压控函数发生器课程设计报告电子电工实验.doc
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1、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:010KHz范围内可调,对应控制电压为02V 3. 输出电压:三角波U p-p =8V,方波0-10V ,正弦波U p-p =4V2、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
2、方式得到02V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
3、;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、02V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02V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
4、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 2U 1=VR 1+R 2U 1max(1)R 2=V 1=2 (2) R 1+R 23.2、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 6U 2=(1+ U 1-U 1R 4+R 5R 3(3)当Q
5、1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 6U 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:、三极管截止时即开关断开时 、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 23.2.2、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
6、路的计算有:图3-3 积分电路1U 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 73.2.3、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 refR 9=U 4 (6) R 9+R 103.2.4、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 4R
7、9+R 10 (7)U 1f =4U ref R 7C 1频率公式推导过程:(8)1T2|U 2|dt -|U ref |=|U ref |0R 7C 1且|U 2|=U 1U 14U ref R 7C 1f =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
8、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
9、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
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