压控函数发生器课程设计报告电子电工实验.doc

压控函数发生器课程设计实验报告
1、课程设计的内容及要求
1.1、设计内容
压控函数发生器
1.2、课程设计的要求及技术指标
1. 输出波形：三角波、方波、正弦波
2. 频率范围：0~10KHz范围内可调，对应控制电压为0~2V 3. 输出电压：三角波U p-p =8V，方波0-10V ，正弦波U p-p =4V
2、压控函数发生器设计总方案及方框图
2.1、原理方框图
图2-1 原理方框图
2.2、压控函数发生器设计总方案的选择
针对函数发生器的基本原理，本设计采用由集成运算放大器与晶体管差分放大电路共同组成方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方案。

据2.1所示方框图分析，首先，V ix 通过滑动变阻器与定值电阻的分压方式得到0~2V的连续变化控制电压。然后由比较反馈电路和积分器组成方波、三角波产生电路；积分器得到的三角波，经由比较反馈电路产生方波；三角波到正弦波的变换则主要由差分放大器组成的非线性转换电路完成，其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性。
函数发生器的设计，有分立元件的设计方案（如全晶体管信号发生器），也可采用集成电路（如单片函数发生器模块8038）的设计。分立元件方案，有利于实验者进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，且价格低廉，但实际操作中调试过程过于复杂性，且其性能难以保证；采用集成电路的设计方案，在性能上虽得到保证，但却失去了实验者在实验调试技术上的锻炼，且器件价格也较高；因而本课程设计结合二者的优点，采用集成运算放大器与晶体管放大电路的设计方案，具有较高的性价比的同时，既有益于实验者对基本理论的进一步掌握，也使实验者在实验调试技术上也得到良好的锻炼。
而课程设计中，选择晶体管差分放大电路来完成三角波到正弦波的转换，则是源于差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰力强的优点，同时作为直流放大器，可以有效抑制零点漂移。
3、框内电路设计的工作原理及数据计算
3.1、0~2V直流信号的产生电路
图3-1 直流分压
采用电阻分压的方式，运用滑动变阻器获得0~2V连续变化的直流信号。AR 1运算放大器组成电压跟随器作为缓冲级，根据其输入阻抗大，输出阻抗小的特点，使信
号可以接近无衰减的传输到下一级。
不过，根据运算放大器的电路平衡原则可知，在
AR 1的反馈支路上由于没有电
阻，会造成一定的信号传输误差，故在调试阶段可添加一个小电阻来进行误差调整（在实验的实际操作中，该误差可以忽略）。
数据计算：
R 2
U 1=⨯V
R 1+R 2U 1max
（1）
R 2
=⨯V 1=2 （2） R 1+R 2
3.2、三角波——方波产生电路
3.2.1、极性变换电路
运用三极管的开关特性，用U4电压控制三极管Q1的导通与断开，当Q1断开（截止），运算放大器AR2电路为同相放大器与反向放大器的结合，U1、U2之间满足关系：
图3-2 极性变换
R 6R 6
U 2=(1+ U 1-⨯U 1
R 4+R 5R 3
（3）
当Q1闭合（饱和），AR2电路则为纯反向放大器，U1、U2之间的关系式应满足关系：
U 2=-
R 6
⨯U 1R 3
（4）
根据运算放大电路的电阻平衡原则和极性变换电路仅需改变电压的极性而不改变绝对电压的大小原则，各电阻之间应满足关系：
R 3=R 6； R 4=R 5； R 6//R 3=R 5
故有：Ⅰ、三极管截止时即开关断开时 Ⅱ、三极管饱和时即开关闭合时 就为U p-p =2U1的方波。
U 2=U 1 U 2=-U 1
因此，当三极管以一定频率在饱和与截止变换时，极性变换电路输出的电压U 2
3.2.2、积分电路
积分电路可以实现方波—三角波的转换，主要运用电容的充放电原理。 则U 3输出波形即为三角波，根据积分电路的计算有：
图3-3 积分电路
1
U 3=-U 2dt ⎰R 7C 1
（5）
同时为保证运算放大器的电阻平衡，电阻之间应满足条件：
R 8=R 7
3.2.3、比较电路
图3-4 比较
该比较电路为施密特电路，将三角波U 3变换成正弦波U 5，由施密特电路原理可知，当|U 3|≥|U ref |时，U 4将会变换极性。U 4为U p-p =2U 4的方波，运用二极管的单向导通性，得到仅有正向电压的方波U 5。其中电压之间应满足的关系为：
U ref
R 9
=U 4 （6） R 9+R 10
3.2.4、三角波——方波产生总电路
图3-5 三角波-方波产生电路
三角波的幅值：
A =|U ref
三角波的频率：
R 9
|=U 4
R 9+R 10 （7）
U 1
f =
4U ref R 7C 1
频率公式推导过程：
（8）
∵
1T
2
|U 2|dt -|U ref |=|U ref |⎰0R 7C 1
且
|U 2|=U 1
U 1
4U ref R 7C 1
f =
∴
在运用二极管的单向导通性获得仅有正向电压的方波U 5时，有约为0.7V 的压降，故可得知：方波的幅值为|U 4|-0.7，其频率与三角波一致。根据课程设计的数据要求可知U 5为已知固定值，因此可得知 U 4为定值，则当R 9、R 10为确定后，根据式（7）可知输出三角波U 3的幅值A 为定值，据式（8）所示结果可知输出的波形频率f 与输入的控制电压U 1成线性关系，即达到电压控制函数发生器输出波形频率的目的。
3.3、非线性转换电路（三角波——正弦波）
图3-6 差分放大电路——正弦波变换
如图所示，该非线性转换电路主要有差分放大电路组成，差分放大电路具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰力强的优点，尤其用作直流放大器，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率较低的三角波转换成正弦波，波形变换的原理是利用差分放大电器传输特性曲线的非线性。
图3-7 三角波——正弦波的波形
从示意图中可以看出，运用差分电路在电压±U im 附近其特性曲线呈非线性，因此利用这一特性，给以差分放大电路峰值接近±U im 的三角波，则可以产生如图3-7中所示的正弦波。
运用差分电路来进行三角波——正弦波的转换，为了得到好的波形，在设计中需要注意到：（1）、差分电路的对称性影响传输特性曲线的对称性，且线性区越窄越好。（2）、在调节正弦波图形时，三角波幅度的幅值是关键，其大小应正好使晶体管接近饱和区或截止区。（3）、电路中，电容的主要起隔直流作用，可改善波形。（5）晶体管的静态工作点要合适，避免图形失真。
4、电路仿真
电路的原理仿真主要运用仿真软件EWB 进行，进行该步骤既可以检验原理设计的正确性，也可以帮助理解各分电路的工作原理。
4.1、三角波——方波电路仿真
三角波仿真图形
方波仿真图形

方波与三角波组合仿真图形
从该图形中三角波与方波之间的变换关系，可以直观帮助我们理解三角波——方波转换原理。
4.2、非线性转换电路仿真（三角波——正弦波）
正弦波仿真图形

三角波——正弦波组合仿真图形
该仿真结果，证实运用差分放大电路的特性曲线的非线性性将三角波转换成正弦波是可行的，而图形也直观的展示出电路工作的特点。
5、安装调试及问题解决
5.1、参数的确定
参数确定的总原则：在可提供的实验器材基础上，根据所设计电路及所要达到的级数指标要求，确定最佳参数。
在课程设计要求所述的函数发生器的技术指标中，频率变化范围达到10K 级，为保证所设计电路可在高频段正常工作，因而所有元算放大器均选用LF353型号，其工作特性，可适应频率大范围变化的电路工作要求
5.1.1、压控电路（图3-1）的参数确定
根据式（1）、（2）的关系所示，结合实际可取V 1=12V，R 1=5KΩ，R 2为1k Ω的滑动变阻器。 在其中跟随器电路的反馈支路上中，由于是运算放大器的Ｎ、P 极有电阻不平衡，因而在电路的实际工作中可能出现误差，但其影响极小，在其后的误差调整中，为了达到更高的精度要求，可以选择在此处添加一个小电阻。

5.1.2、极性变换电路（图3-2）的参数确定
在满足式（3）、（4）所式关系，满足运算放大器工作平衡的条件下，R 3=R 6=20K Ω，R 4=R 5=10K Ω。
5.1.3、积分电路（图3-3）的参数确定
积分电路在整个函数发生器的设计中是最为关键的部分，尤其是对工作频率的影响尤为重要，由式（8）
f =U 1
4U ref R 7C 1
可知，在Uref 已定的条件下，频率在已定U1变化区间已定的控制下，其变化范围就由R7、C1来决定，而为了使电路在高频下正常功过，电容C1选择0.01μf ，相应可得知R7的取值在1.1K~1.3K范围内，为调试方便，课选用滑动变阻器代替，既有利于函数发生器，频率变化的精度，又有利于在调试过程中操作的方便性。
5.1.4、比较电路（图3-4）参数确定
比较电路为施密特电路，其翻转电压直接决定了三角波的幅值，有式（7）
A =|U ref |=R 9U 4R 9+R 10
可知，三角波的幅值，在U4 已定的条件下，仅决定于R9、R10的大小，因而运
R 10=16.75K Ω。用课程设计的技术指标A=4的要求来确定电阻的大小，取R 9=10K Ω、
5.1.5、差分放大电路（图3-5）的参数确定
在满足运算放大电路正常工作产生较好的正弦波形的同时，满足正弦波的幅度调节范围要求各个器件的取值：R =12K Ω、R 14=1K Ω、R 15=R 21=6.8K Ω、R 16=R 17=20K Ω、R 18=1.2K Ω、R 19=3K Ω、R 22=100K Ω、R 20为100k Ω的滑动变阻器。其中R13、R14的选取是考虑进入非线性转换电路的三角波幅值不可过大的要求，且其幅值具有较大的可变动范围；R15、R21是差分放大电路的平衡电阻，差分电路的平衡与否直接影响所输出正弦波的对称性；R16、R17为集电极电阻，取之较大是为了得到合适的Ic 值；而电阻R18、R19的选取，主要出于差分放大电路的静
态工作点；R22选取较大的电阻则是为了使最终输出的正弦波具有较大的幅值变化范围。
5.2、电路连接总图
注：图中运算放大器均为简化模型，未标注电源接头，所有运放均加±12V 的电压.
图5-1 电路连接
5.3、调试
电路如图进行连接后，其频率变化范围并未如预期的0~10K的变化范围，据分析可知R 7=1.2K的选取存在问题，因此为了更为便捷的进行调控，实际操作中将R 7定值电阻变成一个可变范围为4.7K 的可变电阻器。
对于比较电路中R 9、R 10的定值中，R 9确定为定值电阻16.75K ，而器件提供中，16.75K 的定值电阻却没有，因而可以考虑用滑动变阻器进行调节，但考虑到滑动变阻器的有限性及整个电路连接的清晰性，因而选择用15.1K 的定值电阻来替代，同时相
应改变R 9的值，但R 9的电阻并未如预期计算结果成比例的变化，这主要是由于比较电路（施密特电路）的跳转电压U ref 的误差。
最后是关于差分电路的调试，曾考虑如果电阻R 22取值越大，则输出正弦波的幅值则越大，但实际情况并非如此，当电阻R 22过大后，使得正弦波的幅值可变化范围变小，经过尝试，R 22=100K是较为合适的选择。
R 11电阻，由于在原参数确定时，近粗略的考虑运算放大的平衡，而使得方波的输出为达到10V 的幅值，因而选择增大R 11值，来增大方波幅值，经过试验，最终在R 11=3K时，达到所需技术指标。
5.4、实验波形结果（此结果均为照片拍摄）
三角波:
方波:
正弦波

根据这三个波形可见，整个函数示波器，在图形输出上达到了较好的效果，据课 程设计的实体的各个参数的具体测量，压控频率的变化具有较好的线性关系。 6、总图 6.1、设计图 附于报告最后一页 6.2、器件表 - 15 -
定值电阻 1.2K×3 3K×3 5.1K×1 6.8K×2 8.2K×1 10K×2 12K×1 15.1K×1 20K×4 100K×1 滑动变阻器 1K×2 100K×1 电容 0.01μf×1 10μf×1 100μf×1 集成运算放大 器 LF353×2 晶体管 二极管×1 双极性晶体管 9013×4 6.3、器件管脚图 - 16 -
9013 ⑧ ⑦ ⑥ ⑤ LF353 ① ② ③ ④ e b c 7、参考书籍 模拟电子技术基础(第四版 第四版——童诗白•清华大学电子学教研组 清华大学电子学教研组 8、体会 和以往的实验有很大的不同，以前的实验室验证结果式的 本次课程设计，和以往的实验有很大的不同 以前的实验室验证结果式的，而这 一次从原理设计到具体器件连接、调试一个完整的过程，当中器件参数没有 一次从原理设计到具体器件连接 参数没有限定，自 由发挥的空间较大，整个过程让我大致体会作为一个系统工程设计师该具体的素质 整个过程让我大致体会作为一个系统工程设计师该具体的素质， 整个过程让我大致体会作为一个系统工程设计师该具体的素质 也让自己更加明确努力地方向 努力地方向。 在原理设计中，通过对原理的分析 理解对上学期的模拟电子技术的学习有了一 通过对原理的分析、理解对上学期的模拟电子技术的学习有了一 个很好的巩固，同时通过 EWB 的仿真过程，既熟悉了该软件的使用， 同时通过 ，对今后更进一步 的学习打下基础，也对理论性的电路原理有了具象的理解 也对理论性的电路原理有了具象的理解。 将理论付之实践是本次课程设计的重要目的，在电路的连接调试中 将理论付之实践是本次课程设计的重要目的 在电路的连接调试中，既锻炼了自 己的动手能力，也更好的掌握各类电子仪器的使用 也更好的掌握各类电子仪器的使用，如万用表、直流 直流信号发生器…… 在具体调试中，是对所设计电路的进一步理解 也使自己在系统问题排查、解决方面 是对所设计电路的进一步理解，也使自己在系统问题排查 的能力得到很好的锻炼。 。 - 17 -