函数信号发生器设计.ppt

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1、2022/10/27长江大学 龙从玉14.4.函数信号发生器设计函数信号发生器设计函数信号发生器设计函数信号发生器设计1.1 1.1 实验任务：实验任务：实验任务：实验任务：设计采设计采设计采设计采用运放（包括可用三极管）构成正弦波用运放（包括可用三极管）构成正弦波用运放（包括可用三极管）构成正弦波用运放（包括可用三极管）构成正弦波.三角波三角波三角波三角波.方方方方波函数信号发生器。波函数信号发生器。波函数信号发生器。波函数信号发生器。1.2 1.2 性能指标性能指标性能指标性能指标要求：要求：要求：要求：Vcc=12V;Vee=-12VVcc=12V;Vee=-12V。采用采用采用采用设计

2、方案设计方案设计方案设计方案。设计设计正弦波正弦波正弦波正弦波/方波方波方波方波/三角波三角波三角波三角波的的的的函数函数函数函数发发生器生器生器生器(用文氏用文氏用文氏用文氏电桥电桥正弦波正弦波正弦波正弦波振振振振荡荡器器器器):频频率范率范率范率范围围：150 1500hz150 1500hz 输输出出出出电压电压：方波：方波：方波：方波upp14V;upp14V;三角波三角波三角波三角波upp8Vupp8V；正弦波正弦波正弦波正弦波upp15Vupp15V 波形特性：方波波形特性：方波波形特性：方波波形特性：方波上升时间上升时间上升时间上升时间tr30us;tr30us;三角波三角波三角

3、波三角波非线性系数非线性系数非线性系数非线性系数r r 2%:6Vupp6V 波形特性：方波波形特性：方波波形特性：方波波形特性：方波上升时间上升时间上升时间上升时间tr30us;tr30us;三角波三角波三角波三角波非线性系数非线性系数非线性系数非线性系数r r 2%:2%:正弦波正弦波正弦波正弦波非非非非线性失真线性失真线性失真线性失真r5%r5%1 1.设计实验任务与要求设计实验任务与要求设计实验任务与要求设计实验任务与要求：2022/10/27长江大学 龙从玉2 2.1 RC2.1 RC文氏电桥文氏电桥文氏电桥文氏电桥振荡器产生振荡器产生振荡器产生振荡器产生正弦波，正弦波，正弦波，正弦

4、波，方波方波方波方波-三角波产生电路三角波产生电路三角波产生电路三角波产生电路可正弦波振荡可正弦波振荡可正弦波振荡可正弦波振荡器采用波形变换电路器采用波形变换电路器采用波形变换电路器采用波形变换电路,通过迟滞比较器变换为方波通过迟滞比较器变换为方波通过迟滞比较器变换为方波通过迟滞比较器变换为方波,经积分器获得三角波输经积分器获得三角波输经积分器获得三角波输经积分器获得三角波输出。此电路的输出频率就是就是出。此电路的输出频率就是就是出。此电路的输出频率就是就是出。此电路的输出频率就是就是RCRC文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器的振荡频率的振荡频率的振荡频率的振荡频率.2.

5、2.函数信号发生器电路设计参考方案函数信号发生器电路设计参考方案函数信号发生器电路设计参考方案函数信号发生器电路设计参考方案RCRC正弦波震荡器正弦波震荡器正弦波震荡器正弦波震荡器迟滞迟滞迟滞迟滞比较器比较器比较器比较器积分器积分器积分器积分器正弦波正弦波uo1方波方波uo2三角波三角波三角波三角波uo3uo3用迟滞用迟滞用迟滞用迟滞比较器比较器比较器比较器与与与与反相积分器反相积分器反相积分器反相积分器首尾相串联首尾相串联首尾相串联首尾相串联构成构成构成构成方波方波方波方波-三角波三角波三角波三角波产生产生产生产生电路，电路，电路，电路，然后，然后，然后，然后，采用采用采用采用差分放大器差分

6、放大器差分放大器差分放大器，作为三角波，作为三角波，作为三角波，作为三角波正弦波变换电路利用正弦波变换电路利用正弦波变换电路利用正弦波变换电路利用差分对管差分对管差分对管差分对管的饱和与截的饱和与截的饱和与截的饱和与截止特性进行变换，此电路的输出频率就是就是止特性进行变换，此电路的输出频率就是就是止特性进行变换，此电路的输出频率就是就是止特性进行变换，此电路的输出频率就是就是方波方波方波方波-三角波三角波三角波三角波产生产生产生产生电路的频电路的频电路的频电路的频率率率率.迟滞迟滞迟滞迟滞比较器比较器比较器比较器积分器积分器积分器积分器正弦波正弦波正弦波正弦波uozuoz方波方波方波方波uof

7、uof三角波三角波三角波三角波uo3uo3差分差分差分差分放大器放大器放大器放大器过压过压过压过压2022/10/27长江大学 龙从玉3 RC RC文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器实验要点实验要点实验要点实验要点:.在在在在R1=R2=R,C1=C2=CR1=R2=R,C1=C2=C时时时时,振荡频率振荡频率振荡频率振荡频率f f=1/(2=1/(2RC);RC);.起振幅值条件起振幅值条件起振幅值条件起振幅值条件:AuAu1 1=(Ra+R=(Ra+Rf f)/Ra)/Ra 3 3.即即即即Rb/Ra Rb/Ra 2 2.R Rf f=R=RWW+(R3+(R3 Rd

8、)Rd)Rd:Rd:二极管正向电阻二极管正向电阻二极管正向电阻二极管正向电阻.*电路调整的电路调整的电路调整的电路调整的关键是关键是关键是关键是：负反馈电路中的电位器负反馈电路中的电位器负反馈电路中的电位器负反馈电路中的电位器R RWW的细心调节，的细心调节，的细心调节，的细心调节，R RWW过大：过大：过大：过大：输出方波！输出方波！输出方波！输出方波！R RWW过小：电路不起振！过小：电路不起振！过小：电路不起振！过小：电路不起振！3.1 RC3.1 RC文氏电桥正弦波振荡器的工作原理文氏电桥正弦波振荡器的工作原理文氏电桥正弦波振荡器的工作原理文氏电桥正弦波振荡器的工作原理:文氏电桥振荡器

9、由文氏电桥振荡器由文氏电桥振荡器由文氏电桥振荡器由RCRC串并串并串并串并选频网络选频网络选频网络选频网络和和和和同相放大器同相放大器同相放大器同相放大器组成组成组成组成.其中其中其中其中RCRC串并串并串并串并选频网络形成选频网络形成选频网络形成选频网络形成正反馈电路正反馈电路正反馈电路正反馈电路并决定并决定并决定并决定RCRC振荡器的振荡器的振荡器的振荡器的振荡频率振荡频率振荡频率振荡频率fofo：电路的振荡电路的振荡电路的振荡电路的振荡频率频率频率频率:fo=1/(:fo=1/(2 2RCRC)()(当当当当R1=R2;C1=C2R1=R2;C1=C2时时时时)当当当当f=fof=fo时

10、时时时:up:up与与与与uouo的相位差的相位差的相位差的相位差=0=00 0 fumax=up/uo=1/3.fumax=up/uo=1/3.RaRa和和和和RbRb形成形成形成形成反向比例电路反向比例电路反向比例电路反向比例电路决定起振的幅值条件调节决定起振的幅值条件调节决定起振的幅值条件调节决定起振的幅值条件调节波形波形波形波形与稳幅控制与稳幅控制与稳幅控制与稳幅控制.3.3.RCRC文氏电桥正弦波振荡电路文氏电桥正弦波振荡电路文氏电桥正弦波振荡电路文氏电桥正弦波振荡电路2022/10/27长江大学 龙从玉44 4.1 1方波方波方波方波/三角波三角波三角波三角波产生电路产生电路产生电

11、路产生电路：由：由：由：由迟滞迟滞迟滞迟滞比较器比较器比较器比较器与与与与积分器积分器积分器积分器首尾相串联首尾相串联首尾相串联首尾相串联构成构成构成构成。电路输出频率电路输出频率电路输出频率电路输出频率fofo =R2/(4R1RpC)=R2/(4R1RpC)；三角波输出电压：三角波输出电压：三角波输出电压：三角波输出电压：Uo2=Uz*R1/R2 Uo2=Uz*R1/R23267415U1UA7413267415U2UA74112v12v-12v-12v12v12v-12v-12vC11ufR32kR2R220k20kR1R110k10kR Rp p10k10kuo1SW1SW-SPDTC

12、210uuo2ABCDD11N5235BD21N5235B积分电路积分电路积分电路积分电路迟滞比较器迟滞比较器迟滞比较器迟滞比较器附图附图附图附图-2-2 方波方波方波方波/三角波产生电路三角波产生电路三角波产生电路三角波产生电路 频率频率频率频率fofo =R2/(4R1RpC)=R2/(4R1RpC)2022/10/27长江大学 龙从玉5 RC RC文氏电桥振荡文氏电桥振荡文氏电桥振荡文氏电桥振荡电路电路电路电路 调节调节调节调节Rw,Rw,使使使使uouo波形基本不失真波形基本不失真波形基本不失真波形基本不失真时时时时,分别测量输出电压分别测量输出电压分别测量输出电压分别测量输出电压up

13、up.uouo和振和振和振和振荡频率荡频率荡频率荡频率fofo,并记录表并记录表并记录表并记录表-1-1中中中中.表表表表-1-1文氏电桥振荡电路实验表文氏电桥振荡电路实验表文氏电桥振荡电路实验表文氏电桥振荡电路实验表电路参数电路参数电路参数电路参数频率频率频率频率fofo/Khz/Khz电压电压电压电压/v/vup/uo1up/uo1波形波形波形波形R1R1/k/kR2R2/k/kC C/uf/uf计算值计算值计算值计算值测量值测量值测量值测量值upupuo1uo11 10.10.11 10.20.2文氏电桥振荡器：文氏电桥振荡器：文氏电桥振荡器：文氏电桥振荡器：fofo=1/21/2 RC

14、RC；正反馈电路：正反馈电路：正反馈电路：正反馈电路：RCRC串并串并串并串并选频网络选频网络选频网络选频网络决决决决定定定定RCRC振荡器的振荡器的振荡器的振荡器的振荡频率振荡频率振荡频率振荡频率fofo。反向反向反向反向比例电路：比例电路：比例电路：比例电路：RaRa和和和和RbRb决定决定决定决定起振起振起振起振条件条件条件条件AuAu，调节波形与稳幅控制。，调节波形与稳幅控制。，调节波形与稳幅控制。，调节波形与稳幅控制。RbRb并联并联并联并联：正向非线性电阻正向非线性电阻正向非线性电阻正向非线性电阻起振时：电压起振时：电压起振时：电压起振时：电压低低低低电阻电阻电阻电阻R RD D大

15、大大大AuAu大大大大；振荡幅值大时：振荡幅值大时：振荡幅值大时：振荡幅值大时：电压电压电压电压高高高高电阻电阻电阻电阻R RD D小小小小AuAu小小小小，整形限幅。，整形限幅。，整形限幅。，整形限幅。3267415U1UA741UA74132%RVB10kC10.1uC20.1u-12v12vu1OP9%RV11010k kD11N4007D21N4007图图图图-1 RC-1 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路正弦波振荡电路正弦波振荡电路调负反馈调负反馈调负反馈调负反馈起振起振起振起振限幅限幅限幅限幅改变改变改变改变R R调频率调频率调频率调频率R11 1k kR310kR23k2022/

16、10/27长江大学 龙从玉64.2 4.2 方波方波方波方波/三角波三角波三角波三角波变换变换变换变换电路的计算与测试：电路的计算与测试：电路的计算与测试：电路的计算与测试：按上图按上图按上图按上图-3-3所示电路组成的所示电路组成的所示电路组成的所示电路组成的信号产生信号产生信号产生信号产生与方波与方波与方波与方波/三角波三角波三角波三角波变换变换变换变换电电电电路路路路,计算信号计算信号计算信号计算信号频率与频率与频率与频率与三角波三角波三角波三角波电压电压电压电压幅值，用示波器幅值，用示波器幅值，用示波器幅值，用示波器观察观察观察观察并并并并测量测量测量测量方波方波方波方波-三角波三角波

17、三角波三角波uouof f、uouo3 3波形。将实验数据记录在表波形。将实验数据记录在表波形。将实验数据记录在表波形。将实验数据记录在表-2-2中中中中.表表表表-2-2 信号产生信号产生信号产生信号产生 方波方波方波方波/三角波三角波三角波三角波变换变换变换变换电路实验记录表电路实验记录表电路实验记录表电路实验记录表迟滞比较器迟滞比较器迟滞比较器迟滞比较器积分电路积分电路积分电路积分电路参数参数参数参数频率频率频率频率fo/hzfo/hz三角波三角波三角波三角波u uo o3 3/v/vR1/kR1/kR2/kR2/ku uo2o2/v/v占空占空占空占空Rp/kRp/kC/ufC/uf计

18、算计算计算计算测量测量测量测量计算计算计算计算测量测量测量测量5.5.用用用用差分放大器差分放大器差分放大器差分放大器做做做做三角波三角波三角波三角波/正弦波正弦波正弦波正弦波变换电路变换电路变换电路变换电路差分放大器的差分放大器的差分放大器的差分放大器的差模特性：差模特性：差模特性：差模特性：1)1)单端单端单端单端输出差模输出差模输出差模输出差模电压增益：电压增益：电压增益：电压增益：A AVDVD=-R RL L/2(R/2(RB1B1+rbe)+rbe)2)2)差模输入电阻：差模输入电阻：差模输入电阻：差模输入电阻：RidRid=2(2(R RB1B1+rbe)+(1+rbe)+(1+

19、)R)RP P3)3)差模输出电阻：差模输出电阻：差模输出电阻：差模输出电阻：R ROO=R RC C2022/10/27长江大学 龙从玉7R Rp1p110kC1100uR715kR815kR56.8k12VR Re e100100R Rp2p2100R93kR Re e4 43k3k-12vR116.8kC2100uRV3(2)V=-0.638869RV3(1)V=-0.638995Q12N2926Q22N2926Q32N2926Q42N2926R430kC30.1uR RP3P310kR8(2)V=6.97652R7(2)V=8.28483uo3V=-1.3461Q1(B)V=-0.00

20、572449AMFM+-ABCD图图图图-3-3 差分放大器差分放大器差分放大器差分放大器:三角波三角波三角波三角波/正弦波正弦波正弦波正弦波变换变换变换变换电路电路电路电路5.2 5.2 用用用用差分放大器差分放大器差分放大器差分放大器传输特性传输特性传输特性传输特性实现实现实现实现三角波三角波三角波三角波/正弦波正弦波正弦波正弦波变换：变换：变换：变换：根据差分放大器差模输入下，根据差分放大器差模输入下，根据差分放大器差模输入下，根据差分放大器差模输入下，i iC C随输入随输入随输入随输入u uidid变化的规律。放大变化的规律。放大变化的规律。放大变化的规律。放大器器器器电流恒定电流恒

21、定电流恒定电流恒定，用差分对管的用差分对管的用差分对管的用差分对管的饱和饱和饱和饱和与与与与截止截止截止截止特性特性特性特性进行进行进行进行波形波形波形波形变换变换变换变换。IRIo恒流源恒流源恒流源恒流源由由由由Q3.Q4.Re3.Q3.Q4.Re3.Re4Re4与与与与Rp3Rp3构成为差分放构成为差分放构成为差分放构成为差分放大器提供大器提供大器提供大器提供恒定电流：恒定电流：恒定电流：恒定电流：Io=Io=I IR R=Vee-0.7/(Rp3+Re4)=Vee-0.7/(Rp3+Re4)电路要求：电路要求：电路要求：电路要求：传输特性传输特性传输特性传输特性对称对称对称对称线性区尽线

22、性区尽线性区尽线性区尽可能窄；可能窄；可能窄；可能窄；输入三角波的输入三角波的输入三角波的输入三角波的幅值幅值幅值幅值umum接近晶体管的接近晶体管的接近晶体管的接近晶体管的截止电压截止电压截止电压截止电压。差分放大器差分放大器差分放大器差分放大器主要由主要由主要由主要由Q1Q2Q1Q2等构成。其中等构成。其中等构成。其中等构成。其中ReRe用于用于用于用于减小减小减小减小差放的差放的差放的差放的线性区线性区线性区线性区，Rp2Rp2对称对称对称对称性调节，性调节，性调节，性调节，C3C3滤波电容。滤波电容。滤波电容。滤波电容。2022/10/27长江大学 龙从玉8表表表表-3-3 函数信号发

23、生器实验表函数信号发生器实验表函数信号发生器实验表函数信号发生器实验表波形波形正弦波正弦波正弦波正弦波方波方波方波方波三角波三角波三角波三角波电路电路1 1RCRC振荡电路振荡电路振荡电路振荡电路2 2比较电路比较电路比较电路比较电路3 3积分电路积分电路积分电路积分电路参数参数参数参数R1R1Rp1Rp1C Cf f算算算算f f测测测测uo1uo1Rp3Rp3正频正频正频正频负频负频负频负频uo2uo2Rp4Rp4C3C3uouo算算算算uo3uo311k1k0.145%210K5K0.150%310K10K0.155%调试时应注意：调试时应注意：调试时应注意：调试时应注意：在调试正弦波振

24、荡器时，在调试正弦波振荡器时，在调试正弦波振荡器时，在调试正弦波振荡器时，先先先先测量测量测量测量运放的运放的运放的运放的输入输入输入输入/输出输出输出输出端的端的端的端的直流电压直流电压直流电压直流电压(正常时均正常时均正常时均正常时均为为为为0 0)。再再再再将反向比例电位器将反向比例电位器将反向比例电位器将反向比例电位器RPbRPb调至最大调至最大调至最大调至最大 ，最后将该最后将该最后将该最后将该电位器电位器电位器电位器缓慢调小，缓慢调小，缓慢调小，缓慢调小，使使使使输出输出输出输出为为为为正弦波正弦波正弦波正弦波。根据根据根据根据RCRC文氏电桥参数文氏电桥参数文氏电桥参数文氏电桥参

25、数计算计算计算计算振荡频率，其次应使振荡频率，其次应使振荡频率，其次应使振荡频率，其次应使积分积分积分积分电路的电路的电路的电路的R3*C3R3*C3 正弦正弦正弦正弦波波波波振荡电路振荡电路振荡电路振荡电路的的的的R1*C1R1*C1！否则，可能会否则，可能会否则，可能会否则，可能会影响影响影响影响输出输出输出输出三角波三角波三角波三角波的的的的波形波形波形波形！6.1 6.1 用运放用运放用运放用运放构成以构成以构成以构成以RCRC振荡器振荡器振荡器振荡器为基础的为基础的为基础的为基础的函数信号发生器函数信号发生器函数信号发生器函数信号发生器:根据信根据信根据信根据信号号号号频率频率频率频

26、率:fo=1:fo=1/2/2C(R1*RP2)C(R1*RP2)，三角波三角波三角波三角波电压电压电压电压:uo=uuo=ui iwwT/(4RC)T/(4RC)分分分分别将别将别将别将信号发生器信号发生器信号发生器信号发生器电路电路电路电路计算参数计算参数计算参数计算参数与与与与实验测量数据实验测量数据实验测量数据实验测量数据记录在表记录在表记录在表记录在表-3-3中。中。中。中。2022/10/27长江大学 龙从玉93267415U1UA74115%RpB10kC10.1uC20.1u-12v12v3267415U2UA74112v-12v3267415U3UA741C30.1uuo11

27、2V-12V80%Rp110kABCD100%Rp415kuo2uo350%Rp310kR11kR310kR42kR5470R6150kR23kD11N4001D21N4001D31N5235BD41N5235BR110kSW1SW-SPDT 正弦波正弦波正弦波正弦波/方波方波方波方波/三角波变换电路三角波变换电路三角波变换电路三角波变换电路采用采用采用采用RCRC振荡器振荡器振荡器振荡器产生产生产生产生正弦波正弦波正弦波正弦波,频率频率频率频率:fo=1fo=1/2/2C(R1RP1)C(R1RP1)通过通过通过通过比较器比较器比较器比较器变换同频率变换同频率变换同频率变换同频率方波方波方波

28、方波，再再再再通过通过通过通过积分器积分器积分器积分器变换同频率变换同频率变换同频率变换同频率三角波三角波三角波三角波。参考图参考图参考图参考图-4 RC-4 RC振荡函数信号发生器振荡函数信号发生器振荡函数信号发生器振荡函数信号发生器振荡器振荡器振荡器振荡器正弦波正弦波正弦波正弦波R R调调调调频频频频率率率率RPBRPB调调调调AuAu起振限幅起振限幅起振限幅起振限幅频率频率频率频率:150-1500hz:150-1500hz比较器比较器比较器比较器:正弦波正弦波正弦波正弦波/方波方波方波方波 积分器积分器积分器积分器:方波方波方波方波/三角波三角波三角波三角波uouo3 3=u uo2o

29、2T T/(4R4Rp p4 4C C3 3)调占空比调占空比调占空比调占空比2022/10/27长江大学 龙从玉107.实验报告要求：实验报告要求：7.1.7.1.有较完善的电路有较完善的电路有较完善的电路有较完善的电路设计方案设计方案设计方案设计方案，有各，有各，有各，有各单元电路单元电路单元电路单元电路的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理及电路中关键元件作用的论述；及电路中关键元件作用的论述；及电路中关键元件作用的论述；及电路中关键元件作用的论述；7.2.7.2.有有有有波形产生波形产生波形产生波形产生电路电路电路电路频率频率频率频率及及及及波形变换波形变换波形变换波形变换电路输出电

30、路输出电路输出电路输出电压电压电压电压的的的的理论理论理论理论计算；计算；计算；计算；7.3.7.3.根据实验记录根据实验记录根据实验记录根据实验记录原始数据原始数据原始数据原始数据,计算计算计算计算实验结果实验结果实验结果实验结果，并将，并将，并将，并将实验结果实验结果实验结果实验结果与实验电路的与实验电路的与实验电路的与实验电路的理论计算值理论计算值理论计算值理论计算值对比；对比；对比；对比；7.4.7.4.记述实验过程中出现的故障，分析故障产生的原因及记述实验过程中出现的故障，分析故障产生的原因及记述实验过程中出现的故障，分析故障产生的原因及记述实验过程中出现的故障，分析故障产生的原因及

31、消除的办法。消除的办法。消除的办法。消除的办法。2022/10/27长江大学 龙从玉113267415U1U1UA7413267415U2U2UA74112V12V-12V12V12V-12VR220kR110kuo1SW1uo2ABCDC3100uC4100uC210uC11uR715kR815kR56.8k12V12VR6100R93kR103k-12vR116.8kC5100uRP41RP42Q1Q19013Q2Q29013Q3Q39013Q4Q49013C60.1uR32kR8(2)R7(2)uo3C4(-)D11N5235BD21N5235BD31N4001D41N400199%RP147k50%RP210k8%RP3100k50%RP410086%RP510k参考图参考图参考图参考图-5-5 函数信号发生器函数信号发生器函数信号发生器函数信号发生器 龙龙龙龙频率频率频率频率fofo =R2/4R1C(Rp1+Rp2+RD)=R2/4R1C(Rp1+Rp2+RD)迟滞比较迟滞比较迟滞比较迟滞比较输出输出输出输出方波方波方波方波积分积分积分积分输出输出输出输出三角波三角波三角波三角波占占占占空空空空比比比比差动差动差动差动波形波形波形波形变换变换变换变换输出正弦波输出正弦波输出正弦波输出正弦波恒恒流流源源RO=RCuo2=uo1*R1/R2uo2=uo1*R1/R2