2022年函数发生器的设计.pdf

函数发生器的设计工学 08-I 电子技术课程设计报告函数发生器的设计专业: 班级: 姓名: 学号: 指导教师 : 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 函数发生器的设计目录1 设计任务要求 0 2 方案比较 0 3、 单元电路设计 1 4、 元件选择 4 5、 整体电路 6 6、 总结与体会 7 7、 参考文献 8精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 函数发生器的设计1 设计任务要求1、设计一个函数发生器 , 可产生方波 , 三角波 , 正弦波信号。2、频率与幅度可以调节。3、方波占空比可以调节。2 方案比较2、1 第一种方案由比较器与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。 特别就是作为直流放大器时,可以有效地抑制零点漂移 ,因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理就是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。能实现频率可调的指标要求,且能实现一定范围内的幅度调节。如图一所示: 图 1 函数发生器电路组成框图2、2 第二种方案采用 DDS作为信号发生核心器件的全数控函数信号发生器设计方案, 选用了AD9850芯片, 并通过单片机程序控制与处理AD9850的 32 位频率控制字 , 再经放大后加至以数字电位器为核心的数字衰减网络, 从而实现了信号幅度、频率、类型以及输出等选项的全数字控制。2、3 第三种方案首先由 555定时器组成的多谐振荡器产生方波, 然后由积分电路将方波转化为三角波 , 最后用低通滤波器将方波转化为正弦波, 但这样的输出将造成负载的输出精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 函数发生器的设计正 弦 波 波 形 变 形 , 因 为 负 载 的 变 动 将 拉 动 波 形 的 崎 变 。 如 图 二 所示:图 2 方波、三角波、正弦波信号发生器的原理框图2、4 函数发生器方案选择方案一 , 关于三角波的缺陷 , 不就是能很好的处理 , 且波形质量不太理想, 且频率调节不如方案三简单方便; 方案二 , 知识所限 , 复杂; 方案三的电路结构、思路简单, 运行时性能稳定且能较好的符合设计要求, 且成本低廉、调整方便 , 关于输出正弦波波形的变形 , 可以通过可变电阻的调节来调整。综上所述, 我们选择方案三。3. 单元电路设计3、1 由 555 定时器产生方波当电容 C1被充电时 ,2 与 6 引脚的电压都上升, 此时二极管D1导通 , 接通+12V电源后 , 电容 C1被充电 ,Vc 上升 , 当 Vc 上升到 2Vcc/3 时, 触发器被复位,同时放电BJT T 导通 , 此时输出电平Vo 为低电平 , 电容 C1 通过 R2 与 T 放电 ,使 Vc 下降。当Vc 下降到 Vcc/3 时, 触发器又被置位,Vo 翻转为高电平。电容器 C1经 R2,R3, 她们此时所分的总阻值为R1 向电容 C1放电 , 当 C1 放电结束时,T 截止 ,Vcc 将通过 R1、R2所分得的阻值为R3向电容器C2 充电 , 当 Vc 上升到 2Vcc/3时, 触发器又发生翻转, 如此周而复始, 在输出端就得到了一个周期性的方波 , 稳态时555 电路输入端处于电源电平, 内部放电开关管T 导通 ,输出端 Vo 输出低电平 , 当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi 端。并使 2 端电位瞬时低于1/3Vcc, 低电平比较器动作, 单稳态电路即开始一个稳态过程, 电容 C开始充电 ,Vc 按指数规律增长。当Vc 充电到 2/3Vcc 时, 高电平比较器动作, 比较器 A1 翻转 , 输出 Vo 从高电平返回低电平, 放电开关管T 重新导通 , 电容 C 上的电荷很快经放电开关管放电, 暂态结束 , 恢复稳定 , 为下个触发脉冲精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 函数发生器的设计的来到作好准备。波形图见图4。图 3 方波产生电路图 4 电路的电压波形图精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 函数发生器的设计3、2 方波-三角波转换图 5 三角波的产生电路当 741 很大时 , 运放两输入端为 虚地 , 忽略流入放大器的电流, 令输入电压为 Vi 输出为 Vo, 流过电容 C的电流为 i1 则有即输出电压与输入电压成积分关系。当为固定值时。上式表明输出电压按一定比例随时间作直线上升或下降。当为矩形波时,便成为三角波。3、3 三角波 -正弦波转换的电路设计分 析 表 明 , 传 输 特 性 曲 线 的 表 达 式 为 :Ic=I/1+exp(-Uid/UT)I 就是差分放大器的恒定电流; UT 就是温度的电压当量, 当室温为25 摄氏度时 ,UT26mV 。如果 Uid 为三角波 , 设表达式为精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 函数发生器的设计Uid(t)=4*Um*(t-T/4)/T(0=t=T/2) Uid(t)=-4*Um*(t-3*T/4)/T (T/2=t=T) 式中 Um 就是三角波的幅度;T 就是三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波, 有三个条件 : (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与区或截止区; (3)图为实现三角波正弦波变换的电路。其中R5 调节三角波的幅度,R9 调整电路的对称性, 其并联电阻R10用来减小差分放大器的线性区。电容 C5为隔直电容 ,C8 为滤波电容 , 以滤除谐波分量, 改善输出波形。隔直电容C5要取得较大 , 因为输出频率很低, 取 c5=500 微法 , 滤波电容视输出的波形而定, 若含高次斜波成分较多,c6,c7 可取得较小 , 一般为几十皮法至0、01 微法。 R9=100欧与 R10=100欧姆相并联 , 以减小差分放大器的线性区。图 6 正弦波的产生电路4. 元件选择本电路采用 555 定时器 , 555 定时器 就是一种模拟与数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极型(TTL) 工艺制作的称为 555, 用 互补金属氧化物 (CMOS )精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 函数发生器的设计工艺制作的称为 7555, 除单定时器外 , 还有对应的双定时器 556/7556 。555 定时器的电源电压范围宽, 可在 4 、5V16V 工作 ,7555 可在 318V 工作 , 输出驱动电流约为 200mA,因而其 输出 可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。它不仅用于信号的产生与变换 , 还常用于控制与检测电路中。555 定时器 成本低 , 性能可靠 , 只需要外接几个电阻、电容 , 就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器 及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。555 定时器引脚功能 : 1 脚: 外接电源负端 VSS或接地 , 一般情况下接地。 2 脚:低触发端 TR 。3 脚: 输出端 Vo。4 脚: 就是直接清零端。当此端接低电平, 则时基电路不工作 , 此时不论 TR 、TH处于何电平 , 时基电路输出为“ 0”, 该端不用时应接高电平。 5 脚:VC 为控制电压端。若此端外接电压, 则可改变内部两个比较器的基准电压, 当该端不用时 , 应将该端串入一只0、01F 电容接地 , 以防引入干扰。 6 脚:高触发端 TH 。7 脚: 放电端。该端与放电管集电极相连, 用做定时器时电容的放电。8 脚: 外接电源 VCC, 双极型时基电路 VCC 的范围就是 4、5 16V,CMOS型时基电路VCC 的范围为 3 18V 。一般用 5V。555 定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1与 C2、由两个与非门G1与G2组成的基本 RS触发器 ( 低电平触发 ) 、放电三极管 T 以及输出反相缓冲器G3组成。555 定时器的内部电路框图及逻辑符号与管脚排列分别如图7 所示。图 7 555 定时器逻辑符号与管脚排列精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 函数发生器的设计5. 整体电路5、1 总电路图图 8 总电路图5、2 电路仿真图 9 方波的仿真图精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 函数发生器的设计图 10 三角波仿真波形图图 11 正弦波仿真波形6、 总结与体会为期两个星期的课程设计已经结束,在这两星期的学习、设计过程中我感触颇深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过对函数信号发生器的设计,我掌握了精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 10 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 函数发生器的设计常用元件的识别与测试;熟悉了常用的仪器仪表;通过对函数信号发生器的设计,我们还深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计 ,我们不但知道了以前不知道的理论知识,而且也巩固了以前知道的知识。最重要的就是在实践中理解了书本上的知识,明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。她就是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题,提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中 ,我们感觉调试部分就是最难的,因为您理论计算的值在实际当中并不一定就是最佳参数 ,我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。而参数的调试就是一个经验的积累过程,没有经验就是不可能在短时间内将其完成的,而这个可能也就是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧！在实验过程中,我们遇到了不少的问题。比如 :波形失真 ,甚至不出波形这样的问题。在老师与同学的帮助下,把问题一一解决 ,那种心情别提有多高兴啦。实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题 ,有些理论知识还处于懵懂状态,老师们不厌其烦地为我们调整波形,讲解知识点。最后用一句话来结束吧:“实践就是检验真理的唯一标准”。7、 参考文献1 王传昌 , 高分子化工的研究对象, 天津 , 天津大学学报,1997 年2 李明 , 物理学 , 北京 , 科学出版社 ,1977 年3 郝鸿安 , 555 集成电路实用大全, 上海 , 上海科学普及出版社,1996 年4 陈兆仁 , 电子技术基础实验研究与设计, 北京 , 电子工业出版社,2000 年5 毕满清 , 电子技术实验与课程设计,北京 , 机械工业出版社,2012 年精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 11 页，共 11 页 - - - - - - - - - -