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1、揚州大學能源與動力工程學院本科生課程設計題 目： 函數(shù)發(fā)生器的設計 課 程： 模擬電子技術基礎 專 業(yè)： 測控技術與儀器 班 級： 測控0802 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期： 2010.11 目 錄1設計的目的及任務（1）1.1 課程設計的目的（1）1.2 課程設計的任務與要求（1）1.3 課程設計的技術指標（1）2 電路設計總方案及原理框圖（2）2.1 電路設計原理框圖（2）2.2 電路設計方案設計（2）3 各部分電路設計（3）3.1 方波發(fā)生電路的工作原理（3）3.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理（4）3.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理（7） 3.4電路的參數(shù)選擇及計
2、算（9）3.5 總電路圖（10）4 電路仿真（12）4.1 方波-三角波發(fā)生電路的仿真（12）4.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真（12）5 電路的安裝與調(diào)試（14）5.1 方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試（14）5.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試（14）5.3 總電路的安裝與調(diào)試（15）5.4 電路安裝與調(diào)試中遇到的問題及分析解決方法（15）6電路的實驗結果（18）6.1 方波-三角波發(fā)生電路的實驗結果（18）6.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實驗結果（18）6.3 實測電路波形、誤差分析及改進方法（18）7 收獲與體會（20）8 儀器儀表明細清單（21）參考文獻（22）1設計的目的及
3、任務1.1 課程設計的目的（1）掌握電子系統(tǒng)的一般設計方法（2）掌握模擬IC器件的應用（3）培養(yǎng)綜合應用所學知識來指導實踐的能力1.2 課程設計的任務與要求（1）設計、組裝、調(diào)試函數(shù)發(fā)生器（2）輸出波形：正弦波、方波、三角波；1.3 課程設計的技術指標（1）頻率范圍 ：在1010000Hz范圍內(nèi)可調(diào) ；（2）輸出電壓：方波U24V，三角波U8V，正弦波U1V；12 電路設計總方案及原理框圖2.1 電路設計原理框圖 2.2 電路設計方案設計 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穩(wěn)定，輸入阻
4、抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)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傳輸特性曲線的非線性。23 各部分電路設計3.1 方波發(fā)生電路的工作原理 圖1.方波發(fā)生電路 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，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。設某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當t趨于無窮時，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與
5、此同時Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反向充電，如圖所示。Un隨時間逐漸增長而減低，當t趨于無窮大時，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。3上述過程周而復始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。 圖2.方波的波形圖3.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 圖3.方波-三角波轉(zhuǎn)換電路 4 圖4.方波三角波發(fā)生電路的波形圖及滯回比較器的電壓傳輸特性 若a點斷開，運算發(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)。運放的反相端接基準電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓U
6、ia，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，低電平等于負電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當比較器的U+=U-=0時，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Uo1=+Vcc,則 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia-為 若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為 5 比較器的門限寬度由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖4所示。a點斷開后，運放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為時，時，可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上
7、升速度與下降速度相等的三角波，其波形關系如圖4所示。a點閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為方波-三角波的頻率f為由以上兩式可以得到以下結論：（1)電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時，不會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實現(xiàn)頻率微調(diào)。 6(2)方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。(3)電位器RP1可實現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波-三角波的頻率。3.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 圖5.三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路三角波正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完
8、成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu) 7點。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點漂移，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傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達式為： 式中 差分放大器的恒定電流；溫度的電壓當量，當室溫為25oc時，UT26mV。如果Uid為三角波，設表達式為式中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應正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。（3） 圖為實現(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
9、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 8容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。 圖6.三角波正弦波變換3.4電路的參數(shù)選擇及計算3.4.1.方波-三角波中電容C1變化實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，后來將C2從10uf（理論時可出來波形）換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當C2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現(xiàn)。3.4.2.三角波-正弦波部分比較器A1與積分器A2的元件計算如下。由式（3-61）得 9 即取 ，則，取 ，RP1為47K的點位器。區(qū)平衡電阻由式（3-62）即當時，取，則，取，
10、為100K電位器。當時 ，取以實現(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，因為輸出頻率很低，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)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R*確定。3.5 總電路圖 10 圖7.總電路圖114 電路仿真4.1 方波-三角波發(fā)生電路的仿真 圖8.方波-三角波仿真4.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真 12 圖9.三角波-正弦波仿真 13
11、5 電路的安裝與調(diào)試5.1 方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試5.1.1按裝方波三角波產(chǎn)生電路（1） 把兩塊741集成塊插入面包板，注意布局；（2） 分別把各電阻放入適當位置，尤其注意電位器的接法；（3）按圖接線，注意直流源的正負及接地端。5.1.2調(diào)試方波三角波產(chǎn)生電路（1）接入電源后，用示波器進行雙蹤觀察；（2）調(diào)節(jié)RP1，使三角波的幅值滿足指標要求；（3） 調(diào)節(jié)RP2，微調(diào)波形的頻率；（4） 觀察示波器，各指標達到要求后進行下一部按裝。5.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試5.2.1按裝三角波正弦波變換電路（1）在面包板上接入差分放大電路，注意三極管的各管腳的接線；（2）搭生成直流源電
12、路，注意R*的阻值選取；（3） 接入各電容及電位器，注意C6的選??；（4）按圖接線，注意直流源的正負及接地端。5.2.2調(diào)試三角波正弦波變換電路（1） 接入直流源后，把C4接地，利用萬用表測試差分放大電路的靜態(tài)工作點；（2） 測試V1、V2的電容值，當不相等時調(diào)節(jié)RP4使其相等；14（3）測試V3、V4的電容值，使其滿足實驗要求；（4） 在C4端接入信號源，利用示波器觀察，逐漸增大輸入電壓，當輸出波形剛好不失真時記入其最大不失真電壓；5.3 總電路的安裝與調(diào)試（1）把兩部分的電路接好，進行整體測試、觀察。（2）針對各階段出現(xiàn)的問題，逐各排查校驗，使其滿足實驗要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。5
13、.4 電路安裝與調(diào)試中遇到的問題及分析解決方法 方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級單元電路組成的,在裝調(diào)多級電路時通常按照單元電路的先后順序分級裝調(diào)與級聯(lián)。5.4.1方波-三角波發(fā)生器的裝調(diào) 由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時輸出方波與三角波，這兩個單元電路可以同時安裝。需要注意的是，安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調(diào)整到設計值，如設計舉例題中，應先使RP1=10K,RP2取（2.5-70）K內(nèi)的任一值,否則電路可能會不起振。只要電路接線正確，上電后，UO1的輸出為方波，UO2的輸出為三角波，微調(diào)RP1,使三角波的輸出幅度滿足設計指標要求有，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率
14、在對應波段內(nèi)連續(xù)可變。5.4.2三角波-正弦波變換電路的裝調(diào) 按照圖375所示電路，裝調(diào)三角波正弦波變換電路，其中差分發(fā)大電路可利用課題三設計完成的電路。電路的 調(diào)試步驟如下。15（1）經(jīng)電容C4輸入差摸信號電壓Uid=50v，F(xiàn)i =100Hz正弦波。調(diào)節(jié)Rp4及電阻R*,是傳輸特性曲線對稱。在逐漸增大Uid。直到傳輸特性曲線形狀入圖373所示，記 下次時對應的 Uid即Uidm值。移去信號源，再將C4左段接地，測量差份放大器的 靜態(tài)工作點I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.(2) Rp3與C4連接，調(diào)節(jié)Rp3使三角波俄 輸出幅度經(jīng)Rp3等于Uidm值，這時Uo3的 輸出波形應 接近 正
15、弦波，調(diào)節(jié)C6大小可改善輸出波形。如果Uo3的 波形出現(xiàn)如圖376所示的 幾種正弦波失真，則應調(diào)節(jié)和改善參數(shù)，產(chǎn)生是真的原因及采取的措施有：1）鐘形失真 如圖（a）所示，傳輸特性曲線的 線性區(qū)太寬，應減小Re2。2）半波圓定或平頂失真 如圖（b）所示，傳輸特性曲線對稱性差，工作點Q偏上或偏下，應調(diào)整電阻R*.3）非線性失真 如圖（C）所示，三角波傳輸特性區(qū)線性度 差引起的失真，主要是受到運放的影響。可在輸出端加濾波網(wǎng)絡改善輸出波形。（3）性能指標測量與誤差分析 1）放波輸出電壓Upp=2Vcc是因為運放輸出極有PNP型兩種晶體組成復合互補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飲和導通，由于導通時
16、輸出電阻的影響，使方波輸出度小于電源電壓值。2）方波的上升時間T，主要受預算放大器的限制。如果輸出頻16 率的 限制?？山佣砑铀匐娙軨1，一般取C1為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測量T 176電路的實驗結果6.1 方波-三角波發(fā)生電路的實驗結果C=0.01uf fmin=527.48HZfmax=11630.24HZC=0.1uffmin=59.42HZfmax=1088.21HZC=1uffmin=7.03HZfmax=129.43HZ6.2 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實驗結果 Q1:c 5.621v,b -0.137v,e -0.6200v Q2:c 5.581v,b -0.129v,e
17、-0.61177v Q3:c -0.6353v,b -10.079v,e -10.712v Q4:c -10.079v,b -10.079v,e -10.723vIQ1:0.31895mAIQ2:0.32095mAIQ3:0.644mAIQ4:0.6385mA 6.3 實測電路波形、誤差分析及改進方法18將C6替換為由兩個.1uF串聯(lián)或直接拿掉, C1=0.1uF U=54mv Uo=2.7v 1vC1=0.01uF U=54mv Uo=2.8v1v Xc=1/W*C,當輸出波形為高頻時，若電容C6較大，則Xc很小，高頻信號完全被吞并，無法顯示出來。197 收獲與體會一個星期的課程設計已經(jīng)結束
18、了，在這一星期的學習、設計、焊接過程中我感觸頗深。使我對抽象的理論有了具體的認識。通過這次課程設計，我掌握了常用元件的識別和測試；熟悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接、焊接方法；以及如何提高電路的性能等等。其次，這次課程設計提高了我的團隊合作水平，使我們配合更加默契，體會了在接好電路后測試出波形的那種喜悅。在實驗過程中，我們遇到了不少的問題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問題。在老師和同學的幫助下，把問題一一解決，那種心情別提有多高興啊。實驗中暴露出我們在理論學習中所存在的問題，有些理論知識還處于懵懂狀態(tài)，老師們不厭其煩地為我們調(diào)整波形，講解知識點，實在令我感動?？傊?，這次的課程設計對我
19、的幫助很大，讓我認識到自己的不足，以及自己的優(yōu)勢。在接下來的學習中，我會更加的努力。201臺1臺1只2片2只 1只1只3只1只1只2只1只1只2只2只3只1只3只 1只4只1塊1把8根4根1把1米1把8 儀器儀表明細清單(1)直流穩(wěn)壓電源 (2)雙蹤示波器 (3)萬 用 表 (4)運 放741 (5)電位器50K 100K 100 (6)電 容470F 10F 1F 0.1F 0.01F (7)電 阻100 2K 6.8K 10K 15K 20K 51K (8) 三極管9013 (9) 面包板 (10)剪刀 (11)儀器連接線 (12)電 源 線 (13)電 烙 鐵 (14)焊 錫 絲 (15) 螺 絲 刀 21參考文獻童詩白主編模擬電子技術基礎（第三版）北京：高教出版社， 2001李萬臣主編模擬電子技術基礎與課程設計.哈爾濱工程大學出版社，2001.3胡宴如主編. 模擬電子技術. 北京. 高等教育出版社，2000 22
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