函数信号发生器实验报告..pdf
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1、青海师范大学 课程设计报告 课程设计名称:函数信号发生器 专业班级:电子信息工程 学生姓名:李玉斌 学号: 20131711306 同组人员:郭延森安福成涂秋雨 指导教师:易晓斌 课程设计时间: 2015年12月 目录 1 设计任务、要求以及文献综述 2 原理综述和设计方案 2.1 系统设计思路 2.2设计方案及可行性 2.3 系统功能块的划分 2.4 总体工作过程 3 单元电路设计 3.1 安装前的准备工作 3.2 万用表的安装过程 4 结束语 1 设计任务、要求 在现代电子学的各个领域,常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生 器。能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦
2、波的电路 称为函数信号发生器, 又名信号源或振荡器。 函数信号发生器与正弦波信号发生 器相比具有体积小、功耗少、价格低等优点, 最主要的是函数信号发生器的输 出波形较为灵活 , 有三种波形(方波、三角波和正弦波)可供选择,在生产实 践,电路实验,设备检测和科技领域中有着广泛的应用。 该函数信号发生器可产生三种波形,方波,三角波,正弦波,具有数字显示 输出信号频率和电压幅值功能,其产生频率信号范围1HZ 100kHZ ,输出信号幅 值范围 010V ,信号产生电路由比较器,积分器,差动放大器构成,频率计部 分由时基电路、计数显示电路等构成。 幅值输出部分由峰值检测电路和芯片7107 等构成。 技
3、术要求: 1. 信号频率范围 1Hz100kHz; 2. 输出波形应有:方波、三角波、正弦波; 3. 输出信号幅值范围 010V; 4. 具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能。 2 原理叙述和设计方案 2.1 系统设计思路 函数信号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,其电 路中使用的器件可以是分离器件(如低频信号函数发生器S101 全部采用晶体 管) ,也可以是集成器件 (如单片集成电路函数信号发生器ICL8038) 。产生方波、 正弦波、三角波的方案也有多种,如先产生方波,再根据积分器转换为三角波, 最后通过差分放大电路转换为正弦波。频率计部分由时基电路、 计数显示电路等
4、 构成,整形好的三角波或正弦波脉冲输入该电路,与时基电路产生的闸门信号对 比送入计数器, 最后由数码管可显示被测脉冲的频率。产生的 3 种波经过一个可 调幅电路, 由于波形不断变化, 不能直接测出其幅值, 得通过峰值检测电路测出 峰值(稳定的信号幅值保持不变) ,然后经过数字电压表 (由 AD转换芯片 CC7107 和数码管等组成),可以数字显示幅值。 2.2 设计方案及可行性 方案一:采用传统的直接频率合成器。首先产生方波三角波, 再将三角波 变成正弦波。 方案二:采用单片机编程的方法来实现(如 89C51单片机和 D/A 转换器,再 滤波放大),通过编程的方法控制波形的频率和幅度,而且在硬
5、件电路不变的情 况下,通过改变程序来实现频率变换。 方案三:是利用 ICL8038 芯片构成 8038 集成函数发生器,其振荡频率可通 过外加直流电压进行调节。 经小组讨论,方案一比较需要的元件较多,方案二超出学习范围,方案三中 的芯片仿真软件中不存在,而且内部结构复杂,不容易构造,综合评定,最后选 择方案一。 2.3系统功能块的划分 该系统应主要包括直流稳压电源,信号产生电路, 频率显示电路和电压幅值 显示电路四大部分。 直流稳压电源将 220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电压,信号产生电 路产生的信号, 经过适当的整形, 作为频率显示电路的输入, 从而达到了数字显 示频率的要求;产生的
6、信号经过幅频显示部分(峰值检测电路和数模转换),便 实现了幅值数字显示。 2.4 总体工作过程 先由反相输入的滞回比较器和RC电路组成方波发生电路, 然后方波经积分器 得到三角波, 由差分放大器来完成三角波到正弦波的变换电路。频率计部分由时 基电路、计数显示电路等构成, 整形好的三角波或正弦波脉冲输入该电路,与时 基电路产生的闸门信号对比送入计数器,最后由数码管可显示被测脉冲的频率。 产生的 3 种波经过一个可调幅电路,由于波形不断变化,不能直接测出其幅值, 得通过峰值检测电路测出峰值(稳定的信号幅值保持不变),然后经过数字电压 表(由 AD转换芯片 CC7107和数码管等组成),可以数字显示
7、幅值。 3 单元电路设计 一、信号产生电路 1. 函数发生器总方案 函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、 阶梯波等电压 波形的电路或仪器。 根据用途不同, 有产生三种或多种波形的函数发生器,使用 的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管),也可以 采用集成电路(如单片集成电路函数信号发生器ICL8038) 。为进一步掌握电路 的基本理论及实验调试技术, 本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器 共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法,如图。 产生正弦波、方波、三角波的方案有多种,如首先产生正弦波,然后通过整形电 路将正弦波变换成方波,
8、 再由积分电路将方波变成三角波;也可以首先产生三角 波方波,再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生 方波三角波,再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。 由比较器和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 的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。 函数发生器组成框 2 各组成部分电路的工作原理 方波发生电路的工作原理 此电路由反相输入的滞
9、回比较器和RC电路组成。 RC回路既作为延迟环 节,又作为反馈网络,通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一 时刻输出电压 0 U=+ Z U, 则同相输入端电位 p U =+ t U。 0 U通过 R3对电容 C 正向充电,如图中实线箭头所示。反相输入端电位n 随时间 t 的增长而逐渐 增高,当 t 趋于无穷时, n U趋于+ Z U;但是,一旦 n U =+ t U, 再稍增大, 0 U 从+ Z U跃变为 - Z U, 与此同时 p U从 t U跃变为 - t U。随后, 0 U又通过 R3对 电容 C反向充电,如图中虚线箭头所示。 n U随时间逐渐增长而减低,当t 趋于无穷大时,
10、 n U趋于- Z U;但是,一旦 n U =- t U, 再减小, 0 U就从- Z U 跃变为 + Z U, p U从- t U跃变为+ t U,电容又开始正相充电。上述过程周而 复始,电路产生了自激振荡。 方波三角波转换电路的工作原理 R1 1 2 3 5 4 U1 R2 R3 50% Rp1 R4 50% Rp2 1 2 3 5 4 U2 C1 R17 图 2 2 方波三角波转换电路 图 22 所示的电路能自动产生方波三角波。工作原理如下:若 R2左断开, 运算发大器 A1与 R1 、R2及 R3 、RP1组成电压比较器, C1为加速电容,可加速 比较器的翻转。 运放的反相端接基准电压
11、, 即 U-=0,同相输入端接输入电压 ia U, R1称为平衡电阻。 比较器的输出 01 U的高电平等于正电源电压 + cc V,低电平等于 负电源电压 - ee V(|+ cc V |=|- ee V | ), 当比较器的 U+=U- =0时,比较器翻转, 输出 01U从高电平跳到低电平- eeV, 或者从低电平eeV跳到高电平ccV。设01U =+ cc V则 312 231231 ()0 CCia RRPR UVU RRRPRRRP 将上式整理,得比较器翻转的下门限单位 ia U为 22 3131 () CCCC ia RR UVV RRPRRP 若 01 U = - ee V, 则比
12、较器翻转的上门限电位 ia U为 22 3131 () EECC ia RR UVV RRPRRP 比较器的门限宽度 2 31 2 HCC iaia R UUUV RRP 由以上公式可得比较器的电压传输特性,如图23 所示 图 23 比较电压传输特性图 24 方波、三角波的转化 R2左端断开后,运放 A2与 R4 、RP2 、C2及 R5组成反相积分器,其输入信号 为方波 Uo1 ,则积分器的输出Uo2为 21 422 1 () OO UUdt RRP C 1OCC UV时, 2 422422 () ()() CCCC O VV Utt RRP CRRP C 1OEE UV时, 2 42242
13、2 () ()() CC EE O VV Utt RRP CRRP C 可见积分器的输入为方波时, 输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波,其 波形关系如图 24 所示。 R2左端闭合,既比较器与积分器首尾相连,形成闭环电路,则自动产生方 波-三角波。 三角波的幅度为 2 2 31 OmCC R UV RRP 方波- 三角波的频率 f 为 31 2422 4() RRP f RRRP C 由以上两式可以得到以下结论: a)电位器 RP2在调整方波 - 三角波的输出频率时,不会影响输出波形的幅 度。若要求输出频率的范围较宽,可用C2改变频率的范围, PR2实现频 率微调。 b)方波的输出幅度应
14、等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源 电压+Vcc。电位器 RP1可实现幅度微调,但会影响方波- 三角波的频率。 三角波正弦波转化电路的工作原理 三角波正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。 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。特别是 作为直流放大器, 可以有效的抑制零点漂移, 因此可将频率很低的三角波变换成 正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。分析表明, 传输特性曲线的表达式为: 0 11/ 1 idT CEUU aI IaI e 式中/1 CE aII 0 I差分放大器的恒定电流; T U温度的电压当量,当室温为25C 时,
15、 T U26mV 。 如果 id U为三角波,设表达式为 4 4 43 4 m id m UT t T U UT t T 0 2 2 T t T tT 式中, m U三角波的幅度; T三角波的周期。 图 2 5 三角波正弦波变换 为使输出波形更接近正弦波,由图可见: a)传输特性曲线越对称,线性区越窄越好; b)三角波的幅度 Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。 图 26 为实现三角波正弦波变换的电路。 其中 Rp1调节三角波的幅度, Rp2 调整电路的对称性,其并联电阻RE2 用来减小差分放大器的线性区。电容 C1,C2,C3为隔直电容, C4为滤波电容,以滤除谐波分量,改善输出波形。 图
16、 26 三角波正弦波变换电路 2. 计频显示电路 测量正弦波、方波、三角波的频率,利用施密特触发器将输入信号整形为方 波,并利用计数器测量1s 内脉冲的个数,利用锁存器锁存,稳定显示在数码管 上。 2.1 频率测量的方法 1)测周法 测周期法,测周期法使用被测信号来控制闸门的开闭,而将标准时基脉冲 通过闸门加到计数器, 闸门在外信号的一个周期内打开,这样计数器得到的计数 值就是标准时基脉冲外信号的周期值, 然后求周期值的倒数, 就得到所测频率值。 首先把被测信号通过二分频,获得一个高电平时间是一个信号周期T 的方 波信号;然后用一个一直周期T1的高频方波信号作为计数脉冲,在一个信号周 期 T
17、的时间内对 T1信号进行计数,如图2-7 所示。 若在 T 时间内的计数值为N2, 则有: T2=N2*T1 f 2=1/T2=1/(N2*T1)=f1/N2 N2的绝对误差为 N2=N+1 。 N2的相对误差为 N2=(N2-N)/N=1/N T2的相对误差为 T2=(T2-T)/T=(N 2*T1-T)/T=f/f1 从 T2的相对误差可以看出,周期测量的误差与信号频率成正比,而与高频 标准计数信号的频率成反比。当f1为常数时,被测信号频率越低,误差越小, 测量精度也就越高。 2)测频法 测频法是将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法,如果 闸门打开的时间为T,计数器得到的计数
18、值为N1 ,则被测频率为 f=N1/T。改变 时间 T,则可改变测量频率范围。 设在 T 期间,计数器的精确计数值应为N,根据计数器的计数特性可知,N1 的绝对误差是 N1=N+1,N1的相对误差为 N1=(N1-N)/N=1/N。 由 N1的相对误差可 知,N的数值愈大,相对误差愈小,成反比关系。因此,在f 已确定的条件下, 为减少 N的相对误差,可通过增大 T 的方法来降低测量误差。 当 T为某确定值时 (通常取 1s),则有 f1=N1, 而 f=N,故有 f1 的相对误差: f1=(f1-f)/f=1/f 从上式可知 f1 的相对误差与 f 成反比关系,即信号频率越高,误差越小; 而信
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