的变化,这也就增加了电路调节的难度,在制成PCB板后才突然醒悟在比较器部分应该接入一个加速电容C,用来加速比较器的翻转。 因此而留下了很多遗憾。 总之,由于知识的有限,仿真结果不可避免的和设计要求产生了一定的偏差。 通过对函数信号发生器的设计,我学到了很多的知识,一方面,我掌握了常用元件的识别和测试方法;熟悉了常用的仪器仪表;以及如何提高电路的性能等等。 另一方面,我深刻认识到了“理论联系实际”这句话的重要性与真实性。 而且通过对此课程的设计,我不但知道了以前不知道的理论知识,而且也巩固了以前知道的知识。 最重要的是在实践中理解了书本上的知识,明白了学以致用的真谛。 附录 元器件明细清单 名称 规格 数量 运放 741 2 电阻 1KΩ 1 5KΩ 1 6.8KΩ 2 10KΩ 4 8.1KΩ 1 20KΩ 3 100KΩ 1 电位器 47KΩ 2 100Ω 1 100KΩ 1 电容 470μF 2 47μF 1 0.1μF 2 0.01μF 1 三极管 9013 4 单刀双掷开关 —— 1 参考文献 [1]童诗白主编《模拟电子技术基础(第三版)》.北京: 高教出版社,2001 [2]李万臣主编《模拟电子技术基础与课程设计》.哈尔滨工程大学出版社,2001 [3]胡宴如主编《模拟电子技术》.北京.高等教育出版社,2000 [4]康华光《电子技术基础--模拟部分(第四版)》.高等教育出版社,1998 [5]谢自美《电子线路设计.实验.测试(第二版)》.华中科技大学出版社,2000 [6]《电子电路大全(合定本)》中国计量出版社.1991 [7]郝鸿安主编《常用模拟集成电路手册》.人民邮电出版社1991 [8]蒋黎红主编《模电数电基础实验及Multisim7仿真》.浙江大学出版社,2007 [9]程开明主编《模拟电子技术》.重庆大学出版社,1995 [10]黄培根主编《Multisim10计算机虚拟仿真实验室》.电子工业出版社,2008
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