電工課程設(shè)計---函數(shù)信號發(fā)生器

1、<p>　　《電工與電子技術(shù)》課程設(shè)計</p><p>　　課題名稱 函數(shù)信號發(fā)生器 </p><p>　　學(xué)院(部) 汽車學(xué)院 </p><p><b>　　一、任務(wù)和要求</b></p><p>　　1、設(shè)計并制作能產(chǎn)生正弦波、矩形波（占空比

2、可調(diào)）和鋸齒波等多種信號的函數(shù)信號發(fā)生器。 </p><p>　　2、主要技術(shù)指標(biāo)和要求</p><p>　?。?）輸出的各種信號波形工作頻率范圍10Hz~10kHz，連續(xù)可調(diào)。</p><p>　?。?）輸出的各種信號波形幅值0~10V，連續(xù)可調(diào)。</p><p><b>　　二、摘要</b></p>&

3、lt;p>　　在生產(chǎn)實(shí)踐中，廣泛的采用各種信號，就其波形來說，可能用到正弦波和非正弦波，相應(yīng)的，就會用到不同的信號產(chǎn)生電路，而不同波形的信號，又會相互轉(zhuǎn)換。</p><p>　　信號發(fā)生器一般能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等波形的儀器，故可在設(shè)計時先在電路中產(chǎn)生一種信號，然后再通過波形變換使電路能輸出其它波形，故能設(shè)計許多電路來實(shí)現(xiàn)目的。在設(shè)計時，應(yīng)考慮多種情況（如外界干擾、內(nèi)部因素）設(shè)計一種在現(xiàn)實(shí)

4、應(yīng)用中性能良好，又廉價實(shí)用的方案。</p><p>　　本方案就是利用這種思想設(shè)計出的一個低頻函數(shù)信號發(fā)生器。</p><p>　　三、總體設(shè)計方案選擇及論證</p><p><b>　　1．信號產(chǎn)生電路</b></p><p><b>　　〖方案一〗</b></p><p>

5、;　　由文氏電橋產(chǎn)生正弦振蕩，然后通過比較器得到方波，方波積分可得三角波。</p><p>　　這一方案為一開環(huán)電路，結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)生的正弦波和方波的波形失真較小。但是對于三角波的產(chǎn)生則有一定的麻煩，因?yàn)轭}目要求有10倍的頻率覆蓋系數(shù)，然而對于積分器的輸入輸出關(guān)系為：</p><p>　　顯然對于10倍的頻率變化會有積分時間dt的10倍變化從而導(dǎo)致輸出電壓振幅的10倍變化。而這是電路所不希望

6、的。幅度穩(wěn)定性難以達(dá)到要求。而且通過仿真實(shí)驗(yàn)會發(fā)現(xiàn)積分器極易產(chǎn)生失調(diào)。</p><p><b>　　〖方案二〗</b></p><p>　　由矩形波產(chǎn)生電路產(chǎn)生矩形波，在通過積分電路把矩形波轉(zhuǎn)換為鋸齒波，再經(jīng)過差動放大電路將鋸齒波轉(zhuǎn)換為正弦波。</p><p>　　該電路的優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的：</p><p>　　線性良好

7、、穩(wěn)定性好；</p><p>　　頻率易調(diào)，在幾個數(shù)量級的頻帶范圍內(nèi)，可以方便地連續(xù)地改變頻率，而且頻率改變時，幅度恒定不變；</p><p>　　不存在如文氏電橋那樣的過渡過程，接通電源后會立即產(chǎn)生穩(wěn)定的波形；</p><p>　　三角波和方波在半周期內(nèi)是時間的線性函數(shù)，易于變換其他波形。</p><p>　　綜合上述分析，我們采用了第二種

8、方案來產(chǎn)生信號。下面將分析討論對生成的三角波和方波變換為正弦波的方法。</p><p><b>　　2．信號變換電路</b></p><p>　　三角波變?yōu)檎也ǖ姆椒ㄓ卸喾N，但總的看來可以分為兩類：一種是通過濾波器進(jìn)行“頻域” 處理，另一種則是通過非線性元件或電路作折線近似變換“時域”處理。具體有以下幾種方案：</p><p><b&g

9、t;　　〖方案一〗</b></p><p>　　采用米勒積分法。設(shè)三角波的峰值為，三角波的傅立葉級數(shù)展開：</p><p><b>　　通過線性積分后：</b></p><p>　　顯見濾波式的優(yōu)點(diǎn)是不太受輸入三角波電平變動的影響，其缺點(diǎn)是輸出正弦波幅度會隨頻率一起變化（隨頻率的升高而衰減），這對于我們要求的10倍的頻率覆蓋系數(shù)是不

10、合適的。另外我們在仿真時還發(fā)現(xiàn)，這種積分濾波電路存在這較明顯的失調(diào)，這種失調(diào)使輸出信號的直流電平不斷向某一方向變化。</p><p>　　積分濾波法的失調(diào)圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　而且輸出存在直流分量。</p><p><b>　　〖方案二〗</b></p><p>　　才用二極

11、管－電阻轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)折線逼近法。十分明顯，用折線逼近正弦波時，如果增多折線的段數(shù)，則逼近的精度會增高，但是實(shí)際的二極管不是理想開關(guān)，存在導(dǎo)通閾值問題，故不可盲目的增加分段數(shù)；在所選的折線段數(shù)一定的情況下，轉(zhuǎn)折電的位置的選擇也影響逼近的精度。憑直觀可以判知，在正弦波變化較快的區(qū)段，轉(zhuǎn)折點(diǎn)應(yīng)選擇的密一些；而變化緩慢的區(qū)段應(yīng)選的稀疏一些。</p><p>　　二極管－電阻網(wǎng)絡(luò)折線逼近電路對于集成化來說是比較簡單，但要采用分

12、立元件打接則會用到數(shù)十個器件，而且為了達(dá)到較高的精度所有處于對稱位置的電阻和二極管的正向?qū)娮瓒紤?yīng)匹配。實(shí)現(xiàn)起來不是很方便的。另外折線逼近電路的原理是應(yīng)用電路傳輸?shù)姆蔷€性，故作用于變換電路的輸入信號的幅度必須是固定的。而且這個轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)還有輸出阻抗高的缺點(diǎn)。</p><p>　　二極管－電阻轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)圖</p><p><b>　　〖方案三〗</b></p>

13、<p>　　利用差分放大器的差模傳輸特性。設(shè)差放的集電極電流分別為和，輸入差模電壓為 ,發(fā)射極電流為,則晶體三極管工作在放大區(qū)時有：</p><p>　　由下圖的傳輸特性曲線我們可以想象當(dāng)輸入為三角波時輸出會得到近似的正弦波。</p><p>　　差放差模傳輸特性曲線圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　這種轉(zhuǎn)換方式比較

14、簡單，而且頻帶很寬。</p><p>　　四、設(shè)計方案的原理框圖、總體電路圖、接線圖及說明</p><p>　　單元電路設(shè)計、主要元器件選擇與電路參數(shù)計算</p><p><b>　　1．單元電路設(shè)計</b></p><p>　?。?）矩形波發(fā)生電路</p><p><b>　　圖1&l

15、t;/b></p><p>　　如圖一所示，利用二極管的單向?qū)щ娦允闺娙莸某潆娕c放電回路不同，使電容的充電與放電時間常數(shù)不相等，從而使矩形波的高電平持續(xù)時間與低電平持續(xù)時間不相等。</p><p>　　電源剛接通時，uo=+Uz，所以Up=R1Uz/(R+R1)=Kuz,電容C1充電，uc升高.當(dāng)uc=Un≥Up時，uo=-Uz，所以Up=-R1Uz/(R+R1)=-KUz，電容C1

16、放電并反向充電，Uc下降。</p><p>　　當(dāng)uo=Un≤Up時，uo=+Uz，電容C1充電，重復(fù)上述過程。</p><p>　　當(dāng)輸出電壓為高電平時，二極管D1導(dǎo)通，D2截止，電容C1被充電，C1的充電常數(shù)為 </p><p>　　ζ1=（Rw+rd1+R）C1</p><p>　　當(dāng)輸出電壓為低電平時，二極管D1截止，D2導(dǎo)

17、通，電容C1開始放電，C1的放電時間常數(shù)為</p><p>　　ζ2+（R總-Rw+rd2+R）C1</p><p><b>　　矩形波振蕩周期為</b></p><p>　　T1=(ζ1+ζ2)ln(1+2R1/R2)=(R總+rd1+rd2+2R)C1ln(1+2R1/R2)</p><p>　　調(diào)節(jié)電位器Rw滑動端

18、的位置，矩形波的周期不變，但占空比會發(fā)生變化。</p><p>　　由上式可知：R總、rd1、rd2、R為定值，因此可固定R1和C1的值，通過改變R2的阻值來改變矩形波的振蕩頻率。</p><p>　　計算：設(shè)定R總=20K、R=1K、C1=4uF、R1=1K</p><p>　　由于設(shè)計要求輸出的信號波形工作頻率范圍為10Hz~10kHz</p>&

19、lt;p>　　通過計算R2的阻值變化范圍應(yīng)為1K~20M，連續(xù)可調(diào)。</p><p>　　（2）鋸齒波發(fā)生電路</p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　如圖2所示，若t=0，uc=0，uo1=+Uz，則電容C2充電；同時uo按線性逐漸下降，最終從+Uz跳變?yōu)?Uz。</p><p>　　在uo

20、1=-Uz后，電容C2開始放電，uo按線性上升，最終從-Uz跳變?yōu)?Uz，電容C2開始充電，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。</p><p>　　積分器的輸出Uo2為 Uo2=-1/(R4+R5)C2∫Uo1dt (1)</p><p>　　Uo1=+12V時， Uo2=-12t/(R4+R5)C2 (2)</p&g

21、t;<p>　　Uo1=-12V時， Uo2=12t/(R4+R5)C2 (3)</p><p>　　可見積分器的輸入為矩形波時，輸出是一個上升速率與下降速率相等的鋸齒波。</p><p>　　頻率 f=R2/4R1(R4+R5)C2</p><p>　　計算：R4=5.1K、C2=3.5uF、R1=

22、1K</p><p>　　通過計算可得R5的阻值變化范圍應(yīng)為0~35M</p><p>　　（3）正弦波發(fā)生電路</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　如圖3所示，鋸齒波到正弦波的變換電路主要由差動放大電路來完成。差動放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻值高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時，

23、可以有效地抑制零點(diǎn)漂移。波形變換的原理是利用差動放大傳輸特性曲線的非線性。</p><p>　　分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為</p><p>　　Ic1=αIe1=αIo/(1+e</p><p>　　Ic2=αIe2=αIo/(1+e</p><p>　　式中 α=Ic/Ie≈1；</p><p>　　Io——

24、差動放大器的恒定電流；</p><p>　　Ut——溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25℃時，Ut≈26mA。</p><p>　　又因?yàn)閁id為三角波，設(shè)表達(dá)式為</p><p>　　Uid=4Um(t-T/4)/T, 0≤t≤T/2</p><p>　　Uid=-4Um(t-3T/4)/T, T/2≤t≤T</p>&l

25、t;p>　　式中 Um——三角波幅度；</p><p>　　T——三角波的周期。</p><p><b>　　則 </b></p><p>　　Ic1=αIo/(1+e 0≤t≤T/2</p><p>　　Ic2=αIo/(1+e

26、 T/2≤t≤T</p><p>　　2.設(shè)計方案的原理框圖</p><p>　　矩形波發(fā) 積分電路 差動放大電路</p><p><b>　　生電路</b></p><p><b>　　3.總體電路圖</b

27、></p><p><b>　　總體波形如下：</b></p><p>　　4.主要元器件的選擇</p><p>　　該電路主要由LM301集成運(yùn)算放大器構(gòu)成，這款運(yùn)放具有較高的速度，雖然價格比LM324略高，但是性能是LM324所無法比擬的。其中兩個調(diào)節(jié)電位器采用多圈線繞電位器，可以達(dá)到令人滿意的調(diào)節(jié)效果。</p><

28、;p>　　五、收獲與體會、存在的問題</p><p><b>　　1．收獲與體會</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計使我對所需的三部分電路有了進(jìn)一步的了解和認(rèn)識，并且清楚了每一部分工作時所需要的條件，也對集成芯片有了初步的認(rèn)識，雖然在設(shè)計中沒有使用復(fù)雜的芯片，不過還是了解到了像555、8038等芯片的基本知識。對于完成仿真的軟件，EWB沒有Multis

29、im功能強(qiáng)大，很多元器件都不齊全。這是第一次靠自己去查資料完成的任務(wù)，充分的利用了圖書館的資源，并且為以后更復(fù)雜的設(shè)計打下了基礎(chǔ)。</p><p><b>　　2．存在的問題</b></p><p>　　在設(shè)計中，對各元器件型號的選擇還很陌生，無法很順利地把書中所學(xué)電路知識靈活的運(yùn)用到設(shè)計中，尤其是在仿真部分，設(shè)計進(jìn)展的很緩慢。另外，在完成仿真電路時，無法處理由于元器

30、件參數(shù)問題引起的波形失真問題。對于參數(shù)大小及相互之間的關(guān)系掌握不夠完整，不夠全面。</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1．《電路與模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).》 林濤 林薇 顧櫻華 編 2004年6月 科學(xué)出版社</p><p>　　2.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例》 戈素貞 杜群羊 吳海青 等編著 2007年2月 北

31、京航空航天大學(xué)出版社</p><p>　　3.《電子技術(shù)試驗(yàn)與課程設(shè)計指導(dǎo)模擬電路分冊》 郭永貞 劉勤編 2004年10月 東南大學(xué)出版社</p><p>　　4.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 設(shè)計 仿真 編程與實(shí)踐》 李萬臣主編 2005年5月 哈爾濱工程大學(xué)出版社</p><p>　　5.《電子電路計算機(jī)仿真技術(shù)》 周常森編著 2001年9月 山東科學(xué)技術(shù)出版社</

32、p><p>　　6.《電子元器件選用·使用·檢測一本通》 孟貴華編著 2006年2月 中國電力出版社</p><p>　　7．謝沅清 解月珍 編 《通信電子電路》2000年2月 北京郵電出版社</p><p>　　8．梁恩主 梁恩維 著《Protel 99SE電路設(shè)計于仿真應(yīng)用》2000年11月 清華大學(xué)出版社</p><p>

33、;　　9．劉志軍 編《電子測量與模擬電路實(shí)驗(yàn)技術(shù)》2001年4月</p><p>　　10．《實(shí)用電子電路手冊（模擬電路分冊）》編寫組編 《實(shí)用電子電路手冊（模擬電路分冊）》1991年10月高等教育出版社</p><p>　　11．Protel World Wide Web Site http://www.protel.com </p><p>　　12．Nati