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函数发生器设计要求的方案选取

编辑:金沙官网        发布日期:2017-09-22        点击量:1256
  函数发生器是一种多波形的信号源。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波,甚至任意波形。有的函数发生器还具有调制的功能,可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制。
  
  如何设计
  
  设计一个函数发生器使得能够产生方波、三角波、正弦波。
  
  频率范围10Hz~100Hz,100Hz~1000Hz,1kHz~10kHz
  
  频率控制方式通过改变RC时间常数手控信号频率
  
  通过改变控制电压Uc实现压控频率VCF
  
  输出电压正弦波Upp≈3 V幅度连续可调
  
  三角波Upp≈5 V幅度连续可调
  
  方波Upp≈14 V幅度连续可调
  
  波形特性方波上升时间小于2s
  
  三角波非线性失真小于1%
  
  正弦波谐波失真小于3%
  
  设计要求
  
  (1)根据技术指标要求及实验室条件自选方案设计出原理电路图,分析工作原理,计算元件参数。
  
  (2)列出所有元、器件清单报实验室备件。
  
  (3)安装调试所设计的电路,使之达到设计要求。
  
  (4)记录实验结果。
  
  1、函数发生器的组成
  
  函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成;也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同,有产生三种或多种波形的函数发生器,本课题先容方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。
  
  函数发生器是一种多波形的信号源。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波,甚至任意波形。有的函数发生器还具有调制的功能,可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制。
  
  方案选取
  
  (一)方案一:三角波变换成正弦波
  
  由运算放大器单路及分立元件构成,方波--三角波--正弦波函数发生器电路组成如图1所示,由于技术难点在三角波到正弦波的变换,故以下将详细先容三角波到正弦波的变换。
  
  1、利用差分放大电路实现三角波--正弦波的变换
  
  波形变换的原理是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性,波形变换过程如图2所示。由图可以看出,传输特性曲线越对称,线性区域越窄越好;三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。方案一:用差分放大电路实现三角波到正弦波以及集成运放组成的电路实现函数发生器
  
  2、用二极管折线近似电路实现三角波--正弦波的变换
  
  根据二极管折线近似电路实现三角波--正弦波的变换的原理图,可得其输入、输出特性曲线如入3所示。
  
  频率调节部分设计时,可先按三个频率段给定三个电容值:1000pF、0.01Μf、0.1μF然后再计算R的大小。手控与压控部分线路要求更换方便。为满足对方波前后沿时间的要求,以及正弦波最高工作频率(10kHz)的要求,在积分器、比较器、正弦波转换器和输出级中应选用Sr值较大的运放(如LF353)。为保证正弦波有较小的失真度,应正确计算二极管网络的电阻参数,并注意调节输出三角波的幅度和对称度。输入波形中不能含有直流成分。
  
  (二)方案二:用二极管折线近似电路以及集成运放组成的电路实现函数发生器
  
  图是由μA741和5G8038组成的精密压控震荡器,当8脚与一连续可调的直流电压相连时,输出频率亦连续可调。当此电压为最小值(近似为0)时。输出频率最低,当电压为最大值时,输出频率最高;5G8038控制电压有效作用范围是0-3V。由于5G8038本身的线性度仅在扫描频率范围10:1时为0.2%,更大范围(如1000:1)时线性度随之变坏,所以控制电压经μA741后再送入5G8038的8脚,这样会有效地改善压控线性度(优于1%)。若4、5脚的外接电阻相等且为R,此时输出频率可由下式决定:
  
  f=0.3/RC4
  
  设函数发生器最高工作频率为2kHz,定时电容C4可由上式求得。
  
  电路中RP3是用来调整高频端波形的对称性,而RP2是用来调整低频端波形的对称性,调整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。稳压管VDz是为了避免8脚上的负压过大而使5G8038工作失常设置的。
  
  (三)方案三:用单片集成函数发生器5G8038
  
  可行性分析:
  
  上面三种方案中,方案一与方案二中三角波--正弦波部分原理虽然不一样,但是他们有共通的地方就是都要人为地搭建波形变换的电路图。而方案三采用集成芯片使得电路大大简化,但是由于实验室条件和成本的限制,大家首先抛弃的是第三种方案,因为它是牺牲了成本来换取的方便。其次是对方案一与方案二的比较,方案一中用的是电容和电阻运放和三极管等电器原件,方案二是用的二极管、电阻、三极管、运放等电器原件,所以从简单而且便于购买的前提出发大家选择方案一为大家最终的设计方案。
  
  参数确定
  
  从电路的设计过程来看电路分为三部分:①正弦波部分②方波部分③三角波部分
  
  正弦波部分
  
  由于大家选取差分放大电路对三角波--正弦波进行变换,首先要完成的工作是选定三极管,大家现在选择KSP2222A型的三极管,其静态曲线图像如右图所示。
  
  根据KSP2222A的静态特性曲线,选取静态工作区的中心由直流通路有:20 k因为静态工作点已经确定,所以静态电流变成已知。
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