函數(shù)信號發(fā)生器實驗報告

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1、北京郵電大學(xué) 電子電路綜合設(shè)計實驗 實 驗 報 告 實驗題目：函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計 院 系：電子工程學(xué)院 班 級：2014211212 姓 名：李瑞平 學(xué) 號：2014211104 班內(nèi)序號：07 一、 課題名稱： 函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計 二、 摘要： 采用運算放大器組成的積分電路產(chǎn)生比較理想的方波-三角波，根據(jù)所需振蕩頻率和對方波前后沿陡度、方波和三角波幅度的要求，選擇運放、穩(wěn)壓管、限流電阻和電容。三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性實現(xiàn)，

2、選取合適的滑動變阻器來調(diào)節(jié)三角波的幅度和電路的對稱性，同時利用隔直電容、濾波電容來改善輸出正弦波的波形。 關(guān)鍵詞：方波 三角波 正弦波 頻率可調(diào) 幅度 三、設(shè)計任務(wù)要求： 1． 基本要求： 設(shè)計制作一個方波-三角波-正弦波信號發(fā)生器，供電電源為12V。 1）輸出頻率能在1KHZ~10KHZ范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)； 2）方波輸出電壓Vopp=12V(誤差<20%)，上升、下降沿小于10μs； 3）三角波輸出信號電壓Vopp=8V(誤差<20%)； 4）正弦波信號輸出電壓Vopp≥1V，無明顯失真。 2． 提高要求： 1）三種波形輸出峰峰值Vop

3、p均在1~10V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)； 2）將輸出方波改為占空比可調(diào)的矩形波，占空比可調(diào)范圍30%~70% 四、設(shè)計思路 1. 結(jié)構(gòu)框圖 實驗設(shè)計函數(shù)發(fā)生器實現(xiàn)方波、三角波和正弦波的輸出，其可采用電路圖有多種。此次實驗采用遲滯比較器生成方波，RC積分器生成三角波，差分放大器生成正弦波。除保證良好波形輸出外，還須實現(xiàn)頻率、幅度、占空比的調(diào)節(jié)，即須在基本電路基礎(chǔ)上進行改良。 由比較器與積分器組成的方波三角波發(fā)生器，比較器輸出的方波信號經(jīng)積分器生成三角波，再經(jīng)由差分放大器生成正弦波信號。其中方波三角波生成電路為基本電路，添加電位器調(diào)節(jié)使其頻率

4、幅度改變；正弦波生成電路采用差分放大器，第一個電路是由比較器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路。單限比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波；第二個電路是由差分放大器組成的三角波—正弦波變換電路。 考慮到差分放大器的工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等特點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波，波形變換的原理是利用差分放大器的傳輸特性曲線的非線性。傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)域越窄越好;三角波的幅度應(yīng)正好使晶體接近飽和區(qū)域或者截至區(qū)域。 2． 系統(tǒng)的組成框圖 電源電路 方波-三角波發(fā)生電路 正弦波發(fā)生電路 方波輸出 三角波輸出 正弦

5、波輸出 五、分塊電路與總體電路的設(shè)計 1．方波—三角波產(chǎn)生電路 1）設(shè)計過程： ①根據(jù)所需振蕩頻率的高低和前后沿陡度的要求，選擇合適的運算放大器。 方波要求上升、下降沿小于10us，峰峰值為12V。LM741轉(zhuǎn)換速率為0.7V/us，上升下降沿為17us，大于要求值。而LM318轉(zhuǎn)換速率為70V/us，上升下降沿為0.17us，滿足要求。故產(chǎn)生方波的比較器用LM318，產(chǎn)生三角波的反相發(fā)生器用LM741。 ②根據(jù)輸出方波幅度要求，選擇合適的穩(wěn)壓管D1、D2和限流電阻R4的大小。 輸出方波幅度要求為12V，所以選用穩(wěn)壓值為6V的穩(wěn)壓管。R4作用為限流，選擇阻值2kΩ。

6、 ③根據(jù)輸出三角波的幅度要求，確定R2與R3的大小。 方波經(jīng)積分得到三角波，幅度為，要求中三角波峰峰值為8V，，所以R2和R3的比值為2：3，故選取R2為20kΩ，R3為30kΩ，平衡電阻，使生成的三角波峰峰值為18V（以確保后級正弦波輸出Vopp最大值能達到10V）。實際輸出的三角波幅值通過電位器即可實現(xiàn)0V~18V連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)整到適當阻值即可實現(xiàn)輸出的Vopp=8V。 ④根據(jù)所要求的振蕩頻率確定R7和的大小。 方波和三角波的振蕩頻率相同，為，此處選擇C1為150pF，R7為4.7kΩ。R8為平衡電阻，應(yīng)與R7一致故為4.7kΩ。 2）其原理如下圖： 3） 仿真結(jié)果：

7、 2．三角波—正弦波轉(zhuǎn)換電路 1）設(shè)計過程： ①根據(jù)靜態(tài)工作點確定鏡像電流源參數(shù)。 靜態(tài)工作點：Ir=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2IbIc4=Ic3,Ic4=Ic3=(Ucc+Uee-Ube)/( R17+ R16)我們?nèi)?R17=1K，R16 =1KΩ。兩管輸入對稱，故R15 =R16 =1KΩ。 ②確定隔直電容和濾波電容參數(shù)值。 電容 C3、C4為隔直電容，為達到良好的隔直流、通交流的目的，其容值應(yīng)該取的相對較大，實驗中取值33uF。C5為濾波電容，濾除諧波分量，改善正弦波形，取值10nF。 ③根據(jù)輸出正弦波的幅度要求，確定差分放大器的參數(shù)。

8、 R23調(diào)節(jié)三角波的幅度，可調(diào)范圍應(yīng)該比較大，故取R23=100kΩ。R10與R18為平衡電阻，取值為R10= R18=1kΩ。差分放大器傳輸特性曲線特性越對稱，線性區(qū)越窄越好；三角波的幅度應(yīng)正好使晶體管接近截止區(qū)R14用來調(diào)整電路的對稱性，不能取太大，選取總阻值為100Ω的電位器。并聯(lián)電阻R13用來減小差分放大器傳輸特性曲線的線性區(qū)，取10Ω。為滿足其正弦波的幅度大于1V（拓展要求達到10V），取R12= R11=1kΩ，使得電流流經(jīng)它們的電壓降不至于很大。 2）三角波-正弦波變換原理： 3）仿真結(jié)果： 3. 總體電路 六、所實現(xiàn)的功能說明

9、 1、已實現(xiàn)功能 基本功能： 1）輸出頻率能在1KHZ~10KHZ范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)； 2）方波輸出電壓Vopp=12V(誤差<20%)，上升、下降沿小于10μs； 3）三角波輸出信號電壓Vopp=8V(誤差<20%)； 4）正弦波信號輸出電壓Vopp≥1V，無明顯失真。 提高要求： 5）三種波形輸出峰峰值Vopp均在1~10V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)； 6）將輸出方波改為占空比可調(diào)的矩形波，占空比可調(diào)范圍30%~70% * 在頻率為10KHZ時輸出正弦波峰峰值最大約9.6V 2、 主要測試數(shù)據(jù) 1) .方波和三角波峰峰值 （見下頁） Vop

10、p方波=12.04V（上升下降沿小于10μs） Vopp三角波=7.96V 2) .正弦波峰峰值 Vopp正弦波=10.4V（1KHZ附近） 3) .頻率范圍 頻率范圍約800HZ~12KHZ 4) .占空比范圍 占空比范圍約20%~80% 5) .Vopp范圍 方波：0V~12V 三角波：0V~18V 正弦波：0V~10.4V 3、必要測試方法 1).逐級搭建與調(diào)試 每一級搭建完成后，先進行調(diào)試確定性能無誤后再開始搭建下一級，并重復(fù)此過程。 2) .靜態(tài)工作測量和調(diào)整 對于差動放大器，該電路需進行靜態(tài)調(diào)

11、整。 第一：通過調(diào)節(jié)R14調(diào)節(jié)電路的對稱性。理想的差動放大器靜態(tài)時應(yīng)是輸入為零時輸出也為零，即當Q1與Q2的兩個基極電位差為零時，Q1與Q2的兩個集電極的電位差也應(yīng)為零。但是由于電路的參數(shù)不可能完全對稱，因此會出現(xiàn)兩個基極電位差為零時兩個集電極的電位差不為零的情況，所以需通過條令電位器R14進行靜態(tài)調(diào)零，使電路輸入為零時輸出也為零。具體調(diào)節(jié)方法可采取用萬用表或示波器進行調(diào)零監(jiān)測。 第二：通過調(diào)節(jié)恒流源改變電路的靜態(tài)工作電流。差動電路中Q1與Q2的靜態(tài)工作電流由恒流源偏置電路決定，可以改變恒流源偏置電路中的電阻來改變各個晶體管的靜態(tài)工作電流。此些完成后便需對電路中各個晶體管進行調(diào)試，測得各個

12、晶體管的靜態(tài)工作點。 七、故障及問題分析 1. 在方波—三角波產(chǎn)生電路調(diào)試中，示波器顯示的波形失真且出現(xiàn)直流偏置，經(jīng)過多次排查嘗試，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓管2DW232管腳接錯，更正后波形方波和三角波波形輸出正常。 2.在方波—三角波產(chǎn)生電路調(diào)試中，頻率最大值總是達不到10KHZ（8KHZ左右），根據(jù)，將C1電容由原設(shè)計中的330pF減小到150pF，頻率調(diào)整范圍達到要求。 3. 在正弦波產(chǎn)生電路調(diào)試中，差分放大器線性區(qū)短則正弦幅度不夠大，線性區(qū)長則輸出波形趨于三角波，綜合考慮兩者，將原設(shè)計中反饋電阻R13由原設(shè)計的100Ω更改為10Ω，使得輸出波形更趨于正弦波。 4. 最后將濾波電容更改為10n

13、F，使得輸出的正弦波波形更佳。 八、總結(jié)及結(jié)論 通過本次實驗，我對于模電中的很多知識點，尤其是運算放大電路和差分放大電路有了更好的掌握，學(xué)習(xí)了如何設(shè)計電路，如何搭建電路，并且進一步熟悉了面包板以及示波器等實驗器材的使用。 總的來說，充分理解實驗原理是做好一個實驗的最重要的一環(huán)，如果不理解電路的原理，就不知道如何去更改參數(shù)，去調(diào)試電路板，除了原理，還要了解各個器件的特性和用法，比如電源線和地線的連線的方式。 另外，這次實驗培養(yǎng)了我們動手能力。在搭建電路板的時候，需要細心耐心，布局以及連線都很有講究，不僅要求電路的通暢，還要注意電路板上各個元器件的布局，還有所使用的導(dǎo)線的顏色以及長

14、度，通過這次實驗鍛煉我們的電路版的搭建能力。同時，本次實驗考驗著我們的耐心和細心程度，在出不了波形的時候，要戒驕戒躁，耐心細心的去尋找，去排查，去測試。 經(jīng)過幾周的努力拼搏，自己的實操技能有了很大的提高，對于之后完成更加復(fù)雜的項目增強了信心。最后，感謝廖老師對實驗的悉心講解和指導(dǎo)。 9、 Multisim仿真原理圖、波形圖 1、仿真原理圖 2、 主要輸出波形圖 3.其他參數(shù)測試 1).上升下降沿（小于10μ秒） 2).頻率可調(diào)范圍（1kHz~10kHz） 仿真可得頻率可調(diào)范圍為（0.15kHz~10kHz） 3).占空比調(diào)整范圍（30%~70%） 仿真可得占空比可調(diào)范圍為（20%~80%） 4).峰峰值調(diào)整范圍（1V~10V） 仿真可得：方波峰峰值調(diào)整范圍0V~12.4V ；三角波峰峰值調(diào)整范圍0V~17.6V；正弦波峰峰值調(diào)整范圍0V~10.6V 十、所用元器件及測試儀表清單 1.元器件清單和電容電阻參數(shù) 2.LM318參數(shù) 3.UA741參數(shù) 4.測試儀器 模擬示波器，直流電源。 十一、參考文獻 [1]劉寶玲主編. 電子電路基礎(chǔ). 高等教育出版社 [2]陳凌霄主編 電子測量與電子電路實驗教程. 北京郵電大學(xué)出版社