模擬電路課程設(shè)計(jì)——函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求在給定的±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。信號(hào)頻率：～10kHz輸出電壓：方波：≤24V三角波p6V正弦波：V方波：上升和下降時(shí)間：s三角波失真度：2%正弦波失真度：5%二、設(shè)計(jì)方案論證1〖方案一〗由文氏電橋產(chǎn)生正弦振蕩，然后通過比較器得到方波，方波積分可得三角波。 正弦波

比較器 方波 積分器 三角波這一方案為一開環(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：v1idt1vdto C RCi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。而且通過仿真實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)積分器極易產(chǎn)生失調(diào)?！挤桨付接煞e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關(guān)的作用 積分器 三角波 方波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：線性良好、穩(wěn)定性好；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 不存在如文氏電橋那樣的過渡過程，接通電源后會(huì)立即產(chǎn)生穩(wěn)定的波形；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。綜合上述分析，我們采用了第二種方案來產(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。2三角波變?yōu)檎也ǖ姆椒ㄓ卸喾N但總的看來可以分為兩類一種是通過濾波器進(jìn)“頻域”處理，另一種則是通過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：〖方案一〗采用米勒積分法。設(shè)三角波的峰值為V，三角波的傅立葉級(jí)數(shù)展開：PVt8Vnt1nt1nt1nkkt2 P 32 52 k2 2 通過線性積分后：Vt8Vst1st1s5t1nkkt 12 P 32 52 k3 2 R顯見濾波式的優(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。積分濾波法的失調(diào)圖Protel99SESIM99仿真）而且輸出存在直流分量?！挤桨付讲庞枚O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關(guān)，存在導(dǎo)通閾值問題，故不可盲目的增加分段數(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。二極管－電阻網(wǎng)絡(luò)折線逼近電路對(duì)于集成化來說是比較簡(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)起來不是很方便的。另外折線逼近電路的原理是應(yīng)用電路傳輸?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)。TVTVTVTV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i和i，輸入差模電壓為v,C1 C2 ID發(fā)射極電流為IEEi IEC11evID

i IEC2v1eID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。差放差模傳輸特性曲線圖Protel99SESIM99仿真）這種轉(zhuǎn)換方式比較簡(jiǎn)單，而且頻帶很寬。三、整體電路設(shè)計(jì)和分析計(jì)算1．三角波方波產(chǎn)生電路電路圖如圖所示，由三個(gè)運(yùn)算放大器組成。其中A實(shí)現(xiàn)密勒積分，A實(shí)現(xiàn)比較、限幅、反相三1 2種功能運(yùn)算，A為限幅反向器。A,A是正反饋電路，用R作反饋通路。假設(shè)在tt時(shí)A輸出為3 2 3 1 0 3正電平U。其中一部分信號(hào)反饋到A的反相輸入端。另一部分通過R反饋到A的反相輸入端，其2 P 1三角波－方波產(chǎn)生電路圖值的大小由R與R的分壓比決定。該信號(hào)電壓被積分器反相積分，使A的輸出電壓u以時(shí)間常數(shù)9 10 1 o1RC下降，并通過R加在A的反相輸入端，流過R的反饋電流UP 2 2 1 R1

(即I),流過電阻R的電流為1 2uo1R2

(即I)，當(dāng)正反饋電流I與電流I相等時(shí)，A反相輸入端的電壓為零。A開始從-0.65V跳變2 1 2 2 2到+0.65使A的輸出隨之翻轉(zhuǎn)，使u從U跳變到U，與此同時(shí)，A反相輸入端的電壓3 o3 1也隨之翻轉(zhuǎn)跳變到負(fù)值，A對(duì)電壓U進(jìn)行反向積分，使得u按著同樣的時(shí)間常數(shù)RC上升。電流1 o1 PI與I反向。I2 1 2

uo1R2

逐漸增加，當(dāng)正反饋電流I與I相等時(shí)，1 2

u再次跳變，+0.65V跳變到o2-0.65，迫使U再次翻轉(zhuǎn)，從U跳變到U，這就完成了一個(gè)振蕩周期。如此周而復(fù)始的循環(huán)。在o3A地輸出端產(chǎn)生三角波u在A的輸出端產(chǎn)生方波u假設(shè)A的正負(fù)限幅值不相等U表示1 o1 3 o3 1正限幅電平，用U當(dāng)時(shí)，u從U跳變到U，此時(shí)有：o1U(t)R2UO1 R1當(dāng)時(shí)，比較器跳變，此時(shí)：1U(T)UTR2UR2UO1 1 RC1 R R1 1 3 1 R0RR9 0顯然，U(0)U(T)，此時(shí)可以得到前半周期T：O1 O1 1 1TR2RPC1U)1 R 1當(dāng)＝時(shí)，積分器A的輸出電壓為三角波的下降邊。同理，下一次跳變時(shí)，應(yīng)出現(xiàn)1 1在UtUO1

R2。實(shí)際上，積分器A的輸出電壓Ut的跳變時(shí)間應(yīng)為T。因此R 1 O1 21U(T)UTR2UR2UO2 2 RC2 R R1 1 3 1可以得到后半個(gè)周期T2TR2RPC1U)2 R U1如果選擇電阻R與R相等且正向限幅與負(fù)向限幅相等即U與U相等程TTT可簡(jiǎn)2 1 1 2化為：T4C fP

4RCp由上式可看出，周期T或頻率f僅由分壓比系數(shù)和積分常數(shù)RC決定。調(diào)節(jié)分壓比可連續(xù)改變P頻率f。正弦波變換電路電路如圖。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。三角波－正弦波轉(zhuǎn)換電路圖3通過上述電路的分析和設(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)接口電路來實(shí)現(xiàn)和完成。接口電路圖考慮到音頻信號(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?為0?保護(hù)的作用。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)-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。四、電路的E現(xiàn)及仿真分析1．輸出瞬態(tài)分析通過在4.747K的范圍內(nèi)對(duì)電位器R的調(diào)節(jié)我們可以得到頻率覆蓋1～10KHz的各輸出波P形。兩個(gè)邊界頻率的瞬態(tài)分析結(jié)果見以下諸圖：10KHz三角波0dB–20dB–30dB輸出圖Protel99SESIM99仿真）10KHz方波0dB–20dB–30dB輸出圖Protel99SESIM99仿真）10KHz正弦波0dB–20dB–30dB輸出圖Protel99SESIM99仿真）1KHz三角波0dB–20dB–30dB輸出圖Protel99SESIM9仿真）1KHz方波0dB–20dB–30dB輸出圖Protel99SESIM9仿真）1KHz正弦波0dB–20dB–30dB輸出圖Protel99SESIM9仿真）2．波形參數(shù)的測(cè)量注：以下各參數(shù)的測(cè)量均在Protel99SESIM99的仿真支持下，由Casor測(cè)量光標(biāo)輔助完成的，其中失真度的測(cè)量是引頻的信的出由幾的都信倍需較幅，因再印。輸出幅值的測(cè)量：測(cè)量條件：f=5KHz0Ω輸出端口 幅值范圍 28mVOUT2(-20dB)OUT3(-30dB)

0.6—2.8mV60m—0.28mV方波上升時(shí)間的測(cè)量：測(cè)量條件 0Ω頻率 f=1KHz上升時(shí)間 655.74ns

f=10KHz555.70ns正弦波失真度的測(cè)量：測(cè)量條件 0頻率 f=1KHz失真度 2.

f=10KHz3.鑒于所采用正弦波的失真系數(shù)的測(cè)量方法有較大誤差。為此，特在Uo試條件下在0B口對(duì)f=1弦波進(jìn)行了Fouer如下圖：rier1KHz正弦波0dB輸出時(shí)的Fou（l9E9rier由圖可見：電路高頻諧波分量是比較少的?？偨Y(jié)：以上測(cè)試數(shù)據(jù)證明，該電路已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了課程設(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，通過改變?nèi)遣ǚe分電容的方法，還可以將頻率覆蓋擴(kuò)展至10Hz00。Hz．溫度掃描分析以下三圖是在f=5.831KHz Ω0d輸出-～5℃步長(zhǎng)為20的溫度掃描圖：5.831KHz三角-1℃+50℃溫度掃描圖Protel99SESIM99仿真）5.831KHz正弦-1℃+50℃溫度掃描圖Protel99SESIM99仿真）5.831KHz方-10℃+50℃溫度掃描圖Protel99SESIM99仿真）由圖可見，波形除了時(shí)間上存在延遲外并無畸變。電路在該溫度范圍內(nèi)是正常工作的。．器件選擇該電路主要由LM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LM，但是性能是LM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，可以達(dá)到令人滿意的調(diào)節(jié)效果。元器件清單名稱 標(biāo)號(hào) 規(guī)格運(yùn)放 1、、、4、、6 電容二極管穩(wěn)壓管三極管電阻

C 3600PF 100UF47uF1Cp2 100uF3Cp4F、、、 191、DW21N752、39、0、R4K0R162001R3 100k、5R6 5.1KK7R18 47 名稱 標(biāo)號(hào) 規(guī)格R22、R9 100R24 7KR25 R26 電阻

R27 600R28 6.04KR29 665R30 R31 604R7、R8 RP 電位器

RP1 RP2 RP3 五、心得體會(huì)在這次設(shè)計(jì)、焊接過程中我對(duì)抽象的理論有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。通過這次課程設(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們不能盲目的圖快，一定要在心底有個(gè)具體的譜然后下手去焊接，