模擬電路課程設(shè)計(jì)-函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

1、<p>　　模擬電路課程設(shè)計(jì)——函數(shù)信號(hào)發(fā)生器</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求</b></p><p>　　在給定的±12V直流電源電壓條件下，使用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)并制作一個(gè)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。</p><p>　　信號(hào)頻率：1kHz～10kHz </p><p>　　輸出電壓： 方波：V

2、p-p≤24V</p><p>　　三角波：Vp-p≤6V</p><p>　　正弦波： Vp-p>1V</p><p>　　方波：上升和下降時(shí)間：≤10ms</p><p>　　三角波失真度：≤2%</p><p>　　正弦波失真度：≤5%</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)

3、方案論證</b></p><p><b>　　1．信號(hào)產(chǎn)生電路</b></p><p><b>　　〖方案一〗</b></p><p>　　由文氏電橋產(chǎn)生正弦振蕩，然后通過(guò)比較器得到方波，方波積分可得三角波。</p><p>　　這一方案為一開(kāi)環(huán)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的正弦波和方波的波形失

4、真較小。但是對(duì)于三角波的產(chǎn)生則有一定的麻煩，因?yàn)轭}目要求有10倍的頻率覆蓋系數(shù)，然而對(duì)于積分器的輸入輸出關(guān)系為：</p><p>　　顯然對(duì)于10倍的頻率變化會(huì)有積分時(shí)間dt的10倍變化從而導(dǎo)致輸出電壓振幅的10倍變化。而這是電路所不希望的。幅度穩(wěn)定性難以達(dá)到要求。而且通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)積分器極易產(chǎn)生失調(diào)。</p><p><b>　　〖方案二〗</b></p&

5、gt;<p>　　由積分器和比較器同時(shí)產(chǎn)生三角波和方波。其中比較器起電子開(kāi)關(guān)的作用，將恒定的正、負(fù)極性的</p><p>　　電位交替地反饋積分器去積分而得到三角波。該電路的優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的：</p><p>　　線性良好、穩(wěn)定性好；</p><p>　　頻率易調(diào)，在幾個(gè)數(shù)量級(jí)的頻帶范圍內(nèi)，可以方便地連續(xù)地改變頻率，而且頻率改變時(shí)，幅度恒定不變；<

6、;/p><p>　　不存在如文氏電橋那樣的過(guò)渡過(guò)程，接通電源后會(huì)立即產(chǎn)生穩(wěn)定的波形；</p><p>　　三角波和方波在半周期內(nèi)是時(shí)間的線性函數(shù)，易于變換其他波形。</p><p>　　綜合上述分析，我們采用了第二種方案來(lái)產(chǎn)生信號(hào)。下面將分析討論對(duì)生成的三角波和方波變換為正弦波的方法。</p><p><b>　　2．信號(hào)變換電路<

7、;/b></p><p>　　三角波變?yōu)檎也ǖ姆椒ㄓ卸喾N，但總的看來(lái)可以分為兩類(lèi)：一種是通過(guò)濾波器進(jìn)行“頻域” 處理，另一種則是通過(guò)非線性元件或電路作折線近似變換“時(shí)域”處理。具體有以下幾種方案：</p><p><b>　　〖方案一〗</b></p><p>　　采用米勒積分法。設(shè)三角波的峰值為，三角波的傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)：</p&

8、gt;<p><b>　　通過(guò)線性積分后：</b></p><p>　　顯見(jiàn)濾波式的優(yōu)點(diǎn)是不太受輸入三角波電平變動(dòng)的影響，其缺點(diǎn)是輸出正弦波幅度會(huì)隨頻率一起變化（隨頻率的升高而衰減），這對(duì)于我們要求的10倍的頻率覆蓋系數(shù)是不合適的。另外我們?cè)诜抡鏁r(shí)還發(fā)現(xiàn)，這種積分濾波電路存在這較明顯的失調(diào)，這種失調(diào)使輸出信號(hào)的直流電平不斷向某一方向變化。</p><p>

9、;　　積分濾波法的失調(diào)圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　而且輸出存在直流分量。</p><p><b>　　〖方案二〗</b></p><p>　　才用二極管－電阻轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)折線逼近法。十分明顯，用折線逼近正弦波時(shí)，如果增多折線的段數(shù)，則逼近的精度會(huì)增高，但是實(shí)際的二極管不是理想開(kāi)關(guān)，存在導(dǎo)通閾值問(wèn)題，故不可盲目

10、的增加分段數(shù)；在所選的折線段數(shù)一定的情況下，轉(zhuǎn)折電的位置的選擇也影響逼近的精度。憑直觀可以判知，在正弦波變化較快的區(qū)段，轉(zhuǎn)折點(diǎn)應(yīng)選擇的密一些；而變化緩慢的區(qū)段應(yīng)選的稀疏一些。</p><p>　　二極管－電阻網(wǎng)絡(luò)折線逼近電路對(duì)于集成化來(lái)說(shuō)是比較簡(jiǎn)單，但要采用分立元件打接則會(huì)用到數(shù)十個(gè)器件，而且為了達(dá)到較高的精度所有處于對(duì)稱位置的電阻和二極管的正向?qū)娮瓒紤?yīng)匹配。實(shí)現(xiàn)起來(lái)不是很方便的。另外折線逼近電路的原理是應(yīng)用

11、電路傳輸?shù)姆蔷€性，故作用于變換電路的輸入信號(hào)的幅度必須是固定的。而且這個(gè)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)還有輸出阻抗高的缺點(diǎn)。</p><p>　　二極管－電阻轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)圖</p><p><b>　　〖方案三〗</b></p><p>　　利用差分放大器的差模傳輸特性。設(shè)差放的集電極電流分別為和，輸入差模電壓為 ,發(fā)射極電流為,則晶體三極管工作在放大區(qū)時(shí)有：</

12、p><p>　　由下圖的傳輸特性曲線我們可以想象當(dāng)輸入為三角波時(shí)輸出會(huì)得到近似的正弦波。</p><p>　　差放差模傳輸特性曲線圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　這種轉(zhuǎn)換方式比較簡(jiǎn)單，而且頻帶很寬。</p><p>　　三、整體電路設(shè)計(jì)和分析計(jì)算</p><p>　　1．三角波方波產(chǎn)生

13、電路</p><p>　　電路圖如圖所示，由三個(gè)運(yùn)算放大器組成。其中實(shí)現(xiàn)密勒積分，實(shí)現(xiàn)比較、限幅、反相三種功能運(yùn)算，為限幅反向器。,是正反饋電路，用作反饋通路。假設(shè)在時(shí)輸出為正電平。其中一部分信號(hào)反饋到的反相輸入端。另一部分通過(guò)反饋到的反相輸入端，其</p><p>　　三角波－方波產(chǎn)生電路圖</p><p>　　值的大小由與的分壓比決定。該信號(hào)電壓被積分器反相積分

14、，使的輸出電壓以時(shí)間常數(shù)下降，并通過(guò)加在的反相輸入端，流過(guò)的反饋電流(即),流過(guò)電阻的電流為 (即)，當(dāng)正反饋電流與電流相等時(shí)，反相輸入端的電壓為零。開(kāi)始從-0.65V跳變到+0.65V，從而迫使的輸出隨之翻轉(zhuǎn)，使從跳變到，與此同時(shí)，反相輸入端的電壓也隨之翻轉(zhuǎn)跳變到負(fù)值，對(duì)電壓進(jìn)行反向積分，使得按著同樣的時(shí)間常數(shù)上升。電流與反向。逐漸增加，當(dāng)正反饋電流與相等時(shí)， 再次跳變，從+0.65V跳變到-0.65V，迫使再次翻轉(zhuǎn)，從跳變到，這就完

15、成了一個(gè)振蕩周期。如此周而復(fù)始的循環(huán)。在地輸出端產(chǎn)生三角波，在的輸出端產(chǎn)生方波。 假設(shè)的正負(fù)限幅值不相等，用表示正限幅電平，用表示負(fù)限幅電平。假定當(dāng)t＝0時(shí)，從跳變到，此時(shí)有：</p><p>　　當(dāng)t＝時(shí)，比較器跳變，此時(shí)：</p><p>　　顯然， ，此時(shí)可以得到前半周期：</p><p>　　根據(jù)分析知道，當(dāng)t＝時(shí)，積分器的輸出電壓為三角波的下降邊。同理，下

16、一次跳變時(shí)，應(yīng)出現(xiàn)在。實(shí)際上，積分器的輸出電壓的跳變時(shí)間應(yīng)為。因此</p><p>　　可以得到后半個(gè)周期。</p><p>　　如果選擇電阻與相等，且正向限幅與負(fù)向限幅相等，即與相等，則方程可簡(jiǎn)化為：</p><p><b>　　, </b></p><p>　　由上式可看出，周期或頻率僅由分壓比系數(shù)和積分常數(shù)決定。

17、調(diào)節(jié)分壓比可連續(xù)改變頻率。</p><p>　　2．三角波—正弦波變換電路</p><p>　　電路如圖。如前所述，電路利用了差放的轉(zhuǎn)移特性，將三角波近似逼近為正弦波。</p><p>　　三角波－正弦波轉(zhuǎn)換電路圖</p><p><b>　　3．接口電路</b></p><p>　　通過(guò)上述電路

18、的分析和設(shè)計(jì)，我們已經(jīng)產(chǎn)生出三種規(guī)定的函數(shù)波形，但為了滿足應(yīng)用上的要求，還需輸入電壓可調(diào)，并具備一定的驅(qū)動(dòng)能力。這些要有一個(gè)接口電路來(lái)實(shí)現(xiàn)和完成。</p><p><b>　　接口電路圖</b></p><p>　　考慮到音頻信號(hào)的輸出阻抗常用600?，帶有反饋的運(yùn)算放大器的輸出阻抗幾乎為零，在輸出處加一600?的電阻就可使輸出阻抗變?yōu)?00?，而且即使發(fā)生誤操作使輸

19、出短路，該電阻也能起到過(guò)流保護(hù)的作用。</p><p>　　在對(duì)輸出進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)時(shí)，輸出電壓變小，運(yùn)放的偏移電壓的影響會(huì)很大。為了使信號(hào)有很大衰減，我們又設(shè)計(jì)了-20dB和-30dB的衰減器，可以把輸出電壓衰減0.1、0.01倍。在信號(hào)衰減的同時(shí)偏移電壓也同樣被衰減，這樣就防止了偏移影響的作用。</p><p>　　四、電路的EDA實(shí)現(xiàn)及仿真分析</p><p>&

20、lt;b>　　輸出瞬態(tài)分析</b></p><p>　　通過(guò)在4.7K～47K的范圍內(nèi)對(duì)電位器的調(diào)節(jié)，我們可以得到頻率覆蓋1K～10KHz的各輸出波形。兩個(gè)邊界頻率的瞬態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)以下諸圖：</p><p>　　10KHz三角波0dB –20dB –30dB輸出圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　10KHz方波0dB

21、 –20dB –30dB輸出圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　10KHz正弦波0dB –20dB –30dB輸出圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　1KHz三角波0dB –20dB –30dB輸出圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　1KHz方波0dB –20dB –30

22、dB輸出圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　1KHz正弦波0dB –20dB –30dB輸出圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p><b>　　波形參數(shù)的測(cè)量</b></p><p>　　注：以下各參數(shù)的測(cè)量均在Protel 99SE SIM99的仿真支持下，由Casor測(cè)量光標(biāo)輔助完成的

23、，其中失真度的測(cè)量是通過(guò)引入同頻率等幅的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的方法測(cè)出的。由于這幾個(gè)參數(shù)的測(cè)量都要將信號(hào)高倍放大，需占用較大的幅面，因此不再抓圖印證。</p><p><b>　　輸出幅值的測(cè)量：</b></p><p>　　方波上升時(shí)間的測(cè)量：</p><p>　　正弦波失真度的測(cè)量：</p><p>　　鑒于所采用正弦波的失真

24、系數(shù)的測(cè)量方法有較大誤差。為此，特在Uo=7V的測(cè)試條件下在0dB端口對(duì)f=1KHz的正弦波進(jìn)行了Fourier分析，如下圖：</p><p>　　1KHz正弦波0dB輸出時(shí)的Fourier分析圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　由圖可見(jiàn)：電路高頻諧波分量是比較少的。</p><p><b>　　總結(jié)：</b>&

25、lt;/p><p>　　以上測(cè)試數(shù)據(jù)證明，該電路已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了課程設(shè)計(jì)題目所要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)，而且其三角波、方波的表現(xiàn)又頗為突出，通過(guò)改變?nèi)遣ǚe分電容的方法，還可以將頻率覆蓋擴(kuò)展至10Hz～100KHz。</p><p><b>　　溫度掃描分析</b></p><p>　　以下三圖是在 f=5.831KHz RL=600Ω 0dB輸出-10℃

26、～50℃步長(zhǎng)為20℃的溫度掃描圖：</p><p>　　5.831KHz三角波-10℃～+50℃溫度掃描圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　5.831KHz正弦波-10℃～+50℃溫度掃描圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　5.831KHz方波-10℃～+50℃溫度掃描圖（Protel 99 SE SI

27、M99仿真）</p><p>　　由圖可見(jiàn)，波形除了時(shí)間上存在延遲外并無(wú)畸變。電路在該溫度范圍內(nèi)是正常工作的。</p><p><b>　　器件選擇</b></p><p>　　該電路主要由LM301集成運(yùn)算放大器構(gòu)成，這款運(yùn)放具有較高的速度，雖然價(jià)格比LM324略高，但是性能是LM324所無(wú)法比擬的。其中兩個(gè)調(diào)節(jié)電位器采用多圈線繞電位器，可以

28、達(dá)到令人滿意的調(diào)節(jié)效果。</p><p><b>　　心得體會(huì)</b></p><p>　　在這次設(shè)計(jì)、焊接過(guò)程中我對(duì)抽象的理論有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我了解了常用元件的識(shí)別和測(cè)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。雖然這次實(shí)驗(yàn)使得我糾結(jié)了近一天，但收獲的確很多。 在這次實(shí)驗(yàn)中，總結(jié)了很多感觸體會(huì)，我們不能盲目的

29、圖快，一定要在心底有個(gè)具體的譜然后下手去焊接，這樣能讓我們少走彎路，更加節(jié)省時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我也遇到了不少的問(wèn)題，如波形失真，電路板測(cè)試時(shí)甚至不出波形這樣的問(wèn)題。在老師和同學(xué)的幫助下，自己的總結(jié)思索下，把問(wèn)題一一解決。實(shí)驗(yàn)中暴露出我們?cè)诶碚搶W(xué)習(xí)中所存在的問(wèn)題，有些理論知識(shí)還處于懵懂狀態(tài)，這次實(shí)驗(yàn)讓我對(duì)過(guò)去未理解的很多知識(shí)有了明了的認(rèn)識(shí)。這次課程設(shè)計(jì)讓我體會(huì)到了在接好電路后測(cè)試出波形的喜悅與如重釋負(fù)的輕松。 </p>&