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  如夢*粱 2016-12-01 00:00:00

  函數(shù)波形發(fā)生器設(shè)計(jì) 函數(shù)信號發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。通過對函數(shù)波形發(fā)生器的原理以及構(gòu)成分析，可設(shè)計(jì)一個(gè)能變換出三角波、正弦波、方波的函數(shù)波形發(fā)生器。 本課題采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，先通過比較器產(chǎn)生方波，再通過積分器產(chǎn)生三角波，Z后通過差分放大器形成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。 經(jīng)過仿真得出了方波、三角波、正弦波、方波——三角波轉(zhuǎn)換及三角波——正弦波轉(zhuǎn)換的波形圖。 關(guān)鍵字：函數(shù)信號發(fā)生器、集成運(yùn)算放大器、晶體管差分放 設(shè)計(jì)目的、意義 1 設(shè)計(jì)目的 （1）掌握方波—三角波——正弦波函數(shù)發(fā)生器的原理及設(shè)計(jì)方法。 （2）掌握遲滯型比較器的特性參數(shù)的計(jì)算。 （3）了解單片集成函數(shù)發(fā)生器8038的工作原理及應(yīng)用。 （4）能夠使用電路仿真軟件進(jìn)行電路調(diào)試。 2 設(shè)計(jì)意義 函數(shù)發(fā)生器作為一種常用的信號源，是現(xiàn)代測試領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用Z為廣泛的通用儀器之一。 在研制、生產(chǎn)、測試和維修各種電子元件、部件以及整機(jī)設(shè)備時(shí)，都學(xué)要有信號源，由它產(chǎn)生不同頻率不同波形的電壓、電流信號并加到被測器件或設(shè)備上，用其他儀器觀察、測量被測儀器的輸出響應(yīng)，以分析確定它們的性能參數(shù)。信號發(fā)生器是電子測量領(lǐng)域中Z基本、應(yīng)用Z廣泛的一類電子儀器。它可以產(chǎn)生多種波形信號，如正弦波，三角波，方波等，因而廣泛用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、宇航等領(lǐng)域。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 1 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容與要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）： 1.1課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 （1）該發(fā)生器能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波。 （2）函數(shù)發(fā)生器以集成運(yùn)放和晶體管為核心進(jìn)行設(shè)計(jì) （3）指標(biāo)： 輸出波形：正弦波、三角波、方波 頻率范圍：1Hz~10Hz，10Hz~100Hz 輸出電壓：方波VP-P≤24V，三角波VP-P=8V，正弦波VP-P＞1V； （4）對單片集成函數(shù)發(fā)生器8038應(yīng)用接線進(jìn)行設(shè)計(jì)。 1.2課程設(shè)計(jì)的要求 （1）提出具體方案 （2）給出所設(shè)計(jì)電路的原理圖。 （3）進(jìn)行電路仿真，PCB設(shè)計(jì)。 2 函數(shù)波形發(fā)生器原理 2.2函數(shù)波形發(fā)生器的總方案 函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038)。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實(shí)驗(yàn)調(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。 產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波—方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊?。本課題采用先產(chǎn)生方波—三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法[3]。 由比較器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地YZ零點(diǎn)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傳輸特性曲線的非線性。 2.3函數(shù)波形發(fā)生器各組成部分的工作原理 2.3.1方波發(fā)生電路的工作原理 此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz，則同相輸入端電位Up=+Ut。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖2.3中實(shí)線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時(shí)間t的增長而逐漸，當(dāng)t趨于無窮時(shí)，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut，再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz，與此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長而減低，當(dāng)t趨于無窮大時(shí)，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut，再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩[4]。 2.3.2方波——三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 圖2.2方波—三角波產(chǎn)生電路 工作原理如下： 若a點(diǎn)斷開，整個(gè)電路呈開環(huán)狀態(tài)。運(yùn)算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）， 當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee，或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設(shè)Uo1=+ Vcc，則 (2.1) 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia_為 (2.2) 若Uo1=-Vee，則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為 (2.3) 比較器的門限寬度： (2.4) 由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖2.3所示。 a點(diǎn)斷開后，運(yùn)放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為可見積分器的輸入為方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關(guān)系如圖2.4所示。 a點(diǎn)閉合，即比較器與積分器形成閉環(huán)電路，則自動(dòng)產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為： (2.8) 方波-三角波的頻率f為： (2.9) 由以上兩式(2.8)及(2.9)可以得到以下結(jié)論： (1) 電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時(shí)，不會(huì)影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。 (2) 方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過電源電壓+Vcc。 電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波-三角波的頻率[3]。 圖2.3比較器的電壓傳輸特性 圖2.4方波與三角波波形關(guān)系 2.3.3三角波---正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 如圖2.5三角波——正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。 差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器，可以有效的YZ零點(diǎn)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傳輸特性曲線的非線性[1]。 圖2.5 三角波——正弦波的變換電路 分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為： (2.10) (2.11) 式中 ——差分放大器的恒定電流； ——溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25oc時(shí)， ≈26mV。 如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為 (2.12) 式中 Um——三角波的幅度； T——三角波的周期。 為使輸出波形更接近正弦波，由圖2.6可見： （1）傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好。 （2）三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。 （3）圖2.7為實(shí)現(xiàn)三角波——正弦波變換的電路。其中RP1調(diào)節(jié)三角波的幅度，RP2調(diào)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1，C2，C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形[2]。 圖2.6三角波—正弦波變換原理 圖2.7三角波—正弦波變換電路 2.4電路的參數(shù)選擇及計(jì)算 2.4.1方波-三角波中電容C1變化（關(guān)鍵性變化之一） 實(shí)物連線中，我們一開始很長時(shí)間出不來波形，后來將C2從10uf（理論時(shí)可出來波形）換成0.1uf時(shí)，順利得出波形。實(shí)際上，分析一下便知當(dāng)C2=10uf時(shí)，頻率很低，不容易在實(shí)際電路中實(shí)現(xiàn)。 2.4.2三角波—正弦波部分的計(jì)算 比較器A1與積分器A2的元件計(jì)算如下： 由式（2.8）得 即 取 ，則 ，取 ，RP1為47KΩ的點(diǎn)位器。取平衡電阻 由式（2.9） 即 當(dāng) 時(shí)，取 ，則 ，取 ，為100KΩ電位器。當(dāng) 時(shí) ，取 以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻 。 三角波—正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率很低，取 ，濾波電容 視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多， 可取得較小， 一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R*確定。 2.5 總電路圖 先通過比較器產(chǎn)生方波，再通過積分器產(chǎn)生三角波，Z后通過差分放大器形成正弦波。如圖2.5.1所示， 圖2.5.1三角波-方波-正弦波函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)電路 2.6 8038單片集成函數(shù)發(fā)生器 2.6.1 8038的工作原理 8038由恒流源I1、I2，電壓比較器C1、C2和觸發(fā)器①等組成。其內(nèi)部原理電路框圖和外部引腳排列1. 正弦波線性調(diào)節(jié)；2. 正弦波輸出；3. 三角波輸出；4. 恒流源調(diào)節(jié)；5. 恒流源調(diào)節(jié)；6. 正電源；7. 調(diào)頻偏置電壓；8. 調(diào)頻控制輸入端；9. 方波輸出（集電極開路輸出）； 10. 外接電容；11. 負(fù)電源或接地；12.正弦波線性調(diào)節(jié)；13、14. 空腳 在圖2.8中，電壓比較器C1、C2的門限電壓分別為2VR/3和VR/3（ 其中VR=VCC+VEE），電流源I1和I2的大小可通過外接電阻調(diào)節(jié)，且I2必須大于I1。當(dāng)觸發(fā)器的Q端輸出為低電平時(shí)，它控制開關(guān)S使電流源I2斷開。而電流源I1則向外接電容C充電，使電容兩端電壓vC隨時(shí)間線性上升，當(dāng)vC上升到vC=2VR/3 時(shí)，比較器C1輸出發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出Q端由低電平變?yōu)楦唠娖?，控制開關(guān)S使電流源I2接通。由于I2I1 ，因此電容C放電，vC隨時(shí)間線性下降。當(dāng)vC下降到vC≤VR/3 時(shí)，比較器C2輸出發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出端Q又由高電平變?yōu)榈碗娖?，I2再次斷開，I1再次向C充電，vC又隨時(shí)間線性上升。如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。若I2=2I1 ，vC上升時(shí)間與下降時(shí)間相等，就產(chǎn)生三角波輸出到腳3。而觸發(fā)器輸出的方波，經(jīng)緩沖器輸出到腳9。三角波經(jīng)正弦波變換器變成正弦波后由腳2輸出。當(dāng)I1I22I1 時(shí)，vC的上升時(shí)間與下降時(shí)間不相等，管腳3輸出鋸齒波。因此，8038能輸出方波、三角波、正弦波和鋸齒波等四種不同的波形。 圖2.8中的觸發(fā)器，當(dāng)R端為高電平、S端為低電平時(shí)，Q端輸出低電平；反之，則Q端為高電平。 2.6.2 8038構(gòu)成函數(shù)波形發(fā)生器 由圖2.9可見，管腳8為調(diào)頻電壓控制輸入端，管腳7輸出調(diào)頻偏置電壓，其值（指管腳6與7之間的電壓）是(VCC+VEE/5) ，它可作為管腳8的輸入電壓。此外，該器件的方波輸出端為集電極開路形式，一般需在正電源與9腳之間外接一電阻，其值常選用10k?左右，如圖2.10所示。當(dāng)電位器Rp1動(dòng)端在中間位置，并且圖中管腳8與7短接時(shí)，管腳9、3和2的輸出分別為方波、三角波和正弦波。電路的振蕩頻率f約為0.3/[C(R1+RP1/2)] 。調(diào)節(jié)RP1、RP2可使正弦波的失真達(dá)到較理想的程度。 在圖2.10中，當(dāng)RP1動(dòng)端在中間位置，斷開管腳8與7之間的連線，若在+VCC與-VEE之間接一電位器，使其動(dòng)端與8腳相連，改變正電源+VCC與管腳8之間的控制電壓（即調(diào)頻電壓），則振蕩頻率隨之變化，因此該電路是一個(gè)頻率可調(diào)的函數(shù)發(fā)生器。如果控制電壓按一定規(guī)律變化，則可構(gòu)成掃頻式函數(shù)發(fā)生器。

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