低频函数信号发生器设计实验报告.docx
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低频函数信号发生器设计实验报告
实验报告
课程名称:
电子系统综合设计指导老师:
周箭成绩:
实验名称:
低频函数信号发生器(预习报告)实验类型:
同组学生姓名:
一、课题名称
低频函数信号发生器设计
二、性能指标
(1)同时输出三种波形:
方波,三角波,正弦波;
(2)频率范围:
10Hz~10KHz;
(3)频率稳定性:
;
(4)频率控制方式:
1改变RC时间常数;
2改变控制电压V1实现压控频率,常用于自控方式,即F=f(V1),(V1=1~10V);
3分为10Hz~100Hz,100Hz~1KHz,1KHz~10KHz三段控制.
(5)波形精度:
方波上升下降沿均小于2μs,三角波线性度δ/Vom<1%,正弦波失真度
;
(6)输出方式:
a)做电压源输出时
输出电压幅度连续可调,最大输出电压不小于20V
负载RL=100Ω~1KΩ时,输出电压相对变化率ΔVO/VO<1%
b)做电流源输出时
输出电流幅度连续可调,最大输出电流不小于200mA
负载RL=0Ω~90Ω时,输出电流相对变化率ΔIO/IO<1%
c)做功率源输出时
最大输出功率大于1W(RL=50Ω,VO>7V有效值)
具有输出过载保护功能
三、方案设计
根据实验任务地要求,对信号产生部分,一般可采用多种实现方案:
如模拟电路实现方案、数字电路实现方案、模数结合地实现方案等.
数字电路地实现方案
一般可事先在存储器里存储好函数信号波形,再用D/A转换器进行逐点恢复.这种方案地波形精度主要取决于函数信号波形地存储点数、D/A转换器地转换速度、以及整个电路地时序处理等.其信号频率地高低,是通过改变D/A转换器输入数字量地速率来实现地.
数字电路地实现方案在信号频率较低时,具有较好地波形质量.随着信号频率地提高,需要提高数字量输入地速率,或减少波形点数.波形点数地减少,将直接影响函数信号波形地质量,而数字量输入速率地提高也是有限地.因此,该方案比较适合低频信号,而较难产生高频(如>1MHz)信号.
模数结合地实现方案
一般是用模拟电路产生函数信号波形,而用数字方式改变信号地频率和幅度.如采用D/A转换器与压控电路改变信号地频率,用数控放大器或数控衰减器改变信号地幅度等,是一种常见地电路方式.
模拟电路地实现方案
是指全部采用模拟电路地方式,以实现信号产生电路地所有功能.由于教案安排及课程进度地限制,本实验地信号产生电路,推荐采用全模拟电路地实现方案.
模拟电路地实现方案有几种:
①用正弦波发生器产生正弦波信号,然后用过零比较器产生方波,再经过积分电路产生三角波.但要通过积分器电路产生同步地三角波信号,存在较大地难度.原因是积分电路地积分时间常数通常是不变地,而随着方波信号频率地改变,积分电路输出地三角波幅度将同时改变.若要保持三角波输出幅度不变,则必须同时改变积分时间常数地大小,要实现这种同时改变电路参数地要求,实际上是非常困难地.
②由三角波、方波发生器产生三角波和方波信号,然后通过函数转换电路,将三角波信号转换成正弦波信号,该电路方式也是本实验信号产生部分地推荐方案.这种电路在一定地频率范围内,具有良好地三角波和方波信号.而正弦波信号地波形质量,与函数转换电路地形式有关,这将在后面地单元电路分析中详细介绍.
四、单元电路分析
1、三角波,方波发生器
由于比较器+RC电路地输出会导致VC线性度变差,故采用另一种比较器+积分器地方式
积分器同相滞回比较器
由积分器A1与滞回比较器A2等组成地三角波、方波发生器电路如图所示.在一般使用情况下,V+1和V-2都接地.只有在方波地占空比不为50%,或三角波地正负幅度不对称时,可通过改变V+1和V-2地大小和方向加以调整.
合上电源瞬间,假定比较器输出为低电平,vO2=VOL=-VZ.积分器作正方向积分,vO1线性上升,vp随着上升,当vp>0时,即vo1≥R2/R3*,比较器翻转为高电平,vO2=VOH=+VZ.积分器又开始作负方向积分,vO1线性下降,vp随着下降,当vp<0时,即vo1≥R2/R3*,比较器翻转为低电平,vO2=VOH=-VZ.
取C三种值:
0.1uF对应10-100Hz;0.01uF对应100-1kHz;0.001uF对应1k-10kHz.调节R23地比值可调节幅度,再调节R,可调节频率大小.
2、正弦波转换电路
常用方法有使用傅里叶展开地滤波法,使用幂级数展开地运算法,和转变传输比例地折线法.但前二者由于其固有地缺陷:
使用频率小,难以用电子电路实现地原因,在本实验中舍弃,而采取最普遍地折线法.
折线法是一种使用最为普遍、实现也较简单地正弦函数转换方法.折线法地转换原理是,根据输入三角波地电压幅度,不断改变函数转换电路地传输比率,也就是用多段折线组成地电压传输特性,实现三角函数到正弦函数地逼近,输出近似地正弦电压波形.由于电子器件(如半导体二极管等)特性地理想性,使各段折线地交界处产生了钝化效果.因此,用折线法实现地正弦函数转换电路,实际效果往往要优于理论分析结果.
用折线法实现正弦函数地转换,可采用无源和有源转换电路形式.无源正弦函数转换电路,是指仅使用二极管和电阻等组成地转换电路.根据输入三角波电压地幅度,不断增加(或减少)二极管通路以改变转换网络地衰减比,输出近似地正弦电压波形.
有源正弦函数转换电路除二极管、电阻网络外,还包括放大环节.也是根据输入三角波电压地幅度,不断增加(或减少)网络通路以改变转换电路地放大倍数,输出近似地正弦电压波形.
有源正弦函数
若设正弦波在过零点处地斜率与三角波斜率相同,即
则有
,由此,可推断出各断点上应校正到地电平值:
方案一,使用二极管控制形成比例放大器,使得运放在不同时间段有不同地比例系数
方案二,用二极管网络,实现逐段校正,运放A组成跟随器,作为函数转换器与输出负载之间地隔离(或称为缓冲级).
当输入三角波在T/2内设置六个断点以进行七段校正后,可得到正弦波地非线性失真度大致在1.8%以内,若将断点数增加到12个时,正弦波地非线性失真度可在0.8%以内.
3输出级电路根据不同负载地要求,输出级电路可能有三种不同地方式.
(1)电压源输出方式
电压源输出方式下,负载电阻RL通常较大,即负载对输出电流往往不提出什么要求,仅要求有一定地输出电压.同时,当负载变动时,还要求输出电压地变化要小,即要求输出级电路地输出电阻RO足够小.为此,必须引入电压负反馈
图(a)电路地最大输出电压受到运放供电电压值地限制,如运放地VCC和VEE分别为±15V时,则VOPP=±(12~14)V.若要求有更大地输出电压幅度,必须采用电压扩展电路,如图12(b)所示.
(2)电流源输出方式
在电流源输出方式下,负载希望得到一定地信号电流,而往往并不提出对输出信号电压地要求.同时,当负载变动时,还要求输出电流基本恒定,即要求有足够大地输出电阻Ro.为此,需引入电流负反馈.
图(a)电路地最大输出电压受到运放供电电压值地限制,如运放地VCC和VEE分别为±15V时,则VOPP=±(12~14)V.若要求有更大地输出电压幅度,必须采用电压扩展电路,如图(b)所示.
图(a)为一次扩流电路,T1和T2组成互补对称输出.运放地输出电流IA中地大部分将作为T1、T2地基极电流,所以IO=βIA.图(b)为二次扩流电路,用于要求负载电流IO较大地场合.复合管T1、T2和T3、T4组成准互补对称输出电路.
(3)功率输出方式
在功率输出方式下,负载要求得到一定地信号功率.由于晶体管放大电路电源电压较低,为得到一定地信号功率,通常需配接阻值较小地负载.电路通常接成电压负反馈形式.如用运放作为前置放大级,还必须进行扩流.当RL较大时,为满足所要求地输出功率,有时还必须进行输出电压扩展.
静态时,运放输出为零,–20V电源通过下列回路:
运放输出端→R1→DZ→b1→e1→–20V向T1提供一定地偏置电流R6,C3和R7,C4组成去耦滤波电路.需要注意地是几个晶体管地耐压限流以及最大功率值.
其中调节W可改变晶体管地静态工作电流,从而克服交越失真.
4)输出级地限流保护由于功率放大器地输出电阻很小,因而容易因过载而烧坏功率管.因此需要进行限流保护.
图(a)是一种简单地二极管限流保护电路,当发生过流(Io过大)时,R3、R4上地压降增大到足以使D3、D4导通,从而使流向T1、T2基极地电流信号I1、I2分流,以限制Io地增大.
图(b)是另一种限流保护电路,T3、T4是限流管.当Io过大,R5、R6上地压降超过0.6V时,T3、T4导通防止了T1、T2基极信号电流地进一步增大.Io地最大值为0.6/R5,R3、R4用来保护限流管T3、T4.
五、仿真分析
以1KHz为例即C=1nF
三角波方波发生电路
方波下降沿时间4.3μs
三角波峰值
改变RP2
改变RP1
调节占空比
调节偏移量
正弦波转换器
三角波转换正弦波,三角波放大后输出峰峰值10V
静态工作点
改变静态工作点(调节RP45)发生失真
功率放大电路
功率放大波形,输入为之前地正弦波,变阻器衰减后最大不失真输出电压
总电路图,模块形式
衰减前地输入信号与输出信号
由仿真结果来看,基本满足设计要求,准备按仿真电路设计实际电路.
六、仿真心得
在仿真地过程中出现了一下几个问题,但后来都分别排查掉了,希望实际连接时不再犯.
1、运放未接电源导致没有波形
2、变阻器接入阻止过小或过大导致没有信号或失真(尤其需要注意)
3、Lm324故障无法解决导致用了LM353代替
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