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- 如梦黄粱 2016-12-01 00:00:00
- 函数波形发生器设计 函数信号发生器是一种能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析,可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。 本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法,先通过比较器产生方波,再通过积分器产生三角波,Z后通过差分放大器形成正弦波。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。 经过仿真得出了方波、三角波、正弦波、方波——三角波转换及三角波——正弦波转换的波形图。 关键字:函数信号发生器、集成运算放大器、晶体管差分放 设计目的、意义 1 设计目的 (1)掌握方波—三角波——正弦波函数发生器的原理及设计方法。 (2)掌握迟滞型比较器的特性参数的计算。 (3)了解单片集成函数发生器8038的工作原理及应用。 (4)能够使用电路仿真软件进行电路调试。 2 设计意义 函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用Z为广泛的通用仪器之一。 在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时,都学要有信号源,由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上,用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应,以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中Z基本、应用Z广泛的一类电子仪器。它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。 设计内容 1 课程设计的内容与要求(包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等): 1.1课程设计的内容 (1)该发生器能自动产生正弦波、三角波、方波。 (2)函数发生器以集成运放和晶体管为核心进行设计 (3)指标: 输出波形:正弦波、三角波、方波 频率范围:1Hz~10Hz,10Hz~100Hz 输出电压:方波VP-P≤24V,三角波VP-P=8V,正弦波VP-P>1V; (4)对单片集成函数发生器8038应用接线进行设计。 1.2课程设计的要求 (1)提出具体方案 (2)给出所设计电路的原理图。 (3)进行电路仿真,PCB设计。 2 函数波形发生器原理 2.2函数波形发生器的总方案 函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同,有产生三种或多种波形的函数发生器,使用的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管),也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术,本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。 产生正弦波、方波、三角波的方案有多种,如首先产生正弦波,然后通过整形电路将正弦波变换成方波,再由积分电路将方波变成三角波;也可以首先产生三角波—方波,再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波—三角波,再将三角波变换成正弦波的电路设计方法[3]。 由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路,比较器输出的方波经积分器得到三角波,三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。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时,可以有效地YZ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。 2.3函数波形发生器各组成部分的工作原理 2.3.1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2.3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,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[4]。 2.3.2方波——三角波转换电路的工作原理 图2.2方波—三角波产生电路 工作原理如下: 若a点断开,整个电路呈开环状态。运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器,C1为加速电容,可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压,即U-=0,同相输入端接输入电压Uia,R1称为平衡电阻。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Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+ Vcc,则 (2.1) 将上式整理,得比较器翻转的下门限单位Uia_为 (2.2) 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 (2.3) 比较器的门限宽度: (2.4) 由以上公式可得比较器的电压传输特性,如图2.3所示。 a点断开后,运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器,其输入信号为方波Uo1,则积分器的输出Uo2为可见积分器的输入为方波时,输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波,其波形关系如图2.4所示。 a点闭合,即比较器与积分器形成闭环电路,则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为: (2.8) 方波-三角波的频率f为: (2.9) 由以上两式(2.8)及(2.9)可以得到以下结论: (1) 电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时,不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽,可用C2改变频率的范围,PR2实现频率微调。 (2) 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。 电位器RP1可实现幅度微调,但会影响方波-三角波的频率[3]。 图2.3比较器的电压传输特性 图2.4方波与三角波波形关系 2.3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理 如图2.5三角波——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YZ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[1]。 图2.5 三角波——正弦波的变换电路 分析表明,传输特性曲线的表达式为: (2.10) (2.11) 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, ≈26mV。 如果Uid为三角波,设表达式为 (2.12) 式中 Um——三角波的幅度; T——三角波的周期。 为使输出波形更接近正弦波,由图2.6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2.7为实现三角波——正弦波变换的电路。其中RP1调节三角波的幅度,RP2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C1,C2,C3为隔直电容,C4为滤波电容,以滤除谐波分量,改善输出波形[2]。 图2.6三角波—正弦波变换原理 图2.7三角波—正弦波变换电路 2.4电路的参数选择及计算 2.4.1方波-三角波中电容C1变化(关键性变化之一) 实物连线中,我们一开始很长时间出不来波形,后来将C2从10uf(理论时可出来波形)换成0.1uf时,顺利得出波形。实际上,分析一下便知当C2=10uf时,频率很低,不容易在实际电路中实现。 2.4.2三角波—正弦波部分的计算 比较器A1与积分器A2的元件计算如下: 由式(2.8)得 即 取 ,则 ,取 ,RP1为47KΩ的点位器。取平衡电阻 由式(2.9) 即 当 时,取 ,则 ,取 ,为100KΩ电位器。当 时 ,取 以实现频率波段的转换,R4及RP2的取值不变。取平衡电阻 。 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,因为输出频率很低,取 ,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。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 先通过比较器产生方波,再通过积分器产生三角波,Z后通过差分放大器形成正弦波。如图2.5.1所示, 图2.5.1三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路 2.6 8038单片集成函数发生器 2.6.1 8038的工作原理 8038由恒流源I1、I2,电压比较器C1、C2和触发器①等组成。其内部原理电路框图和外部引脚排列1. 正弦波线性调节;2. 正弦波输出;3. 三角波输出;4. 恒流源调节;5. 恒流源调节;6. 正电源;7. 调频偏置电压;8. 调频控制输入端;9. 方波输出(集电极开路输出); 10. 外接电容;11. 负电源或接地;12.正弦波线性调节;13、14. 空脚 在图2.8中,电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/3( 其中VR=VCC+VEE),电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节,且I2必须大于I1。当触发器的Q端输出为低电平时,它控制开关S使电流源I2断开。而电流源I1则向外接电容C充电,使电容两端电压vC随时间线性上升,当vC上升到vC=2VR/3 时,比较器C1输出发生跳变,使触发器输出Q端由低电平变为高电平,控制开关S使电流源I2接通。由于I2I1 ,因此电容C放电,vC随时间线性下降。当vC下降到vC≤VR/3 时,比较器C2输出发生跳变,使触发器输出端Q又由高电平变为低电平,I2再次断开,I1再次向C充电,vC又随时间线性上升。如此周而复始,产生振荡。若I2=2I1 ,vC上升时间与下降时间相等,就产生三角波输出到脚3。而触发器输出的方波,经缓冲器输出到脚9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。当I1I22I1 时,vC的上升时间与下降时间不相等,管脚3输出锯齿波。因此,8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波等四种不同的波形。 图2.8中的触发器,当R端为高电平、S端为低电平时,Q端输出低电平;反之,则Q端为高电平。 2.6.2 8038构成函数波形发生器 由图2.9可见,管脚8为调频电压控制输入端,管脚7输出调频偏置电压,其值(指管脚6与7之间的电压)是(VCC+VEE/5) ,它可作为管脚8的输入电压。此外,该器件的方波输出端为集电极开路形式,一般需在正电源与9脚之间外接一电阻,其值常选用10k?左右,如图2.10所示。当电位器Rp1动端在中间位置,并且图中管脚8与7短接时,管脚9、3和2的输出分别为方波、三角波和正弦波。电路的振荡频率f约为0.3/[C(R1+RP1/2)] 。调节RP1、RP2可使正弦波的失真达到较理想的程度。 在图2.10中,当RP1动端在中间位置,断开管脚8与7之间的连线,若在+VCC与-VEE之间接一电位器,使其动端与8脚相连,改变正电源+VCC与管脚8之间的控制电压(即调频电压),则振荡频率随之变化,因此该电路是一个频率可调的函数发生器。如果控制电压按一定规律变化,则可构成扫频式函数发生器。
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